最新《自然》子刊精彩选读

最新《自然》子刊精彩选读

　　

生物通综合：

新型siRNAs能够区分基因变异体
 

新近完成的一项研究揭示了如何设计出高度特异性的小型干扰RNAs，使得它能够区分出同一基因的相似变异体。

小型干扰RNAs(siRNAs)是那些能够减少目标mRNAs表达的小型RNAs。近来，生物学家已经把siRNAs作为一种重要的工具投入到应用中。siRNAs也具有临床治疗的潜在意义，它可以作为治疗剂用于减少致病突变基因的表达。但是，为了释放出siRNAs全部的潜在功效，弄清楚目标特异性的管理规则就变得非常之重要。一个主要的挑战就是要开发出siRNAs，使它能够区分出同一基因的两个相似变异体，这样以来，其中的一个基因变异体被剔除，而其它的变异体则安然无恙。 

近来，由美国马萨诸塞大学医学院的Phillip Zamore、Zuoshang Xu和Neil Aronin共同领导的研究小组，解决了这一问题。Zamore 回忆说：“开始时，我不仅仅确信，很容易找到设计能区分基因变异体差异的siRNAs的规则，而且我还认为对这些规则已经了解得相当多了。很显然，我这样想是错误的。事实证明，这一工作比我想像得更难、更有趣。” 

在他们大部分的研究工作当中，Zamore将目标集中到了SOD1基因方面。SOD1中单个碱基对的突变能导致家族性神经疾病肌萎缩侧索硬化症（ALS）的出现。患有家族性ALS的个人经常同时携带有该基因的一个正常体和一个突变体。因此，研究者在保持好该基因正常的功能与基因表达的同时，还渴望能找到一种减少突变体SOD1表达的方法。作为完成这一目标的第一步，Zamore及其同事找到了一系列的siRNAs来定位SOD1。每种siRNAs都在不同的位置上把一个碱基对错配到野生型的SOD1上，但是，所有这些siRNAs都完全与突变型SOD1相匹配。这些研究者希望，其中的一些siRNAs能剔除掉SOD1.的突变体，但同时不对正常基因产生影响。 

Zamore及其同事通过系统检验这些siRNAs，发现在siRNA中那个不匹配的碱基对的位置对于选择性的建立是极端重要的；如果这种不匹配位于一些特定的位置，该种siRNA则无法有效地区别SOD1的正常体和突变体，这样将会减少这两种SOD1的表达。一般来说，当不匹配位置不在该siRNA的5'种子区，而且不匹配的最有效位置在该种siRNA的核苷位置16时，他们能更好地进行区分。为什么这些不匹配现象在进行区分时比其它的类型更有效呢？虽然人们目前并不完全清楚这一原因，但Zamore坚信，他们也许会影响某一机制，通过该机制siRNAs引起了目标退化：“我怀疑是这些不匹配通过Argonaute蛋白阻碍了mRNA裂解，但并没有同时阻碍目标RNA的束缚。从某种感觉上讲，它们使得RNA诱导的沉默复合体（RISC）产生了无效束缚。有趣的是，有迹象表明，核苷位置16对于植物性微型RNAs是重要的，它希望哺乳动物的siRNAs通过在单个的磷酸二酯键上引导Argonaute蛋白进行目标mRNA的裂解来起作用。因此，一旦这种siRNA引导被限制到RISC中的Argonaute蛋白上，那就必定在核苷位置16上存在着一些特殊的东西。”在另一套试验中，这些研究者发现，两种嘌呤之间的这些不匹配对于区别两种相似的基因突变体，比存在于单个嘌呤和单一嘧啶之间的一个不匹配表现得更为有效。 

除了对于siRNA设计建立起重要的指导之外，这项研究也促成了高度特异性的siRNAs的建立，它对ALS疗法非常有帮助。但是，Zamore提醒说，“对于ALS来说，运输问题依然是一个巨大的障碍，因此我无法预测还需要多长的时间，我们才能将siRNAs引入治疗过程之中，来对付这一恐怖的疾病。” 


科学家首次为活细胞安装“内窥镜”

一种不携带电荷的辅酶A前体，能够进入到细胞内部。研究者利用它，对活细胞内部的蛋白质成功进行了特异性位点的共价标记。 

活细胞成像技术使得人们首次在细胞上安装了一扇可以窥探其内部秘密的窗户，但这项技术需要一些比流行的荧光蛋白融合和抗体结合物方法更为特异和有效的共价标记方法的支持。虽然这些原有的技术非常有效，但由于荧光蛋白标签尺寸太大，而抗体的膜不具有通透性，这样以来与体内活细胞标签法相比就显得逊色很多。 

为了解决上述问题，美国加州大学圣迭亚哥分校的Michael Burkart及其同事，使用天然的酰基转移酶，对携带缩氨酸的载体蛋白和包含有介导分子的辅酶A（CoA）类似物进行了融合过程的共价标记。“如果你能通过某种方式窥探到细胞中的CoA类似物，那么该生物体将会用你提供的类似物来对载体蛋白进行融合标记，因为大部分的酰基转移酶都允许识别什么物质会脱离CoA分子，”Burkart解释说。 

研究小组发现，不带电荷的CoA 前体是泛酰巯基乙胺。当他们把一个荧光标记的泛酰巯基乙胺类似物，添加到表达有一个载体蛋白融合和酰基转移酶的大肠杆菌的细胞上时，这一融合蛋白就被标记了。这一过程的完成包括了以下步骤：泛酰巯基乙胺类似物的启动，然后通过特定的CoA生物合成方式把这一类似物转化为一个CoA类似物，最后就是CoA类似物通过酰基转移酶的作用转移到该载体蛋白上。 

如今，Burkart及其合作者在《美国化学会期刊》发表了一篇论文。他们介绍了一种优化的合成程序，还对包含有一个荧光介导分子和一些生物性正交标签的泛酰巯基乙胺类似物进行了分析，这种情形与抗体检测技术相比，在检测和分离方面的适用性就会更广。这些泛酰巯基乙胺类似物都被高效地转换为CoA类似物，然后被连接到载体蛋白上。在阐述这一方法的广泛用途时，Burkart说：“美妙之处在于，只要你能获得某个CoA类似物，你就能把它连接到融合蛋白上。利用这些工具，你把目标物连接到CoA上和载体蛋白上的能力是无可估量的。” 

值得一提的是，Burkart及其同事首次实现了如何利用这些来自细胞中的分子进行活体载体蛋白的标记。虽然其他的一些研究小组也已经能够利用CoA相关方法对细胞表面蛋白进行标记，但由于这些方法无法使得CoA类似物进入到细胞内部，因而其使用范围也就局限于膜蛋白的修饰过程。除了这一方法的应用范围可拓展到细胞内部，研究者还计划在大肠杆菌之外的其它物种中进行尝试。他们也愿意突破检测局限，以便能够应用于天然蛋白，而此前他们在研究中使用的只是载体蛋白融合与酰基转移酶的过度表达。 

目前，Burkart的研究小组正对他们使用的CoA引导技术进行深入开发和完善。但Burkart表示，其他的研究者现在可以利用他们各自的融合物来研究细胞内部的蛋白质功能。“我想，现在在这一领域中令人激动的事情是，看到其他研究者把他们各自的蛋白融合物和我们的CoA运载技术联合应用于细胞内部的研究，以便勾画出在细胞的环境下各种蛋白究竟发生了什么变化。” 


酵母糖蛋白合成过程变甜了


一种酵母工程菌株，能够完成人体蛋白糖基化的整个反应过程。 

虽然在哺乳动物表达系统中合成蛋白质的过程并非总是令人满意的，但如果你想让蛋白质经历人体翻译后修饰这一过程，那有时它倒是必要的。越来越多的用户友好型的细菌和酵母系统，并非天生就能够执行大多数独特的修饰反应。但是，哺乳动物的表达系统受困于两个主要的区域：一个是要花费更多的时间才能够产生足够量的蛋白质，另一个是要均一地控制翻译后修饰过程以便合成一种异质产物是很困难的。 

幸运的是，Tillman Gerngross和他来自Dartmouth学院与GlycoFi公司的同事们，并没有把这种情形视为想当然的事情。在经过多年的探索之后，他们成功地设计出一种甲醇酵母工程菌株，它拥有完成整个人体糖基化反应过程的能力，而糖基化反应以前仅仅在哺乳动物培养系统中发生。为了构建这一目标菌株，他们剔除了其中的四个编码酵母糖基化酶的基因，接着导入了14个编码人体糖基化酶的异种基因。这一过程说起来容易，但做起来却很困难，这正如Gerngross所言：“你并不能仅仅只是获得人体的一个酶，然后就把它放入到酵母中，因为瞄准机制将是纷繁复杂的、、、、、、你不得不将这些特异的酶瞄准酵母的分泌途径，所使用的方式也不能改变这些反应的自然发生顺序。” 

Gerngross及其同事尤其感兴趣于合成出糖基化的人体蛋白质以便应用于临床，因此他们利用已经设计出的这一酵母菌株，来合成高度糖基化的红细胞生成素，这是一种重要的对付贫血症的治疗性蛋白质。在这一工程菌株中,合成的红细胞生成素应用于小鼠是有效的，相比之下，由野生型甲醇酵母细胞合成的红细胞生成素却不具备这一功能。“在过去，我们获得治疗性蛋白质的方式，并不能允许我们能够控制产物的构成，”Gerngross指出，但他同时强调“如果你不能控制产物的最终构成，而你生产的又是应用于人类的药物，那可不是什么好事情。” 

这项研究对于推进基础研究也能产生重要的影响；正如Gerngross如此解释：“利用这一工具，你能够获得具有各种糖型的蛋白质，然后对它们的功能逐个进行测试、、、、、、这一领域的人很多年来就知道糖基化过程会影响生理活动，但是并没有找到真正解决问题的好方法。”如今因为有了如此精妙设计的酵母工程菌株的帮助，那些原本极受重视的哺乳动物表达系统也许在将来就成了陈词滥调。 


小小细菌可驱动轨道上的轮子


把游动支原体这种爱滑行的细菌，捆绑在一种无机马达上，从而可使它沿着某一环行轨道进行滑动，这样就制成了一种小型生物杂交马达。 

自从现代文明诞生以来，我们人类一直就很少使用其它生物来为我们工作。人们在古代利用马力来驱动磨坊加工谷物，但如今科学家正在将细菌改造成一种小型杂交微机械服务于人类。这是一种新的开发活动，但即使是最为坚定的动物权利保护方面的激进分子，也很可能不再感到不安。 

来自日本科技先进研究所的Yuichi Hiratsuka，和他来自于日本先进工业科技国立研究所的同事们，近一段时间以来一直感兴趣于合成小型的杂交装置，它能把诸如马达蛋白的生物成份和无机材料结合起来。近来，日本大阪城市大学的Makoto Miyata演示了游动支原体在一种玻璃表面滑行的小电影，他们的这一成果鼓舞了Yuichi Hiratsuka等人，很快双方就密切合作起来。“我们应该能够利用这些细菌的细胞，制造成微型旋转马达，这一念头很快就闪现在我们的头脑中，”Hiratsuka说。 

应用照相平板技术，他们制造出了一种凹陷的环形轨道，上面涂抹有一层硅铝蛋白，以便限制细菌的运动。为了将这些小虫固定在用来沿轨道滑行的轮子上，他们把游动支原体上的化学型生物素化的细胞表面蛋白和链霉亲和素分子覆盖在轮子的表面。他们拍摄了电影，记录了小虫转动轮子的速度达到了每分钟1.5-2.6转。 

Hiratsuka及其同事希望把他们发明的这一杂交马达投入到应用中，比如说可以作为芯片实验室系统中的一个微型泵。在将来，“我们希望设计出由生物马达驱动的微型机器人，它会沿着环形移动，在微米尺度范围内做一些机械性的工作，”Hiratsuka说。虽然这是首次对由细菌驱动的微型装置进行介绍，但他相信，各种具有奇妙移动特征的微生物，可被用来设计出令人激动的其它类型的杂交装置。 

 《自然—遗传学》新性别决定基因 

研究人员鉴别出一种名为RSPO1的新性别决定基因，它能导致女性向男性的逆转，这个最新的研究结果发表在11月号的《自然—遗传学》上。 

在对一意大利家庭的研究中，Giovanna Camerino和同事发现这个家庭里的4兄弟都携带有2个X染色体，但只有女性才会携带2个X染色体。这种女性向男性逆转的现象极为罕见，而且通常伴随有男性Y染色体上的性别决定基因SRY向另一染色体迁移。然而，SRY基因在这个家庭成员中没有出现，表明另外某种遗传因素在这种性别逆转中发挥了作用。 

Camerino和同事在这个家庭所有兄弟的RSPO1基因中鉴别出变异， RSPO1负责编码一个小蛋白质家族中的R-spondin1蛋白质。这项研究首次在SRY基因缺失的情况下发现，单个基因的变异会导致女性完全变成男性，而且还表明RSPO1基因是决定卵巢形成的关键基因。 

《自然—神经科学》研制更好的抗癫痫药物 

研究人员研制出一种抑制小鼠癫痫发作的崭新方法，新结果显示醣酵解抑制剂有望成为癫痫治疗的新战略，这一最新研究报告发表在11月号的《自然—神经科学》上。 

癫痫会侵袭世界上大约有1%的人口。然而，现有药物无法控制其中1/3患者的病情发作。一个事实让 Avtar Roopra和同事深受启发：部分癫痫患者的病情因一种完全避免醣类的特制饮食而大有好转。这种特制配方的饮食名为生酮饮食，它是指高脂肪、低蛋白质和碳水化合物的一种饮食，数十年来主要用于治疗儿童难治性癫痫，临床疗效确切，副反应小，但其作用机制至今尚不清楚。 

醣酵解是一种分解碳水化合物的过程，在癫痫患者体内这个过程被特定饮食抑制了。Roopra和同事用含醣酵解抑制剂的饮食治疗癫痫小鼠，结果发现小鼠发生癫痫的次数和严重程度大大降低了。 

Roopra和同事推测，也许是醣酵解终端产物中的某一种物质增强了神经细胞的活性，因而抑制醣酵解可能会降低神经细胞的活性和癫痫发作的可能性。他们发现一种名为NADH的醣酵解产物增加了神经细胞中某种前激动基因的表达，阻止醣酵解会降低这些基因的表达。 

《自然—材料学》蚕丝的本质 

研究人员发现了桑蚕丝和蜘蛛丝在流动行为方面的显著相似性，这一最新的研究结果发表在11月号的《自然—材料学》上。新发现令人惊讶，因为这些自然丝质产品历经岁月的演化拥有不同功能，它们的蛋白质组成和机械特性截然相异。 

Fritz Vollrath和同事首次对自然界中两种不同动物生产的丝质产品进行了对比。他们发现这两种丝均具备标准聚合体熔化的典型流动行为特征，这意味着聚合物的熔体流动理论同样适合于自然丝，因此新发现很重要。 

尤为特别的是：蜘蛛丝的性能远远高于工业纺织制品。今天，对自然丝的进一步认识也许将有助于我们将自然的馈赠转变为人工产品。 

《自然—免疫学》保护母亲免遭胎儿免疫识别 

研究人员在12月号的《自然—免疫学》上报告说，在胚胎形成过程中表达的一种蛋白质可能会保护母亲免遭来自胚胎细胞的免疫调节攻击。这个名为Zfp608的蛋白质能够关闭Rag基因的表达，Rag基因与胎儿免疫细胞的发育和功能有关。 

ZORI小鼠是一种有遗传缺陷的小鼠，这种小鼠的免疫系统受到了损害。通过对ZORI小鼠进行仔细研究，Thomas Aune和同事鉴别出Zfp608蛋白质。这种小鼠在胸腺内产生的免疫细胞T淋巴细胞的数量减少了。正常情况下，小鼠在胚胎期表达Zfp608，但这种表达在出生后就立即中止了。相反，ZORI小鼠出生后在继续在胸腺内表达Zfp608，而Zfp608的持续表达与胸腺免疫细胞发育的缺失有关。 

Aune和同事发现，Zfp608抑制了Rag基因在胸腺细胞内的表达，这解释了在ZORI小鼠体内发现的T淋巴细胞发育的缺失。他们推测，Zfp608在胚胎中的适时表达在胚胎免疫细胞的发育过程中发挥了保护作用，因为这些细胞有可能被识别并攻击母亲的组织，对母亲和尚未出生的孩子造成伤害。 

《自然—方法学》涉及哺乳动物的蛋白质相互作用 

研究人员在《自然—方法学》的网站上报告说，他们发明了一种新方法，能够有效地从哺乳类动物的细胞中分离出蛋白质复合体。这种新技术能鉴别蛋白质相互作用网络或相互作用组中的伙伴，从而有助于研究人员认识细胞中的特定蛋白质是如何相互作用和共同行使功能的。 

串联亲和纯化(TAP)是近年来发展出来的一种能够快速研究生理条件下的蛋白质相互作用、揭示蛋白质复合体相互作用网络的新技术，如今已经成为研究蛋白质组学的一个广泛采纳的工具，这种技术使用特别设计的纯化标签在非常接近于生理条件的情况下捕捉出特定的蛋白质及其作用伙伴，借助于质谱分析技术，研究人员就可鉴别出这种蛋白质相互作用组。然而，TAP最初是在酵母中研制出来的，标签的构建不能直接应用于哺乳类动物的细胞。 

Giulio Superti-Furga和同事描述了一种适合在哺乳类细胞中使用的TAP——标签变形技术。尽管他们构建和测试了几种不同的TAP标签，但是具有最佳性质的纯化标签均含有两个单位的免疫球蛋白结合G蛋白质和一个被烟草蚀刻病毒蛋白酶分割点分开的链抗生物素结合蛋白质。这种标签可附加在特定的蛋白质上，在细胞中经过两个步骤就可分离蛋白质及其作用伙伴。 

尽管新方法的整个过程非常类似于酵母TAP方法，但新标签能够在相对少量的细胞中纯化哺乳类蛋白质复合体，而且数量比原始的TAP标签技术大一个数量级。作者认为，新方法使得大规模研究人类蛋白质组和细胞机理更加可行。