1.Science：重大突破!CRISPR-Cas系统新用途!开发出可编程的CRISPR反应性智能材料

doi:10.1126/science.aaw5122; doi:10.1126/science.aay4198

CRISPR-Cas系统已成为科学家们在不断增加的有机体中研究基因的首选工具，并且正被用于开发潜在地校正基因组中单个核苷酸位点上的缺陷的新型基因疗法。它也被用于正在进行的诊断方法中，用于检测患者体内的病原体和致病突变。

如今，在一项新的研究中，来自美国哈佛大学威斯生物启发工程研究所和麻省理工学院的研究人员展示了将CRISPR用作新型刺激反应性“智能(smart)”材料的控制元件。一旦被特定的天然的或用户定义的DNA刺激物激活，一种CRISPR-Cas酶就能够让多种智能材料释放出自身结合的货物，比如染料和活性酶，改变它们的结构来部署包埋的纳米颗粒和活细胞，或者调节电路从而将生物信号转化为电信号。相关研究结果发表在2019年8月23日的Science期刊上，论文标题为“Programmable CRISPR-responsive smart materials”。

论文通讯作者、哈佛大学威斯生物启发工程研究所创始核心学院成员James Collins博士说，“我们的研究表明CRISPR的力量可以在实验室之外用于控制DNA反应性材料的行为。我们开发了一系列具有不同能力的材料，这就突显了可编程的CRISPR反应性智能材料(CRISPR-responsive smart material)所支持的应用范围。这些应用包括新型治疗诊断策略、即时诊断以及对流行病爆发和环境危害进行的区域监测。”

论文共同第一作者、麻省理工学院研究生Max English说，“我们将单链靶DNA序列整合到聚合物材料中，要么作为悬垂货物的锚点，要么作为维持材料基本完整性的结构元件，并且能够通过提供Cas12a和一种作为刺激物的特定gRNA来控制不同的材料行为。”

2.Science：构建出疟原虫完整生命周期的细胞图谱---疟疾细胞图谱，极大加快疟疾研究和疗法开发

doi:10.1126/science.aaw2619; doi:10.1126/science.aay5963

在一项新的研究中，来自英国、丹麦、肯尼亚、南非、澳大利亚、瑞典和法国的研究人员构建出疟疾细胞图谱(Malaria Cell Atlas)，这种图谱呈现出疟原虫在所有形态生命周期阶段的转录组学特征。这种图谱的目标是(i)了解在整个生命周期中的基因功能和使用;(ii)理解发育阶段转变背后的基因调控机制;(iii)发现疟原虫两头下注(bet-hedging)模式;(iv)提供一种参考数据集，可用于了解多种疟原虫物种在实验室中和在自然感染下的寄生虫生物学特性。相关研究结果发表在2019年8月23日的Science期刊上，论文标题为“The Malaria Cell Atlas: Single parasite transcriptomes across the complete Plasmodium life cycle”。

这些研究人员通过使用细胞分选方法分离出1787个疟原虫，并且在涵盖蚊子和哺乳动物宿主中所有生命周期阶段的10个时间点对它们的全长转录组进行了分析。

从这些数据中，他们能够了解发育的精细转录模式，并确定与疟原虫阶段、细胞策略(增殖阶段、生长阶段和有性阶段)和宿主环境相关的标志基因。对整个生命周期中的单细胞基因表达模式的比较揭示出在发育过程中有几组基因的表达模式相似。由此产生的行为相似的基因簇能够推断出仍然未被表征的大约40%基因的可能功能。

通过使用液滴测序，这些研究人员对来自三种疟原虫物种(包括两种人类疟原虫病原体)的红细胞内发育周期的另外15858个细胞进行了测序。他们在生命周期的致病阶段对这三种疟原虫物种的发育轨迹进行了比对，并建立了一种跨物种比较的方法。最后，他们开发出一种保存从天然的受感染携带者中收集的野生疟原虫的实验方案，使用scRNA-seq进行测序，并将疟疾细胞图谱作为参考，以便鉴定出野生疟原虫发育阶段并在单细胞分辨率下表征天然的混合物种感染。

3.Science：解析出嗜热栖热菌V/A-ATP酶的三维结构

doi:10.1126/science.aaw9144

细胞依赖于称为ATP合酶(ATP synthase)或ATP酶(ATPase)的蛋白复合物来满足它们的能量需求。三磷酸腺苷(ATP)分子为维持生命的大部分过程提供能量。在一项新的研究中，奥地利科学技术研究所的结构生物学者Leonid Sazanov和博士后研究员Long Zhou如今解析出V/A-ATP酶家族代表性成员的首个原子结构，填补了这些必不可少的分子机器的进化树上的空白。利用最新的低温电镜(cryo-EM)方法获得的这些结果揭示了这种酶的结构类似于涡轮机或水磨机。相关研究结果发表在2019年8月23日的Science期刊上，论文标题为“Structure and conformational plasticity of the intact Thermus thermophilus V/A-type ATPase”。

ATP合酶/ATP酶是大型膜蛋白复合物，它们具有相同的整体结构和旋转催化机制。这种蛋白质家族包括在线粒体(细胞的能量工厂)、叶绿体(在植物中进行光合作用的细胞器)和细菌中发现的F型ATP酶，叶绿体(在植物中进行光合作用的细胞器)和细菌;在真核生物(具有细胞核的高等生物)中发现的V型ATP酶;在古细菌(古老的微生物)和一些细菌中发现的A型ATP酶。

F型ATP酶和A型ATP酶通常起着产生ATP的作用，这种ATP产生由跨膜的质子流动驱动。V型ATP酶通常起着相反的作用，使用ATP泵送质子。V型ATP酶和A型ATP酶在结构上相类似，与F型ATP酶不同，具有两个或三个外周茎部结构和位于结构域V1和V0之间的额外连接蛋白亚基。V型ATP酶很可能是从A型ATP酶进化而来的，由于这些相似性，A型ATP酶也被称为V/A-ATP酶。一些细菌，包括嗜热栖热菌(Thermus thermophilus)获得了A型ATP酶。Zhou纯化出嗜热栖热菌的V/A-ATP酶：ThV1Vo，并利用cryo-EM研究了这种酶。与F型ATP酶相反的是，人们之前仅确定了V型ATP酶的V1和Vo结构域的结构。因此，人们并不清楚V1如何与Vo结合在一起，而且也不了解这个完整的催化循环。

Sazanov和Zhou利用cryo-EM解析出完整的ThV1Vo酶的总共5种结构，而不是一种结构。这些结构代表着这种酶的几种构象状态，它们的不同之处在于转子(rotor)在定子(stator)内部的位置。ThV1Vo的整体构象可塑性表现为当从一种构象状态向另一种构象状态过渡时，V1结构在空间上的剧烈摆动。这是弯曲的中心转子的旋转和定子的刚度之间的机械竞争的结果。V1-Vo偶联在一起是通过轴与连接到c环(c-ring)的V型ATP酶特异性亚基之间的紧密结构匹配和静电匹配实现的。质子路径的可视化揭示了带电荷的蛋白残基的分布与F-ATP酶中的存在着显着差异，具有更严格的“检查点”来防止这种酶的“滑落”。

4.Science：植物免疫系统新突破!揭示植物TIR结构域是一种促进细胞死亡的NAD+切割酶

doi:10.1126/science.aax1771

在一项新的研究中，一组研究人员阐明了植物免疫反应的一个关键方面。他们的发现揭示了植物抗性蛋白如何引发局部的细胞死亡，这可能导致人们在下一代作物中开发出进行抗病性改造的新策略。相关研究结果发表在2019年8月23日的Science期刊上，论文标题为“TIR domains of plant immune receptors are NAD+-cleaving enzymes that promote cell death”。论文通讯作者为科罗拉多州立大学生物学助理教授Marc Nishimura、北卡罗来纳大学教堂山分校的Jeff Dangl和华盛顿大学医学院的Jeffrey Milbrandt。

Nishimura与其同事们一起鉴定出植物抗性蛋白TIR的一种鲜为人知的结构域(即TIR结构域)的作用机制。他们发现在植物免疫反应期间，这种TIR结构域是一种降解NAD+分子的酶，其中NAD+分子对所有生物的新陈代谢至关重要。通过切割NAD+，植物自我破坏受感染的细胞，同时不会伤害其他未被感染的细胞。

在2017年，Nishimura在华盛顿大学医学院的合作者在一种名为SARM1的蛋白中观察到一种不寻常的动物TIR结构域，它不同于动物细胞中的其他TIR信号支架。相反，它作为一种酶发挥作用。Nishimura及其同事们开始探究这种结构域是否在植物免疫系统中发挥着具有类似的功能。

在这项新的研究中，Nishimura及其同事们发现TIR结构域在植物免疫反应中的作用确实与SARM1中功能上更不寻常的这种动物TIR结构域的作用相关。他们发现植物TIR结构域本身就是一种切割NAD+的酶，而不是作为招募其他成分的结构支架起作用。但是还存在一个重要的区别。虽然SARM1中的动物TIR结构域通过消耗NAD+水平来杀死细胞，但植物TIR结构域似乎切割NAD+来产生信号分子。这种并未在动物细胞中观察到的信号分子在结构上一种与称为环状ADP-核糖(cyclic ADP-Ribose)的经典信号分子有关。他们如今正在努力了解他们观察到的这种新产物如何影响细胞死亡和抗病能力。

5.Science：细胞自杀可能是大脑健康和粮食安全的关键

doi:10.1126/science.aax1911

对人类和植物中细胞的自我破坏的研究可能导致人们开发出治疗神经退行性脑疾病的方法和培育出抗病植物。在一项新的研究中，来自澳大利亚、美国和英国的研究人员确定了某些蛋白在细胞自杀中的作用。相关研究结果发表在2019年8月23日的Science期刊上，论文标题为“NAD+ cleavage activity by animal and plant TIR domains in cell death pathways”。论文通讯作者为澳大利亚昆士兰大学的Bostjan Kobe、Thomas Ve和Peter Dodds。

Kobe说：“为了维持生命，人类和植物等多种有机体都具有为了每种有机体的其余部分的利益进行自杀的细胞。这是我们体内免疫反应的一个关键部分：受感染的细胞通常会自杀，因此更大的有机体能够存活下来。”

“但是令人吃惊的是，研究参与人类神经元细胞死亡过程的蛋白已让我们发现细胞死亡如何在植物中发生。我们找到了人类和植物细胞引发细胞自杀的常见方式。”

这些研究人员将结构生物学、生物化学、神经生物学和植物科学方法结合在一起来分析细胞和蛋白，从而为一些潜在的突破性发现奠定了基础。

Kobe说，“神经退行性疾病影响着全世界数百万人，并且由于不同的原因而出现，但是与它们相关联在一起的是脑细胞的降解。一种特定的蛋白---SARM1---对于不同神经退行性疾病中的脑细胞降解至关重要。我们提供了关于这种蛋白的重要信息---揭示它的三维结构---这将加速可能延缓或阻止这种脑细胞降解的药物的开发。”

6.Science：探究恶性疟原虫种群在整个非洲大陆的消长，抗疟药物耐药性成隐忧

doi:10.1126/science.aav5427

在针对整个非洲大陆的首个疟原虫基因组研究中，来自赞比亚、加纳、肯尼亚、美国、英国、埃塞俄比亚、马达加斯加、坦桑尼亚、喀麦隆、德国、科特迪瓦、加蓬、尼日利亚和马里的研究人员发现了栖息在这个大陆不同地区的恶性疟原虫的遗传特征，包括赋予抗疟疾药物耐药性的遗传因子。这揭示了耐药性在不同地区出现以及通过非洲各种途径行进传播的方式，这使得之前的疟疾成功控制面临风险。相关研究结果发表在2019年8月23日的Science期刊上，论文标题为“Major subpopulations of Plasmodium falciparum in sub-Saharan Africa”。

通过利用基因组工具，这些研究人员研究了整个非洲大陆的疟原虫多样性。他们还研究了撒哈拉以南非洲几个国家(包括埃塞俄比亚和加纳)特有的恶性疟原虫种群的遗传多样性。基因组监测数据将有助于追踪耐药虫株的出现和传播，从而有助于消除疟疾。

尽管撒哈拉以南非洲的恶性疟原虫种群具有极大的遗传多样性，但是之前的研究已表明这种多样性在整个非洲大陆是相对类似的。人们还认为这种疟原虫遗传物质的流动往往是从东到西，对抗疟疾药物产生的耐药性据信起源于东南亚。

然而，这项新研究的结果表明在非洲，恶性疟原虫在遗传上是不同的，这取决于它们是在非洲哪个地区发现的。此外，这些研究人员发现，这些区域性恶性疟原虫种群正在各个方向共享遗传物质---包括可以赋予抗疟药物耐药性的基因，而且非洲不同地区出现了新的耐药性类型。人们认为，人类迁徙，包括殖民活动造成的人类迁徙，在非洲恶性疟原虫的进化中发挥了作用。

7.Science：利用丰富的单细胞表型探究基因相互作用

doi:10.1126/science.aax4438

绘制基因相互作用通常基于作为表型读出值的细胞适应性，这模糊了这些相互作用在机制上的起源。Norman等人制定了绘制和理解基因相互作用的框架。这种方法利用CRISPR介导的汇集扰动筛选(CRISPR-mediated, pooled perturbation screens)中收集的高维单细胞RNA测序数据。不同的转录组表型构成了代表细胞所有可能状态的“流形(manifold)”。每个扰动和基因相互作用将细胞状态投射到这个流形中的特定位置，从而实现对信号通道中的基因的无偏序排列和对基因相互作用的系统分类。

8.Science：揭示大脑如何长时间保存记忆

doi:10.1126/science.aav9199

大脑如何在很长一段时间内存储信息?Gonzalez等人长期植入定制的高灵敏度显微内窥镜，并在自由移动的突变小鼠中进行神经元活动的长期成像。大多数神经元在大多数日子里都很活跃，但是它们的放电速度在不同的会话和任务中发生变化。尽管单个神经元的反应发生了变化，但具有同步活动的神经元群体的反应在数天和数周内都非常稳定。 此外，海马体区域CA1中的网络活动在长时间不执行任务后恢复，甚至在由局部病变引起的异常活动之后也是如此。这些发现表明存在类似吸引子的神经元集合动力学(attractor-like ensemble dynamics)作为一种机制，通过该机制，环境的表征被编码在大脑中。

9.Science：FMRP和CAPRIN1的磷酸化依赖相分离概述了mRNA翻译和去腺苷酸化

doi:10.1126/science.aax4240

通过相分离组装的生物分子凝聚物(condensates)参与RNA加工。在蛋白的固有无序区域发生的翻译后修饰可通过调节相分离来调节RNA加工。Kim等人使用核磁共振光谱法来表征由翻译调节因子FMRP和CAPRIN1的C末端无序区域组成的模型系统中的相分离，其中这两种翻译调节因子通过让mRNA去腺苷酸化来抑制翻译。这两种蛋白之间的相互作用涉及FMRP和CAPRIN1中的特定序列，并且mRNA分配到生物分子凝聚物中的倾向取决于这些C末端无序区域中的磷酸化模式。这种机制将信号转导通路与对RNA加工的调节整合在一起。