2020年4月29日訊/生物谷BIOON/---2020年4月份即將結束了，4月份Science期刊又有哪些亮點研究值得學習呢？小編對此進行了整理，與各位分享。
1.全文編譯！荷蘭科學家發表Science論文，在非人類靈長類動物模型中比較COVID-19、MERS和SARS的發病機制兩份關於三名COVID-19患者肺組織學檢查的報告顯示雙側瀰漫性肺泡損傷（DAD）、肺水腫和透明膜形成，這表明存在急性呼吸窘迫症候群（ARDS）以及肺泡腔內特徵性的多核巨細胞，這類似於2002/2003年SARS-CoV疫情爆發期間的調查結果。先前曾在非人類靈長類動物模型（食蟹猴）中研究過SARS-CoV感染的發病機理，在這種動物模型中，年老動物更容易患病。
在一項新的研究中，來自荷蘭多家研究機構的研究人員在食蟹猴中描述了SARS-CoV-2感染的特徵，並與MERS-CoV感染和SARS-CoV的歷史數據進行了比較。相關研究結果於2020年4月17日在線發表在Science期刊上，論文標題為「Comparative pathogenesis of COVID-19, MERS, and SARS in a nonhuman primate model」。
接種SARS-CoV-2的食蟹猴肺部的特徵性病理變化和病毒抗原表達。圖片來自Science, 2020, doi:10.1126/science.abb7314。
他們發現食蟹猴對SARS-CoV-2感染較為敏感，存在長時間脫落病毒，並表現出類似COVID-19的疾病。在這種非人類靈長類動物模型中，SARS-CoV-2在整個呼吸道組織（包括鼻腔、支氣管、細支氣管和肺泡）的呼吸道上皮細胞中有效地複製。上呼吸道中的病毒複製與宿主之間的有效傳播相吻合，而下呼吸道中的病毒複製與肺部疾病的產生相吻合。對這種模型中SARS-CoV、MERS-CoV和SARS-CoV-2感染的深入比較，可能會發現這些新興病毒的發病機制中的關鍵途徑。這項新研究提供了一種新的感染模型，該模型對於評估和批准用於人類SARS-CoV-2感染的預防和治療策略以及評估重新利用物種特異性現有療法（比如聚乙二醇化幹擾素）的療效至關重要。
2.全文編譯！Science期刊發文揭示重症COVID-19中的細胞因子釋放症候群，並探討潛在的治療方法2019年12月，一種新型冠狀病毒---SARS-CoV-2---橫空出世。除了嚴重急性呼吸症候群（SARS）冠狀病毒（SARS-CoV）和中東呼吸症候群（MERS）冠狀病毒（MERS-CoV）之外，SARS-CoV-2是第三種引起人類嚴重呼吸道疾病---稱為2019年冠狀病毒病（COVID-19）---的冠狀病毒。2020年3月，它被世界衛生組織（WHO）確認為大流行，對全球經濟和健康產生了相當大的影響。儘管形勢發展迅速，但在COVID-19病例中，有高達20%的COVID-19病例出現了以發熱和肺炎為主要表現的嚴重疾病，從而導致急性呼吸窘迫症候群（ARDS）。這讓人聯想到在感染SARS-CoV和MERS-CoV的患者以及接受經過基因改造的T細胞治療的白血病患者中觀察到的細胞因子釋放症候群（CRS）誘發的ARDS和繼發性嗜血細胞增多症（sHLH）。鑑於這一經驗，急需的基於抑制CRS的治療藥物（比如託珠單抗），已進入臨床試驗，用於治療COVID-19。
SARS-CoV-2是一種與SARS-CoV關係最密切的β冠狀病毒（betacoronavirus）。這兩種病毒都是利用血管緊張素轉換酶相關羧肽酶（ACE2）受體進入細胞。這種受體在心肺組織中廣泛表達，但是在包括單核細胞和巨噬細胞在內的一些造血細胞中也有表達。SARS-CoV-2感染的一個重要特徵是淋巴細胞減少（較低的血液淋巴細胞計數），這與臨床嚴重程度有關。SARS-CoV能有效地感染原代人單核細胞和樹突細胞，而MERS-CoV通過二肽基肽酶4（DPP4）感染單核細胞和T細胞。SARS-CoV-2也有可能感染樹突細胞。由於樹突細胞功能障礙，T細胞活化缺陷導致的T細胞凋亡和衰竭可能是COVID-19的免疫病理學的原因。然而，淋巴細胞減少作為COVID-19預後不良的生物標誌物並不具有特異性，這是因為在2009年甲型H1N1流感大流行中，它也是與死亡相關的生物標誌物。
鑑於全球緩解COVID-19大流行的緊迫性，有一些注意事項需要考慮。在敗血症相關的ARDS中，通常會使用皮質類固醇激素。然而，在SARS和MERS患者中使用皮質類固醇並沒有改善死亡率，並導致病毒清除延遲。因此，目前傳染病權威機構和世界衛生組織的專家共識是避免對COVID-19患者進行全身性皮質類固醇治療。一個理論上的可能性是利用IL-6拮抗抑制炎症可能會延緩病毒清除。然而，IL-6阻斷也會導致血清IL-10（一種由巨噬細胞分泌的免疫抑制性細胞因子）的快速降低，這可能會減輕對延長病毒清除時間的擔憂。此外，一到兩劑IL-6拮抗劑不太可能導致併發症，如真菌感染或下頜骨壞死等，這些併發症在每月服用這類藥物治療類風溼性關節炎等慢性疾病的患者中發生。值得注意的是，託珠單抗首先被批准用於治療風溼性疾病，隨後又被批准用於治療接受CAR-T細胞治療的患者中出現的CRS，現在又被進一步轉用於遏制COVID-19大流行。在未來涉及流感病毒和伊波拉病毒等其他病毒的大流行中也有可能使用IL-6靶向療法。
3.Science：COVID-19或呈季節性復發，夏季高溫也不會使之消亡！哈佛大學(Harvard)的研究人員對普通感冒進行了研究，以尋找有關COVID-19病毒可能如何表現的線索。這些研究結果由哈佛大學陳曾熙公共衛生學院(Harvard T.H. Chan School of Public Health)流行病學、免疫學和傳染病學系的科學家撰寫，並於近日發表在Science雜誌上。由博士後Stephen Kissler和博士生Christine Tedijanto領導的研究人員使用了SARS-CoV-2的近親來模擬它在未來幾個月的行為。SARS-CoV-2是導致COVID-19的病毒。
HCoV-OC43和HCoV-HKU1病毒有規律地傳播並引起普通感冒。研究人員利用它們建立了一個模型，該模型考察了潛在的季節性、社交疏遠策略的影響以及病毒在未來致病中的作用。研究人員說，這些設想並沒有考慮如果開發出疫苗或治療方法會對結果產生怎樣的影響--因為這兩種方法似乎都不會馬上出現。
在每一個模擬的場景中，他們發現溫暖的天氣並沒有阻止傳播。這是因為，以普通感冒為例，大部分人通常會在春天生病並產生免疫力。然而，有了SARS-CoV-2，足夠多的人可能仍然易受感染，即使在溫暖的月份裡傳播減少了，它也能傳播。
關於這種新型冠狀病毒的另一個未知因素是感染後免疫力能夠維持的時間。像感冒這樣的短期免疫力持續不到一年，在最初的大流行高峰過後，將導致每年的COVID-19暴發。另一方面，永久免疫將在病毒最初爆發後的5年或更長的時間內消除病毒的傳播。
研究人員還研究了單次和多次社交疏遠對保持病人人數的影響，以使醫療系統能夠應對。Kissler說，最有效的幹預措施是一系列的社交疏遠期，再加上監測疾病復發的有效檢測，以便在病例淹沒整個系統之前重新制定措施。研究人員說，這樣的情況不僅導致了最少的死亡，而且還使人群逐漸獲得了對病毒的免疫力。
4.Science：單個細胞分裂錯誤導致一連串具有癌症特徵的突變染色體斷裂-融合-橋循環（breakage-fusion-bridge cycle, BFB循環）是一種災難性的突變過程，常見於腫瘤發生過程中，可導致基因擴增並推動基因組快速進化。BFB循環的主要機制尚不清楚，尤其是在這種循環中，染色體橋如何斷裂的關鍵特徵。此外，根據經典BFB 模型預測的簡單DNA序列重排模式並不常見於癌症基因組中。相反，BFB循環的DNA序列特徵往往伴隨著其他的基因組重排，包括另一種災難性的突變模式，即染色體碎裂（chromothripsis）。
在一項新的研究中，來自美國多家研究機構的研究人員在一種已定義的系統中重現了BFB循環的基本步驟，使得能夠進行機理研究和確定染色體橋形成的直接和長期基因組後果。為了確定染色體橋斷裂的直接後果，他們將活細胞成像與單細胞全基因組測序（Look-Seq）相 結合。通過比較子細胞或孫細胞（granddaughter cell, 即子細胞在分裂後產生的子細胞）的單倍型拷貝數和結構變異，就可以揭示BFB循環中的複雜突變機制，其中的一些突變機制經過兩代以上才會發生。隨後，在讓實驗誘導的4號染色體雙著絲粒融合（dicentric fusion）形成的染色體橋發生斷裂後，他們對源自單細胞的細胞群體進行了基因組分析，從而確定了染色體橋斷裂的長期後果。相關研究結果發表在2020年4月17日的Science期刊上，論文標題為「Mechanisms generating cancer genome complexity from a single cell division error」。
圖片來自Science, 2020, doi:10.1126/science.aba0712。
這些研究人員確定了一連串揭示單個細胞分裂錯誤---染色體橋形成---如何迅速產生癌症基因組的許多標誌性特徵的事件，包括持續的基因組進化和亞克隆異質性。這些結果促使人們對當前的染色體BFB模型進行了實質性的修正，並確立了染色體碎裂的發作將與BFB循環 內在地交織在一起。這些突變事件在癌症中很常見，但很可能也會在發育過程中和生物進化過程中發生。
5.Science：揭示Ccr4-Not複合物監測翻譯中核糖體的密碼子最優性在多種真核生物中，密碼子最優性（codon optimality）已被確立為決定mRNA半衰期的關鍵參數。此外，人們已經確定了富含非最優密碼子的短壽命mRNA的及時衰減需要Ccr4-Not複合物。Ccr4-Not是一種重要的蛋白複合物，它在mRNA降解中的作用已得到很好的研究。在 mRNA降解中，它作為主要的細胞質3′-poly(A)-尾巴去腺苷酶（deadenylase），啟動了大多數mRNA的降解。Ccr4-Not複合物通過去腺苷化和隨後激活RNA脫帽複合物，使得mRNA能夠被主要的核酸外切酶（比如位於5′端的Xrn1和位於3′端的外切體）接觸到。Ccr4-Not復 合物對密碼子的優化監測並對mRNA衰減進行協調的分子機制至今仍不明確。
在一項新的研究中，來自德國慕尼黑大學、日本東北大學和美國凱斯西儲大學的研究人員通過結合低溫電鏡（cryo-EM）、核糖體分析（ribosome profiling）和生物化學分析來深入了解在mRNA穩態的背景下Ccr4-Not複合物和翻譯複合物之間的聯繫。相關研究結果發表在 2020年4月17日的Science期刊上，論文標題為「The Ccr4-Not complex monitors the translating ribosome for codon optimality」。
這項研究闡明了mRNA衰減介導的Ccr4-Not複合物與核糖體之間的直接物理聯繫。依賴於Not4亞基之前對eS7進行的泛素化，當因較慢的解碼動力學使得核糖體A位點缺乏tRNA時，Ccr4-Not複合物（通過Not5亞基）特異性地結合到核糖體E位點。核糖體的這種狀態是在它的A 位點中存在非最優密碼子的情況下發生的，這就解釋了富含非最優密碼子的轉錄本半衰期較短的原因。因此，這些研究結果提供了關於Ccr4-Not複合物協調翻譯效率與mRNA穩定性的機制上的新見解。
6.Science：首次發現存在參與嘌呤產生的功能性代謝區室40多年來，科學家們一直假設存在促進細胞內各種過程的酶簇（enzyme cluster）或「代謝區室（metabolon）」。在一項新的研究中，來自美國賓夕法尼亞州立大學的研究人員通過使用一種新的成像技術和質譜，首次直接觀察到參與嘌呤（最為豐富的細胞代謝物）產生 的功能性代謝區室。這些發現可能會導致開發新的破壞癌症進展的治療策略。相關研究結果發表在2020年4月17日的Science期刊上，論文標題為「Metabolomics and mass spectrometry imaging reveal channeled de novo purine synthesis in cells」。
這些研究人員尋找了一種特定類型的稱為「嘌呤體（purinosome）」的代謝區室，嘌呤體被認為可以進行「從頭進行嘌呤生物合成」，即合成新嘌呤的過程。他們研究了HeLa細胞（一種科學研究中常用的子宮頸癌細胞系）中的這些嘌呤體。
論文第一作者、賓夕法尼亞州立大學化學系助理研究教授Vidhi Pareek說，「我們證實從頭進行嘌呤生物合成途徑（de novo purine biosynthetic pathway, DNPB途徑）是由至少9種協同作用的酶組成的嘌呤體執行的，這會將這些酶的總體活性提高了至少7倍。」
7.全文編譯！我國科學家發表Science論文，揭示SARS-CoV-2病毒RNA依賴性RNA聚合酶的三維結構，助力開發新的疫苗和藥物由新型冠狀病毒SARS-CoV-2（之前稱為2019-nCoV）引起的2019年冠狀病毒病（COVID-19）於2019年12月出現，此後成為全球大流行病。據報導，SARS-CoV-2是β冠狀病毒（betacoronavirus）屬的一個新成員，與嚴重急性呼吸症候群（SARS）冠狀病毒（SARS-CoV）和幾種蝙蝠冠狀病毒密切相關。與SARS-CoV和中東呼吸症候群（MERS）冠狀病毒（MERS-CoV）相比，SARS-CoV-2表現出更快的人際傳播，從而導致世界衛生組織（WHO）宣布為世界性的公共衛生緊急事件。
冠狀病毒使用一種多亞基複製/轉錄複合物。作為病毒多聚蛋白（polyprotein）ORF1a和ORF1ab的裂解產物而產生的一組非結構蛋白（nsp）組裝在一起以促進病毒複製和轉錄。其中的一個關鍵組分---RNA依賴性RNA聚合酶（RdRp, 也稱為nsp12）---催化病毒RNA合成，因而在SARS-CoV-2的複製和轉錄周期中起著至關重要的作用，它在這個過程中可能需要作為輔因子的nsp7和nsp8的協助。因此，nsp12被認為是瑞德西韋（remdesivir, 也稱為GS-5734）等核苷酸類似物抗病毒抑制劑的主要靶點，其中瑞德西韋已顯示出治療SARS-CoV-2感染的潛力。
SARS-CoV-2病毒nsp12-nsp7-nsp8複合物的三維結構。圖片來自Science, 2020, doi:10.1126/science.abb7498。
為了指導藥物設計，在一項新的研究中，來自中國清華大學、上海科技大學、南開大學、天津大學和中國科學院生物物理研究所的研究人員使用了兩種不同的方案：一種不存在DTT（數據集1），另一種存在DTT（數據集2），並利用低溫電鏡（cryo-EM）技術解析出nsp12與它的輔因子nsp7和nsp8形成複合物時的三維結構。相關研究結果於2020年4月10日在線發表在Science期刊上，論文標題為「Structure of the RNA-dependent RNA polymerase from COVID-19 virus」。
細菌表達的全長SARS-CoV-2 nsp12（殘基S1-Q932）與nsp7（殘基S1-Q83）和nsp8（殘基A1-Q198）孵育在一起，然後純化出所形成的複合物。在這種複合物的存在下製備出低溫電鏡網格，初步篩選後發現這種網格具有良好的分散性和極佳的顆粒密度。在收集和處理7994個顯微影片後，這些研究人員在2.9埃的解析度下實現對nsp12單體分別與nsp12-nsp8二聚體和 nsp8單體形成的複合物的三維重建，正如之前在SARS-CoV中觀察到的那樣。除了nsp12-nsp7-nsp8複合物，他們還觀察到了對應於nsp12-nsp8二聚體以及單個nsp12單體的單顆粒類型，但這些都沒有給出原子解析度下的三維重建。然而，nsp12-nsp7-nsp8複合物的三維重建提供了完整的結構分析信息。
8.Science重大突破：我國科學家設計新藥靶向SARS-CoV-2主蛋白酶！一個中國科學家團隊最近開發了兩種抑制SARS-CoV-2主要蛋白酶(Mpro)的新化合物，其中一種是進一步臨床研究的良好候選藥物。這項研究於4月22日在線發表在Science上，由中科院上海藥物研究所柳紅、許葉春、蔣華良院士團隊、中科院武漢病毒研究所張磊砢/肖庚富團隊和上海科技大學楊海濤/饒子和團隊合作完成。
在分析了SARS-CoV-2 Mpro的底物結合位點後，科學家們設計併合成了兩種化合物，11a和11b。研究人員隨後使用基於螢光共振能量轉移(FRET)的剪切實驗測定了兩種藥物的IC50值。結果顯示11a和11b都具有優異的SARS-CoV-2 Mpro抑制活性，其IC50值分別為0.053±0.005μM和0.040±0.002μM。
研究人員還使用了免疫螢光、實時螢光定量PCR和噬菌斑檢測來監測11a和11b的抗病毒活性。結果表明，化合物11和11 b在細胞實驗中表現出優異的抗SARS-CoV-2感染的能活性(例如噬菌斑實驗檢測出的EC50值分別為0.53±0.01μMμM和0.72±0.09，)。此外，這些化合物在體內表現出良好的藥代動力學性能，表明它們是有希望的候選藥物。然而，化合物11a的低毒性使它特別有希望。
為了闡明化合物11a和11b抑制SARS-CoV-2 Mpro的機制，科學家們以1.5埃的解析度測定了配合物Mpro-11a (PDB： 6LZE)和Mpro-11b (PDB： 6M0K)的高解析度晶體結構。這些配合物的高解析度晶體結構不僅說明了SARS-CoV-2 Mpro可以與11a/11b相互作用，而且揭示了SARS-CoV-2的抑制機制。高解析度的複合物分析有助於藥物化學家設計新的抑制劑來對抗SARS-CoV-2。
本研究表明，基於結構的藥物設計是設計針對SARS-CoV-2的特異性抗病毒先導藥物的有效策略。化合物11a的臨床前研究正在進行中。該團隊決定與世界各地的科學家分享研究數據，以加速抗SARS-CoV-2藥物的開發。
9.Science：新研究揭示可複製RNA的起源和複製機制雖然遺傳信息通常編碼在DNA中，並通過DNA模板複製的方式傳遞，但是RNA也可以作為遺傳物質通過RNA模板複製的方式傳遞。人們已經描述了兩類蛋白催化的RNA複製系統。在第一種RNA複製系統中，專門的RNA依賴性RNA聚合酶複製流感病毒和登革熱病毒等RNA病毒的基因 組。在第二種RNA複製系統中，通常參與DNA轉錄成RNA的細胞酶可以複製某些RNA，比如植物類病毒（viroid）和人類丁型肝炎病毒（HDV）。利用DNA依賴性RNA聚合酶進行複製的RNA的多樣性和潛在的分子機制尚未得到充分研究。先前已經描述了可以通過噬菌體T7 DNA依 賴性RNA聚合酶（T7 RNAP）在體外複製的五種RNA序列。這些可複製RNA（replicating RNA）的起源和T7 RNAP的複製要求尚不清楚。
在一項新的研究中，來自美國史丹福大學的研究人員應用了下一代測序、微流控技術和生物信息學來解決（i）DNA依賴性RNA聚合酶如何複製RNA，（ii）哪些RNA模板可被有效地複製，（iii）可複製RNA的起源。相關研究結果發表在2020年4月10日的Science期刊上，論文 標題為「Transcription polymerase–catalyzed emergence of novel RNA replicons」。
圖片來自Science, 2020, doi:10.1126/science.aay0688。
這些研究人員在沒有明確添加模板的情形下建立了一系列T7 RNAP反應。這些反應產生具有不同序列的RNA複製子（RNA replicon），不過這些複製子具有由雙向重複（在整個RNA長度上較長的反向重複）和四向重複（較短的反向重複嵌入在雙向重複的每個臂中）確定的一 致性結構框架。
10.Science：人類「大腦計劃」研究獲重大突破！SCAPE技術有望在3D模式下觀察分析人類大腦神經活性近日，一項刊登在國際雜誌Science上的研究報告中，來自美國國家神經性疾病和卒中研究中心等機構的科學家們通過研究開發了一種創新性的工具，其能幫助研究人員在3D模式下觀察並分析大腦的神經活性。
由於受到現有工具的限制，如今科學家們仍然無法有效研究神經系統中的網絡構架，並一次性觀察大腦中大量的腦細胞；這項研究中，研究人員開發了一種名為SCAPE顯微鏡的超快速、3D成像技術，其能幫助研究人員對更大體積的組織進行觀察，同時對活細胞中精細網絡 的破壞性也小很多。
研究者Edmund Talley博士表示，這項研究中我們展示了如何利用「大腦計劃」（BRAIN Initiative）技術的強大力量來幫助研究人類大腦如何解析信息來產生機體的感覺、思維和行動。SCAPE顯微鏡能幫助科學家們研究一次性需要實時觀察的大體積組織樣本，由於細胞 和組織能保持完好無損的狀態並在三維空間內高速觀察，因此後期研究人員還需要探索許多此前無法進行研究的新問題。（生物谷 Bioon.com）