編委推薦

Cell | I型干擾素驅(qū)動結核病易感性的早期細胞機制

I型干擾素是宿主抗病毒防御反應最重要的一類細胞因子，作用于I型干擾素受體發(fā)揮抗病毒作用。病毒合并結核分枝桿菌感染會加重結核病，但其機制尚不清楚。活動性肺結核與嗜中性粒細胞驅(qū)動的I型干擾素的反復誘導相關，但I型干擾素如何影響宿主控制細菌的機制仍未完全闡明。2023年12月7日，美國加州大學Dmitri I. Kotov團隊等在雜志發(fā)表了題為“Early cellular mechanisms of type I interferon-driven susceptibility to tuberculosis”(doi：10.1016/j.cell.2023.11.002)的文章。該研究利用C57BL/6J背景基礎上構建的–/–小鼠研究I型干擾素驅(qū)動的增加結核分枝桿菌易感性的細胞機制。SP140是表觀遺傳閱讀器斑點蛋白家族的成員，在白細胞中廣泛表達，是結核病超級易感性1(，)基因位點內(nèi)控制結核分枝桿菌易感性的基因。–/–小鼠對結核分枝桿菌的易感性由I 型干擾素驅(qū)動，該小鼠模型能夠很好地反映I型干擾素與人類活動性肺結核之間的聯(lián)系。通過單細胞測序(single cell RNA sequencing，scRNA-seq)技術發(fā)現(xiàn)在感染結核分枝桿菌的小鼠以及非人靈長類動物體內(nèi)，胞內(nèi)I型干擾素主要由漿細胞樣樹突狀細胞(plasmacytoid dendritic cell，pDC)以及間質(zhì)巨噬細胞(interstitial macrophage，IM) 產(chǎn)生。其中，漿細胞樣樹突狀細胞是信號傳導通路中的重要傳感器， I型干擾素的產(chǎn)生是一種早期和/或瞬態(tài)事件。通過流式細胞術發(fā)現(xiàn)：與–/–Ifnar1小鼠相比，–/–小鼠在感染結核分枝桿菌后，體內(nèi)產(chǎn)生更多中性粒細胞，間質(zhì)巨噬細胞以及單核細胞。此外，與C57BL/6 (B6)小鼠相比，–/–小鼠感染后表達細胞的數(shù)量增多。該研究團隊通過在B6和–/–背景下將I-Tomcat小鼠與Ai6 Cre報告小鼠(I-Tomcat Ai6)雜交，結合流式細胞術，進一步探究I型干擾素產(chǎn)生的時間節(jié)點，發(fā)現(xiàn)結核分枝桿菌感染似乎并不是驅(qū)動IFNβ表達的主要因素，定位于富含結核分枝桿菌區(qū)域中的間質(zhì)巨噬細胞提供了表達IFNβ所需的激活信號。為進一步探究漿細胞樣樹突狀細胞是否影響對結核分枝桿菌的控制，通過遺傳耗盡漿細胞樣樹突狀細胞，即利用–/–小鼠與表達人BDCA2(blood dendritic cell antigen 2，也稱為C-type lectin domain family 4 member C，簡稱CLEC4C)啟動子驅(qū)動的白喉毒素(diphtheria toxin receptor，DTR)受體(pDC-DTR)的小鼠雜交，發(fā)現(xiàn)在–/–小鼠中，漿細胞樣樹突狀細胞的耗盡恢復了對結核分枝桿菌的控制作用。機制上，內(nèi)源性的Toll樣受體(Toll-like receptor，TLR)能夠識別來自嗜中性粒細胞胞外陷阱(neutrophil extracellular traps，NETs)的外源DNA分子，進一步激活漿細胞樣樹突狀細胞產(chǎn)生I型干擾素。由漿細胞樣樹突狀細胞產(chǎn)生的I型干擾素能夠作用于間質(zhì)巨噬細胞，并抑制這些細胞中IFN-γ的信號傳導，損害IFN-γ介導的保護性作用，結核分枝桿菌得以增殖，并進一步招募嗜中性粒細胞，引起惡性循環(huán)，加劇結核病，促進活動性肺結核的發(fā)展。該研究以–/–小鼠為研究模型，再現(xiàn)了人活動性結核病的I型干擾素和嗜中性粒細胞的基本特征，解析了I型干擾素驅(qū)動的結核分枝桿菌易感性的新細胞機制?！鐾扑]人：陳海琪，謝建平

Nature | 斑馬魚胚胎細胞無需受體就能接收來自遠方的信號

在多細胞生物中，有效的細胞間通訊對于從單個受精卵到復雜成體的有序發(fā)育至關重要?；瘜W信號傳導是胚胎中細胞溝通的主要方式。在化學信號系統(tǒng)中，產(chǎn)生信號的細胞會產(chǎn)生一種分子(稱為配體)，這種分子會被接收細胞上的特定受體蛋白檢測到并與之結合——其功能類似于鑰匙和鎖。Wnt 信號系統(tǒng)就是一個例子，它是所有多細胞生物體中都存在的重要發(fā)育信號網(wǎng)絡。例如，配體 Wnt5b(“鑰匙”)可與其受體之一 Ror2(“鎖”)結合，調(diào)節(jié)組織中細胞的定向和定向遷移；這兩者對于胚胎體軸的組織都至關重要。然而，Wnt信號如何運輸以激活發(fā)育過程中胚胎中的特定細胞仍不清楚。英國?？巳卮髮WSteffen Scholpp實驗室通過熒光蛋白標記斑馬魚中Wnt5b和Ror2，使得可以在高分辨成像的背景下示蹤這些組分的運輸。令人驚訝的是，該研究發(fā)現(xiàn)Wnt5b與產(chǎn)生Wnt5b細胞表面上的Ror2結合，然后配體-受體復合物在細胞突起(被稱為 Cytonemes)上被運輸?shù)洁徑募毎?2023年12月20日在線發(fā)表，doi: 10.1038/s41586-023-06850-7)。Cytonemes是細胞膜的細長延伸，可以延伸數(shù)十微米以連接到遠處的細胞，并在幾分鐘內(nèi)縮回。作者使用熒光相關譜技術等定量成像技術來測量復合物在運輸過程中的結合強度，并發(fā)現(xiàn)它們在整個運輸過程中保持緊密結合。Cytonemes將復合物從產(chǎn)生的細胞運輸?shù)浇邮占毎?；然后，在Cytonemes尖端形成包含復合物的小囊泡，釋放并與接收細胞的膜融合。在此過程中，這些復合物保持其功能性，因為它們能夠在到達時激活適當?shù)募毎磻?。值得注意的是，即使目標細胞缺乏功能性的Ror2受體，這種情況仍會發(fā)生。如果在組織水平上干擾攜帶有Wnt5b-Ror2復合物的Cytonemes將影響斑馬魚體軸匯聚和延伸過程中的細胞遷移。該研究發(fā)現(xiàn)了Cytonemes不僅能傳遞信號，還能傳遞其受體，對整個發(fā)育生物學領域具有重要意義。目前，對于細胞的反應能力(即細胞對信號做出反應的能力)的理解主要基于正確受體的可用性。因此，缺乏受體的細胞和組織往往被認為是不具有響應性。該研究表明，即使是不能表達受體的細胞，在通過Cytonemes介導的“配體-受體復合物”轉(zhuǎn)移后也可能發(fā)生信號激活。這可能會促使人們重新評估僅根據(jù)受體的表達來描述有反應和無反應組織的傳統(tǒng)概念?！鐾扑]人：張文清

Nature |單細胞與空間轉(zhuǎn)錄組聯(lián)合分析建立人肢體發(fā)育細胞圖譜

肢體發(fā)育是由大量時空有序的基因表達程序協(xié)調(diào)控制，其基本機制已在模式生物中進行了大量的研究，但這些機制在人類胚胎肢體發(fā)育中是否保守尚缺少必要的研究，對人類肢體發(fā)育中的細胞分化動態(tài)變化也缺乏系統(tǒng)的表征。2023年12月6日，在線發(fā)表了中山大學醫(yī)學院張宏波課題組和英國Sanger 研究所Sarah Teichmann團隊合作完成的題為“A human embryonic limb cell atlas resolved in space and time”的研究論文(doi:10.1038/s41586- 023-06806-x)。該研究使用單細胞轉(zhuǎn)錄組學結合空間轉(zhuǎn)錄組學技術，從孕5～8周的人類胎兒個體取樣，繪制了包含間充質(zhì)、軟骨、成骨、成纖維和平滑肌等細胞類型的人肢體發(fā)育細胞的連續(xù)演變圖譜，基于該圖譜識別并確定了肢體形成過程中相應細胞類型的特異表達基因。該研究還發(fā)現(xiàn)了人類肌肉發(fā)育的兩個階段，每個階段都以不同的細胞狀態(tài)為特征，由不同的基因表達程序調(diào)節(jié)，并確定了Musculin (MSC，或MyoR)是維持肌肉干細胞特征的關鍵轉(zhuǎn)錄抑制因子。最后，該研究比較分析了人和小鼠胚胎肢體的scRNA-seq數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)這兩個物種之間肢體相關基因表達模式高度相似。該研究報道的首個人類肢體發(fā)育的單細胞圖譜與詳細的時空模型，為進一步跨物種研究四足動物肢體發(fā)育的調(diào)控機制提供了重要參考?！鐾扑]人：劉華華，林古法

Nature Biotechnology | 腺嘌呤堿基編輯器ABEs再添“新利器”

導致人類疾病的點突變中約48%是由G到A堿基的轉(zhuǎn)換，而腺嘌呤堿基編輯器(adenosine base editors，ABEs)可以將該突變糾正為G堿基，所以ABEs在人類致病基因修復中扮演者重要角色。ABEs最早是由有缺口酶活性的SpCas9(nickase)與來自大腸桿菌的tRNA對應的腺苷脫氨酶(TadA)形成融合蛋白，在sgRNA對應的位置，編輯特定的A堿基為G 堿基。在提高編輯效率方面，美國哈佛大學David R. Liu團隊通過密碼子序列優(yōu)化等，成功構建了ABEmax，有效提高了堿基編輯效率(doi: 10.1038/nbt.4172)。他們在TadA的基礎上引入額外突變，構建了ABE8e (doi: 10.1038/s41587-020-0453-z)。筆者也曾建立了一種高通量定向篩選系統(tǒng)并獲得了多個具有高編輯活性的突變體，其中包括NG- ABEmax-KR突變體(doi: 10.1038/s41467-021-26211-0)。利用該編輯器調(diào)控基因剪接，發(fā)現(xiàn)可以激活非典型剪接并用于制備小鼠疾病模型(doi: 10.1016/j.jbc. 2023.105442)。在此基礎，獲得了保真性更好的NG-ABE9e (doi: 10.1016/j.ymthe.2022.07.010)。ABEs對靶位點選擇很強(序列中靶堿基A緊鄰5′堿基為T更為高效)，這限制著其使用。2024年1月2日，在線發(fā)表了兩項ABEs的優(yōu)化工具：美國芝加哥大學湯瑋欣團隊獲得了具有識別范圍更廣的 ABE8r，靶堿基A緊鄰5′堿基可以為A/G(即R堿基), 該發(fā)現(xiàn)有效拓寬ABEs編輯范圍(doi: 10.1038/s41587-023-01994-3)；中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所畢昌昊團隊開發(fā)了不依賴脫氨酶的高效的堿基編輯工具(DAF-BE)，在哺乳動物細胞中可以實現(xiàn)C-to-G/T-to-G編輯(doi: 10.1038/s41587- 023-02050-w)。綜上所述，ABEs技術在生物醫(yī)學應用領域有著巨大潛力，以上成果為堿基編輯技術用于臨床治療和基礎研究提供了強大的支撐。需要指出的是，盡管目前堿基編輯技術有了一定程度的改良，但仍然有不完善之處，因此研發(fā)高效/精準ABEs仍然是基礎研究和應用(含臨床轉(zhuǎn)化)的重大需求?！鐾扑]人：谷峰

Nature Methods | SEVtras解析單細胞轉(zhuǎn)錄組中液滴分辨率的胞外小囊泡

胞外小囊泡(small extracellular vesicle, sEV)通過生物活性內(nèi)容物介導細胞-細胞通訊，在癌癥進展等生理病理過程中發(fā)揮重要作用。研究表明在不同場景中，細胞釋放的胞外小囊泡的數(shù)量和組成存在顯著差異，并取決于合成模式、細胞類型和生理條件等因素。目前，該領域尚缺乏探索胞外小囊泡復雜異質(zhì)性的高通量技術，決定胞外小囊泡分泌的細胞行為也有待解碼。近期，中國科學院北京生命科學研究院趙方慶及冀培豐共同通訊作者在上發(fā)表了題為“SEVtras delineates small extracellular vesicles at droplet resolution from single-cell transcriptomes”的研究論文(2023年12月4日在線發(fā)表，doi: 10.1038/s41592-023-02117-1)。在該研究中，作者結合基于液滴的單細胞RNA測序(single-cell RNA sequencing, scRNA-seq)技術，設計了SEVtras算法，能夠識別包含胞外小囊泡的液滴，并估算各個細胞的胞外小囊泡分泌活性(sEV secretion activity index, ESAI)。該算法分為兩步，首先從公共數(shù)據(jù)庫中審編胞外小囊泡關聯(lián)基因集，再利用期望最大化(expectation–maximization, EM)技術推斷單個液滴中胞外小囊泡的信號分值。通過模擬和真實數(shù)據(jù)的廣泛評測，SEVtras能夠高效識別包含胞外小囊泡的液滴，并在特定細胞類型中解析其分泌活性。作者將SEVtras算法用于4組腫瘤單細胞測序數(shù)據(jù)集，表明胞外小囊泡分泌活性ESAI可作為腫瘤進展的有效標識物，尤其在早期階段。隨著單細胞測序數(shù)據(jù)集的重要性和可獲得性的日益增長，SEVtras可為細胞異質(zhì)性研究提供有價值的胞外見解。■推薦人：薛宇

Nature Methods | 人類基因組納米孔長讀長測序揭示基于單倍型分型的基因組變異和甲基化的圖譜

長讀長測序技術在很大程度上克服了短讀測序的局限性，但由于價格昂貴、可擴展性不足以及錯誤率太高，迄今為止未能完全替代短讀長測序。美國UC Santa Cruz Genomics Institute (UCSC) 的Benedict Paten研究團隊開發(fā)了一種基于納米孔ONT長讀長測序的高效且可擴展的濕實驗室和計算分析方案Napu，旨在解決這些限制(2023年9月14日在線發(fā)表，doi: 10.1038/s41592-023-01993-x)。目前，該研究方案被運用于美國國立衛(wèi)生研究院阿爾茨海默病研究中心的細胞系和腦組織樣本測試，取得了較好的結果。通過PromethION?測序，對比F1分數(shù)，發(fā)現(xiàn)其在檢測單核苷酸多肽變異與Illumina 短讀測序能力相當。除了在檢測小的聚集體和串聯(lián)重復插入/缺失存在一定困難，對基因組其他變異的檢測與Illumina indel展現(xiàn)出較好的一致性。研究者開發(fā)的分析方案在檢測結構變異和從頭組裝有很好的效果，可以在兆堿基規(guī)模上對小變異和結構變異進行分型，并且能夠高度精準地檢測單倍型特異的甲基化位點。此工作開發(fā)了基于長讀長測序的單倍型分型和表觀遺傳修飾檢測的分析方案，研究成果有助于從單倍型層面上鑒定疾病相關的遺傳變異，特別是結構變異與甲基化異常。通過一套長讀長測序數(shù)據(jù)，從單倍型層面共同揭示疾病相關的基因組學和表觀組學致病機理。■推薦人：夏露，夏昆