2018年9月27日/
生物谷BIOON/---本周又有一期新的Science期刊（2018年9月21日）發布，它有哪些精彩研究呢？讓小編一一道來。
圖片來自Science期刊。
現代計算是基於時序邏輯（sequential logic, 也譯作順序邏輯）的，在這種時序邏輯中，一種電路的狀態取決於當前的輸入和輸入歷史（存儲器）。在活細胞內執行時序邏輯將使得它能夠經編程後經歷不同的離散狀態。比如，細胞能夠經設計後產生一種多細胞結構或者確定一種材料的多步驟製造方法的順序。一個關鍵的挑戰是時序邏輯需要進行調節反饋，這已證實是很難設計和擴展的。
在一項新的研究中，來自美國麻省理工學院和布羅德研究所的研究人員提出了一種定量方法來設計編碼時序邏輯的調節電路。這種方法使用非門（NOT gate）作為調節的核心單元，在這種核心單元中，一種輸入啟動子（input promoter）促進阻遏蛋白（repressor protein）表達，從而關閉一種輸出啟動子（output promoter）。每個邏輯門的特徵在於測量它的響應函數，換句話說，改變輸入如何影響穩態下的輸出。在數學上，這些響應函數被視為零增長等值線（nullcline），並且來自非線性動力學（相平面和分叉分析）的工具被用來預測邏輯門的組合如何導致多種穩態和動態變化。這些調節電路能夠連接到對環境信息作出反應的
遺傳傳感器上。這可用於實現細胞檢查點控制，在這種檢查點控制中，細胞在繼續進展到下一個狀態之前等待正確的信號。用來指導大腸桿菌經歷線性或循環的狀態序列的電路也被構建出。相關研究結果發表在2018年9月21日的Science期刊上，論文標題為「Cellular checkpoint control using programmable sequential logic」。
這項研究通過依據簡單的規則將可靠的調節單元組合在一起，從而展示了在細胞中實現時序邏輯電路。這種方法有利於設計自動化
軟體，這種
軟體能夠使用這些規則來將邏輯門組合在一起，從而構建出更大的電路。這為建立具有反饋迴路的調節網絡提供了可設計的途徑，這些調節網絡對許多細胞功能是至關重要的並且在自然網絡中是無處不在的。這代表著在細胞內執行高級計算方面取得了一項關鍵的進展。
2.Science：在活細胞中構建出可編程的蛋白電路在一項新的研究中，來自美國加州理工學院的研究人員的研究人員開發出一種蛋白生物工具包，這種生物工具包中的蛋白能夠以不同的方式加以組裝，從而對細胞中的新行為進行編程。作為一種概念驗證，他們設計並構建出一種能夠添加到在實驗室培養皿中培養的人細胞內的蛋白電路（protein circuit），這種蛋白電路檢測一種致癌基因在這些細胞中是否受到激活，如果確實如此的話，就導致它們自我摧毀。相關研究結果發表在2018年9月21日的Science期刊上，論文標題為「Programmable protein circuits in living cells」。論文通信作者為加州理工學院生物學與生物工程教授Michael Elowitz。論文第一作者為博士後研究員Xiaojing Gao和研究生Lucy Chong。
合成生物學是研究如何對細胞進行改造而給它們賦予新的功能，從諸如定期開啟和關閉之類的簡單任務到諸如檢測疾病狀態並作出反應之類的更為複雜的程序。通常，這是通過編輯細胞的基因組來完成的，這種編輯會產生永久性修飾，當細胞發生複製時，這種永久性修飾會傳遞下去。根據Elowitz的說法，合成生物學的一個主要目標是從這種編輯方法轉向不會產生永久性修飾的解決方案。就像使用可移動的膠帶而不是超級膠水一樣，合成生物學的目的是開發出能夠注射的執行某種功能的治療性「電路」，隨後一旦完成任務，這些治療性電路就會消失。在理想情況下，它們是高度針對性的；不是不加選擇地影響所有細胞，這些治療性電路能夠檢測何時在細胞水平上發生差錯並相應地加以修復。
如今，這些研究人員開發出一組蛋白構建模塊（building block），它們能夠以多種組合方式組合在一起，從而產生能夠感知環境並採取相應行動的蛋白電路。這種蛋白生物工具包中的蛋白組分能夠以不同的方式進行組合，從而執行從邏輯計算到信號加工的各種功能，最終構建出
診斷特定細胞條件並作出反應的系統。
為了展現這種蛋白電路的未來潛力，這些研究人員構建出一種能夠在實驗室培養皿中檢測細胞是否攜帶致癌基因的蛋白電路，如果攜帶的話，則將這種細胞破壞掉。對於「正常」的細胞，這種蛋白電路將是無害的。
3.Science：重大進展！構建出增加基因組靶向範圍的CRISPR/Cas9系統在CRISPR/Cas9系統中，酶Cas9在DNA靶位點上進行切割，其中這種靶位點是這樣確定的：一種被稱作CRISPR RNA（crRNA）的RNA分子利用它的一部分序列與另一種被稱作tracrRNA的RNA分子通過鹼基配對結合在一起，形成嵌合RNA（tracrRNA/crRNA），然後，藉助crRNA的另一部分序列與靶DNA位點進行鹼基配對，以這種方式，這種嵌合RNA就能夠引導Cas9結合到這個靶位點上並進行切割。在實際應用時，人們可以將tracrRNA和crRNA作為兩種嚮導RNA（gRNA）或者融合在一起形成單向導RNA（single guide RNA, sgRNA），並被用來引導酶Cas9結合到靶DNA序列上並進行切割，其中Cas9與sgRNA一起被稱作Cas9-sgRNA系統。
此外，CRISPR/Cas9系統靶向識別和切割與前間隔序列鄰近基序（protospacer adjacent motif, PAM）相鄰的特定DNA位點。作為一種最為頻繁用於基因組編輯的Cas9酶，來自釀膿鏈球菌（Streptococcus pyogenes）的Cas9（SpCas9）僅識別作為PAM的NGG序列（簡稱NGG PAM，其中N代表任何一種鹼基），這就限制了基因組中能夠被靶向的區域。
在一項新的研究中，為了解決這個限制，來自日本東京大學、慶應義塾大學、大阪大學和美國布羅德研究所、麥戈文腦研究所和麻省理工學院的研究人員構建出一種合理設計的SpCas9變異體（SpCas9-NG），它能夠識別NG而不是NGG。這種SpCas9-NG變異體增加了基因組中的靶向範圍，但是具有與野生型SpCas9類似的特異性。晶體結構揭示出與第三個鹼基之間的鹼基特異性相互作用的喪失得到新引人的非鹼基特異性相互作用的補償，從而能夠識別作為PAM 的NG序列（NG PAM）。
這些研究人員進一步證實在人細胞中，這種SpCas9-NG變異體在攜帶著NG PAM的內源性靶位點中誘導鹼基插入或刪除（insertion or deletion, indel）。
最後，這些研究人員還發現將這種SpCas9-NG變異體與活化誘導的胞苷脫氨酶（activation-induced cytidine deaminase, AID）融合在一起能夠調節人細胞中攜帶著NG PAM的靶位點上的C→T轉化，即由鹼基胞嘧啶（C）轉化為鹼基胸腺嘧啶（T）。
4.Science：重磅！你的直覺可能就是你的第六感！新研究發現腸道和大腦通過迷走神經直接連接在一起人體腸道上排列著1億多個神經元---它實際上就是一個大腦。確實，腸道實際上與大腦之間存在著交談。之前的研究已發現涉及消化系統和中樞神經系統之間信號傳遞的腸道-大腦連接（gut-brain connection）是以激素轉運為基礎的，這種基於激素的信號傳遞大約需要10分鐘。但是，在一項新的研究中，來自美國杜克大學的研究人員指出腸道與中樞神經系統之間可能存在著更加直接的連接---迷走神經（vagus nerve）。相關研究結果發表在2018年9月21日的Science期刊上，論文標題為「A gut-brain neural circuit for nutrient sensory transduction」。論文通信作者為杜克大學醫學院醫學助理教授Diego Bohórquez。
基於一項發現腸道細胞具有突觸的早前研究（Journal of Clinical Investigation, doi:10.1172/JCI78361），這些研究人員將一種表達綠色螢光蛋白的狂犬病病毒注射到小鼠的胃部中，並觀察到它從腸道快速地傳播到這些小鼠的腦幹中。
當將來自迷走神經的神經元與感覺腸道細胞（sensory gut cell）一起培養時，這些神經元在培養皿中移動並與這些感覺腸道細胞形成突觸，從而開始與它們電偶聯在一起。這些感覺腸道細胞甚至分泌穀氨酸，而這些神經元在100微秒內就會攝取所分泌的穀氨酸，這一速度比眨眼還要快。向培養皿中添加糖會加快這些神經元和這些感覺腸道細胞之間的信號傳遞速度，這一發現提示著作為一種參與味道和氣味感知的神經遞質，穀氨酸可能是這一過程的關鍵。阻斷這些腸道細胞中的穀氨酸分泌會使得這些信號傳遞嘎然而止。
5.Science：從1979年到2016年，美國藥物服用過量泛濫的動態變化藥物泛濫正在美國發生。Jalal等人在38年的時間裡分析了將近60萬例意外藥物服用過量。儘管總體死亡率遵循指數增長曲線，但是這種模式本身是幾種潛在的不同藥物的亞泛濫（subepidemics）融合在一起形成的。地理熱點隨著時間的推移而發展，而且藥物特異性的人口統計學差異也越來越大。
6.Science：揭示鳥類周期性羽毛著色通過體節起源的預模式而形成從條紋到斑點，動物通常表現出周期性的著色。不連續的胚胎結構域（prepattern，預模式）先於在鳥類中觀察到的周期性羽毛模式。在記錄了鵪鶉目鳥（galliform bird）條紋圖案的自然變異後，Haupaix等人進行了長期皮膚移植，從而將一個鳥類物種的羽毛模式轉移到另一個鳥類物種。這種方法揭示出周期性條紋形成服從局部細化機制上遊的發育界標。體節中胚層首先通過色素沉著基因agouti的早期表達指示條紋位置，然後通過以劑量依賴性方式調節色素產生來控制條紋寬度。因此，在羽毛模式形成期間，一種兩步驟過程在發揮作用。
7.Science：埃迪卡拉時期化石中的狄更遜水母是最早出現的動物之一第一個複雜的生物出現在大約6億年前的埃迪卡拉時期（Ediacaran period）。許多這樣的生物在分類學上的聯繫是很難是區分的。狄更遜水母（Dickinsonia）---一種兩側對稱的橢圓形生物---的化石是特別難以分類的。Bobrovskiy等人對從狄更遜水母化石中獲得的脂質
生物標誌物進行分析，發現這些化石几乎僅含有膽固醇，即一種僅在動物身上發現的標誌物。因此，狄更遜水母是一種基礎動物。 這支持了如下的一種觀點：埃迪卡拉時期的生物群體可能是大約5億年前在寒武紀（Cambrian）觀察到的動物形態大量出現的前兆。
8.Science：化石揭示出哺乳動物區域化脊柱的複雜進化史哺乳動物代表著形態上最為多樣化的分類群之一。這種多樣性背後的獨特特徵之一是脊柱的可變性，其中脊柱為促進快速運行的靈活性並為直立行走提供支持。Jones等人研究了一群是現代哺乳動物祖先的動物---非哺乳動物合弓綱動物（nonmammalian synapsid），即類似哺乳動物的爬行動物。隨著前肢功能的多樣化，脊柱形成了不同的區域。這些區域隨後進一步分化，從而導致我們今天看到的各種各樣的哺乳動物形式。（生物谷 Bioon.com）
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