Science杂志最受关注的文章（10月）

　　CRISPR-Cas9基因组编辑系统通过一个小RNA引导目标DNA序列搜寻。为了让引导RNA结合靶位，Cas9必须解开所搜查位置的DNA双螺旋。

　　

生物通报道：美国的《Science》杂志由爱迪生投资创办，是国际上著名的自然科学综合类学术期刊，与英国的《Nature》杂志被誉为世界上两大自然科学顶级杂志。Science杂志主要发表原始性科学成果、新闻和评论，许多世界上重要的科学报道都是首先出现在Science杂志上的，比如艾滋病与人类免疫缺陷病毒之间的关系，标志性基因组研究成果等。Science杂志近期下载量最多的文章包括：

Kinetics of dCas9 target search in Escherichia coli

CRISPR-Cas9基因组编辑系统通过一个小RNA引导目标DNA序列搜寻。为了让引导RNA结合靶位，Cas9必须解开所搜查位置的DNA双螺旋。

“大多数蛋白只能通过感知DNA双螺旋外部结构来识别特定DNA序列。Cas9却能识别任意代码，但是，为了确定位置是否正确，它需要打开DNA双螺旋，用程序代码比较序列。令人难以置信的是，它可以在不使用能量的情况下搜索整个基因组，”项目负责人Johan Elf说。

研究人员用两种方法测量了Cas9找到目标序列的时间。一种方法（批量限制保护试验）显示，Cas9搜索大肠杆菌约400万个碱基的基因组用时6个小时。通过第二种独立技术（单分子荧光法）标记Cas9分子实时跟踪每个搜寻位置耗时（每个潜在目标大约不到30毫秒），验证了第一种方法的结论。

“结果显示，Cas9为它的灵活性付出了时间代价。如果想更快找到目标，就需要更多的寻找相同DNA序列的Cas9分子参与，”Johan Elf说。《Science》论述Cas9的灵活性

A high-coverage Neandertal genome from Vindija Cave in Croatia

近日，研究人员对一个女性尼安德特人的基因组进行了完整测序，这些骨骼碎片来自克罗地亚的凡迪亚（Vindija）洞穴，距今大约有5万年。这一成果发表在《Science》杂志上，证实了有关尼安德特人的若干推测，也揭示了该人种对现代人基因的影响。

这个基因组是迄今为止第二个高质量的尼安德特基因组，能够可靠地揭示DNA在何时何地从尼安德特人传播到现代人，以及它可能引起或预防哪些疾病。“这真是太令人兴奋了，因为拥有两个尼安德特基因组的好处可不止两倍，”范德堡大学的进化学家Tony Capra说。

第一个尼安德特基因组来源于凡迪亚洞穴的三名个体。几年后，研究人员对另外两个尼安德特基因组进行了测序，仅得到一组高质量的数据，它们来自在西伯利亚发现的阿尔泰尼安德特人，距今约12万年前。基因组信息表明，尼安德特人曾与走出非洲的智人杂交，因此欧洲和亚洲人携带痕量的尼安德特DNA，而非洲人没有。

那么，关键的问题来了：这么古老的DNA在现代人类中发挥什么作用？研究人员通过基因组序列分析，发现了大约20多个尼安德特基因变异，它们影响现代人的抑郁症、脂肪积累、过敏、皮肤病变、免疫疾病及其他疾病的风险。第二个高质量的尼安德特基因组带来进化线索

Inactivation of porcine endogenous retrovirus in pigs using CRISPR-Cas9

早年毕业于北京大学的杨璐菡（Luhan Yang）曾因第一个利用CRISPR-Cas9技术修改细胞基因组和领导eGenesis公司，而被福布斯杂志评为2014年30岁以下30个科学医疗领域(30 under 30)领军人物之一。

这家公司是由杨璐菡和她在哈佛大学的博士生导师、遗传学领军人物George M. Church共同创立的致力于推动异种器官移植临床应用。从2014年起，杨璐菡做为异种器官移植课题带头人，带领10个人的科研团队在哈佛和eGenesis利用CRISPR-Cas9技术，敲除猪基因组中可能的致病基因。

去年，他们与浙江大学动物科学学院等处合作使用CRISPR/Cas9基因编辑技术成功地在猪胚胎中灭活了62种PERVs。研究组设计gRNA靶向了猪肾细胞DNA中62个PERV序列共有的一个基因。在一小部分细胞中，CRISPR系统除去了每一个靶基因，这是当时通过单次CRISPR达到的最大数量基因改变。在实验室培养皿中这些编辑细胞用PERV感染人类肾细胞的能力下降了1000倍。Science发布CRISPR基因编辑重大成果

在此基础上，今年杨璐菡，Church教授同样与浙江大学动物科学学院，云南农业大学合作，发表了题为“Inactivation of porcine endogenous retrovirus in pigs using CRISPR-Cas9”的文章，首先证实猪细胞中的内源性逆转录病毒（PERVs）在与人类细胞共同培养时可传播给后者，此后他们通过分析猪成纤维细胞基因组内存在的PERVs，发现了25种PERVs，而且更重要的是他们利用CRISPR令所有25个基因组位点失活。

Loss of a mammalian circular RNA locus causes miRNA deregulation and affects brain function

CircRNA是近年来RNA领域最新的研究热点。它是前体RNA（pre-mRNA）通过一种叫做反向剪接反应（back-splicing）的特殊选择性剪接产生，在真核细胞中广泛表达的环形内源性RNA分子。尽管被低效地加工，大多数呈低水平表达，但研究发现一些circRNAs源自与人类疾病相关的基因组位点，而且有越来越多的证据表明它们在转录、转录后及翻译调控中的潜在作用。

Cdr1as是一种在哺乳动物大脑中大量表达的环状RNA，也是目前研究的最多的几种环状RNA之一。最早Cdr1as就是由德国MaxDelbrück研究中心的Nikolaus Rajewsky（本文作者）及其同事在2013年报道，他们指出这种分子可以作为miRNA的“吸收棉”，因为它有超过60个miRNA miR-7的结合位点，不过其具体作用依然不清楚。

之后的研究又发现Cdr1as能从DNA的反义链转录，并且没有多余的对应表达物，因此可以通过诸如CRISPR-Cas9之类的DNA编辑工具进行功能缺失型研究，“这非常吸引人，这样就能操控DNA，在功能水平上看到环状DNA缺失后的应答。”

在最新这项研究中，Rajewsky等人首先利用一种之前研发的技术发现了miRNAs和其它分子之间的体内相互作用。研究人员采用小鼠和人类死后大脑，结果表明miR-7，以及另外一种miRNA：miR-671（较少）都能与Cdr1as结合。首次发现环状RNA的体内功能

A central neural circuit for itch sensation

痒是一种令人不愉快的感觉，通常引起抓挠行为。皮肤病、肝病等患者经常出现慢性瘙痒症状，并且与其相伴的难以克制的长期搔抓行为可导致严重的皮肤和组织损伤。慢性瘙痒还经常引起睡眠障碍等，严重影响患者的生活质量。

痒的机制尚不清楚，致使针对慢性痒治疗的药物开发严重滞后。因此，痒觉机制的研究已经成为目前医学与神经科学领域的热点之一。近年来，我们对脊髓水平的痒觉信息处理的分子和细胞机制已经有了较为深入的认识。然而，痒觉信息如何从脊髓传递到大脑并不清楚。这是痒觉研究领域的核心问题之一。

为解决这一核心问题，孙衍刚研究组研究了脊髓水平的痒觉细胞是如何将痒觉信息传递到大脑的。以往的研究发现脊髓中的一类痒觉细胞表达胃泌素释放肽受体（gastrin-releasing peptide receptor，GRPR）。孙衍刚研究组发现这类神经元并不直接将痒觉信息传递到大脑。中科院青年**学者最新发表Science文章

Driving mosquito refractoriness to Plasmodium falciparum with engineered symbiotic bacteria

Changes in the microbiota cause genetically modified Anopheles to spread in a population

这是同系列文章，Jacobs-Lorena 实验室的博士后Sibao Wang（现已前往位于上海的中科院工作）发现蚊子卵巢液可作为蚊子携带细菌的指示器。他发现，在这些多样性细菌中，常见属Serratia的一株新品系很容易传播蔓延。雌性冈比亚按蚊吃下含有Serratia的糖后，它们很快填满了蚊子的肠道。细菌也出现在蚊卵表面，甚至扩散到孵化后的幼虫身上，以至于雄蚊和雌蚊都能携带这种细菌。

这种微生物似乎没有任何负面影响，所以研究人员给它配备了抗疟原虫基因，设计了5种不同的抗寄生虫方法，包括绞杀、诱捕、捆缚等。

吃了人工改造细菌的蚊子再吸食疟原虫感染者的血液，体内寄生虫数量比未经处理的蚊子少了93%。

北卡州立大学的进化生物学家Fred Gould 表示：“我曾经非常怀疑这一做法的成功与否。因为在一定程度上，由于肠道的竞争环境，外来细菌生长十分困难，更何况从幼虫到成熟都始终粘附在蚊子身上。但令人瞩目的是，他们竟然做到了。”

为了检验工程菌在野生蚊群中的扩散效果，Jacobs-Lorena团队正在赞比亚南部搭建圈占设备。“包括植被、花草和小型茅棚，尽量在较为真实的条件下测试传播情况。”约翰霍普金斯大学同期两篇《Science》，分头狙击疟疾传播

Interacting amino acid replacements allow poison frogs to evolve epibatidine resistance

地棘蛙素（epibatidine）是毒青蛙皮肤提取物，可与神经受体结合导致高血压、癫痫甚至死亡。研究人员发现，青蛙防止被自身毒液毒死的关键在于一个受体蛋白的3个氨基酸突变，该蛋白总大小为2500个氨基酸。不仅如此，分析毒蛙进化，相同的突变恰好独立地出现了三次。

“进化出毒物的作用是尽可能地避免被捕食，”文章共同一作德州大学Austin分校的博后研究员Rebecca Tarvin说。“但仍有许多动物都没有毒性，为什么呢？我们的工作表明，其中一个最大的制约因素是，生物体是否也能进化出抵抗自身毒素的能力。我们在三个不同青蛙种群中发现了相同的进化模式。这就是生命进化之美。”Science：为什么毒蛙毒不死自己？

（生物通）