斯卡林王国1.Science：阻止成纤维细胞的Engrailed-1基因激活可使皮肤伤口愈合而不留下疤痕

　　皮肤伤口一般通过形成疤痕来愈合，这是一种由表达Engrailed-1（En1）基因的成纤维细胞谱系介导的纤维化过程。

　　近日，美国斯坦福大学的一支研究团队在《科学》上发表相关论文，科学家们揭示了皮肤形成伤疤的分子机制，并且针对这一机制，找到一款已经被美国FDA批准的药物。通过小鼠实验证明，这种药物具有让伤口恢复正常的惊人效果。

　　研究人员在一系列小鼠实验中发现，一部分原本不表达En1的成纤维细胞，在疤痕形成过程中，却开始表达En1。随后，他们设计了体外实验，将不表达En1的小鼠成纤维细胞，分别放在三种机械力不同的实验环境中培养，观察它们的变化。结果显示，成纤维细胞能够感受到组织的力学变化，并导致En1基因激活。

　　研究团队还确认了机械力变化可以使成纤维细胞激活En1，促进疤痕形成。顺着这一思路，研究人员找到了一种药物维替泊芬（verteporfin），该药物已获得美国FDA的批准，用于治疗眼病。这种药物分子通过抑制机械力信号转导的关键因子，阻断细胞中的机械应变信号。在小鼠伤口愈合模型中，当研究人员在伤口上施加了维替泊芬后，结果令人震惊：愈合的皮肤看起来完全正常！

　　精神疾病给人类、社会和经济带来巨大负担。过去几十年来，精神疾病的预后并没有取得实质性的改善。

　　在一项新的研究中，来自美国冷泉港实验室和华盛顿大学医学院的研究人员开发出了一种跨物种计算精神疾病的方法，从而直接将人类和啮齿类动物的行为联系起来，并利用这种方法研究小鼠幻觉样知觉的神经基础。相关研究结果发表在2021年4月2日的Science期刊上。

　　他们设计了一种计算模型，用于解释当先前的期望大于感觉证据时，幻觉样知觉的出现是错误的知觉推断的结果。这种模型阐明了幻觉样知觉是如何从两种不同类型的期望的波动中产生的：奖赏期望和知觉期望。在小鼠中， 腹侧纹状体中的多巴胺波动反映了奖赏期望，而在纹状体尾部中的多巴胺波动反映了知觉期望。他们利用光遗传学手段增加了纹状体尾部中的多巴胺，观察到多巴胺的增加引起了幻觉样知觉。这种影响可通过给送氟哌啶醇（haloperidol, 一种阻断D2多巴胺受体的抗精神疾病药物）来拯救。

　　3.Science：间歇性“休整”通过表观遗传学重塑过程恢复CAR-T细胞功能

　　嵌合抗原受体T细胞疗法（简称 “CAR-T”）正越来越多地被应用于肿瘤患者的治疗。CAR-T细胞疗法在血液系统癌症患者中显示出令人鼓舞的结果，但其抗癌活性可能受到CAR-T细胞功能有效性的限制。在最近一项研究中，来自斯坦福大学医学院的Crystal L. Mackall教授课题组表征了连续活动引起的CAR-T细胞衰竭相关的表型和表观基因组变化，以及短暂休息对于恢复其功能的有益作用。

　　作者测试了不同类型的“ 间歇性休息”处理，例如使用药物dasatinib暂时抑制T细胞活性，这有助于防止CAR-T细胞衰竭并能够有效改善小鼠模型中的CAR-T细胞抗肿瘤活性。相关结果发表在最近的《Science》杂志上。

　　作者通过诱导“衰竭”的CAR-T细胞间歇性静息，它们的命运从衰竭转移到记忆样状态。在已经具有“衰竭”特征的CAR-T细胞中，静息诱导仅4天就使其表型逆转，并诱导转录重编程和整体表观遗传重塑。此外，“衰竭”的CAR-T细胞经过休息后，其抗肿瘤活性得到充分地恢复，功能恢复的程度与休息的时间长短有关，并且与疲惫相关的转录因子TOX的表达减少和记忆相关的转录因子LEF1和TCF1的表达增加有关。

　　之后，作者发现CAR-T细胞功能的恢复取决于组蛋白甲基转移酶EZH2的活性，这与表观遗传重塑的现象相符。通过使用小鼠肿瘤移植模型，作者发现：与对照CAR-T细胞相比，通过CAR表达的振荡或dasatinib在体内进行诱导间歇性“休整”的CAR-T细胞表现出更好的抗肿瘤能力和更高的存活率。单细胞分析表明，单次dasatinib刺激足以诱导“衰竭”的肿瘤浸润性CAR-T细胞产生记忆表型并增强其抗肿瘤功能。

　　4.Science：重大突破！千万不要单个拆散，不然我就投毒！我国科学家揭示CRISPR-Cas系统对宿主细胞成瘾机制

　　在目前的基因组序列数据库中，约40%的细菌和约90%的古细菌基因组携带CRISPR-Cas位点，这表明除了适应性免疫的直接益处外，可能还存在减轻CRISPR系统的成本并防止其损失的机制。

　　在一项新的研究中，来自中国科学院、中国科学院大学和四川师范大学等研究机构的研究人员特别研究了一种古细菌I-B型CRISPR-Cas系统，它包括一个长311个碱基对（bp）的基因间区域，在这种系统中，编码CRISPR效应物Cascade亚基的基因不能单独剔除，但可以很容易地作为一个整体剔除。这些观察结果表明，Cascade基因盒（cas6-cas8-cas7-cas5）包括一个有毒成分，使其对宿主成瘾（一旦任何一个cascade基因被剔除就会引起细胞毒性）。相关研究结果发表在2021年4月30日的Science期刊上。

　　5.Science：我国科学家从结构上揭示预起始复合物在核心启动子上的组装机制

　　然而，多达85%的编码基因缺乏共有的TATA框，而且几乎所有Pol II介导的基因转录都需要TFIID复合物。尽管对基于TBP的PIC在TATA框启动子上进行了广泛的结构研究，但TFIID如何支持PIC在不同启动子上的组装仍然是不清楚的。

　　在一项新的研究中，来自中国复旦大学的研究人员重建了基于TFIID的人PIC，并解析出它的低温电镜结构。在13个不同的（天然的、复合的和突变的）启动子上，通过25种处于不同组成和构象状态的复合物结构来描述PIC的逐步组装。Pol II、TFIID模块和TBP-启动子在近原子分辨率下的结构允许进行详细的结构分析。相关研究结果发表在2021年4月30日的Science期刊上。

　　6.Science：新研究揭示肠道杯状细胞的多样性，并发现隐窝间杯状细胞亚群对维持结肠粘液屏障功能至关重要

　　在结肠中，粘液层作为一种屏障，抑制了上皮与密集的微生物群体的直接接触。这一系统存在缺陷是结肠炎的标志。粘液层在结构上依赖于高分子粘蛋白MUC2，它是由杯状细胞（goblet cell, GC）---通常被视为同质细胞类型的特殊分泌细胞---合成的。已有研究发现GC亚群的不同功能特征，包括不同的粘液生物合成率和对细菌的反应，这表明GC群体实际上可能是异质的。

　　在一项新的研究中，来自瑞典哥德堡大学和美国加州大学戴维斯分校的研究人员描述了肠道GC表达的多样性，并确定了一个定位在隐窝间表面上皮（intercrypt surface epithelium）的特定GC亚群如何在功能上促进粘液屏障的形成。相关研究结果发表在2021年4月16日的Science期刊上。

　　通过使用mCherry-MUC2转基因小鼠来分选和分离GC，这些作者生成了转录组和蛋白质组图谱来表征小肠和结肠中的GC表达景观。在结肠中，分化程度最高的GC定位在隐窝之间表面上皮的高粘液周转细胞，这被称为隐窝间GC（intercrypt GC, icGC）。

　　他们利用粘液的凝集素结合特征来解析活组织外植体中粘液的三维结构。结果表明，icGC分泌不同的粘液，所分泌的粘液填补了从隐窝开口分泌的粘液羽（mucus plume）之间的空间区域。这种隐窝间粘液是细菌大小的珠子无法渗透的；然而，与隐窝羽粘液（crypt plume mucus）相比，它对小分子更易渗透。可渗透的表面粘液可能对离子和其他化合物的吸收很重要，而隐窝区室内更密集的粘液有助于屏蔽干细胞壁龛（stem cell niche）。

　　这两种粘液亚型似乎对粘液的整体保护功能很重要，因为由隐窝间粘液和隐窝羽粘液混合而成的网状组织形成了对细菌不可渗透的屏障。缺乏正常隐窝间粘液的icGC功能障碍小鼠模型表现出粘液屏障不足，更容易发生化学诱导的和自发性（年龄依赖性）的结肠炎，这证明了icGC在维持功能性粘液屏障中不可或缺的作用。此外，来自溃疡性结肠炎患者---包括那些缓解期的患者--的活组织检查结果显示GC脱落增加，icGC数量减少。这些特征与粘液屏障的结构性缺陷有关，包括隐窝间粘液的间隙。这种间隙暴露了表面上皮的区域。

　　X连锁PCDH19（Protocadherin-19）基因突变可导致PCDH19障碍（PCDH19 disorder）并伴有癫痫。PCDH19障碍常伴有认知障碍和智力障碍。通常情况下，由于X连锁隐性遗传，X连锁障碍在男性身上表现出更严重的表型。相比之下，PCDH19障碍的症状表现在杂合子女性身上，而半合子男性则基本无症状。为什么会出现这种不寻常的表现尚不清楚。

　　PCDH19编码一种单跨膜蛋白，该蛋白通过胞外钙粘蛋白结构域的同种亲合性结合（homophilic binding）介导细胞-细胞粘附。在PCDH19障碍中发现的大多数PCDH19突变改变了PCDH19蛋白胞外结构域的位点，这表明这些突变可能影响PCDH19的同种亲合性相互作用，从而影响细胞-细胞粘附。

　　在一项新的研究中，来自美国哈佛医学院的研究人员探究了PCDH19在大脑中的确切作用，以及女性特异性疾病表型的分子、突触和回路基础。相关研究结果发表在2021年4月16日的Science期刊上。

　　PCDH19障碍在杂合子女性中有症状表现，但在半合子男性中没有症状表现。由于杂合子女性发生随机的X染色体失活，她们体内表达PCDH19野生型的细胞和表达PCDH19突变体的细胞混合在一起，因此有人提出PCDH19的这种镶嵌表达引起致病症状。

　　研究者们培育出了PCDH19障碍的动物模型（Pcdh19突变小鼠）。PCDH19蛋白在海马体苔藓纤维突触中高度表达，他们研究了PCDH19在苔藓纤维突触发育、功能和相关认知行为中的作用；Pcdh19突变小鼠中雌性杂合子特异性缺陷的分子基础；PCDH19和N-钙粘蛋白（N-cadherin, Ncad）之间的潜在相互作用。

　　PCDH19已被提出与Ncad形成顺式复合物，这可能会掩盖Ncad的同种亲合性结合能力。如果PCDH19的表达是镶嵌式的(Pcdh19HET)，那么PCDH19-Ncad顺式复合物不能介导PCDH19阳性细胞和PCDH19阴性细胞之间的细胞间信号。这种PCDH19-Ncad不匹配将导致下游细胞内信号减少和细胞缺陷。他们在苔藓纤维突触中测试了这种可能性。

　　这些作者发现，Pcdh19HET小鼠但不是Pcdh19HEMI小鼠表现出苔藓纤维突触前发育的缺陷，而苔藓纤维靶向性、树突棘发育或突触后发育没有变化。Pcdh19HET小鼠但不是Pcdh19HEMI小鼠表现出神经递质释放概率降低，苔藓纤维长期电位（LTP）受损，苔藓纤维依赖性认知功能（模式完成和分离）缺陷。此外，他们发现PCDH19似乎与Ncad在苔藓纤维突触中相互作用。在Pcdh19HET条件下，PCDH19和Ncad之间的不匹配损害了Ncad依赖的β-连环蛋白（β-catenin）信号转导和苔藓纤维突触前发育。在Pcdh19HET小鼠中过表达Ncad不仅恢复了苔藓纤维突触中的β-连环蛋白簇集，而且恢复了突触功能，这表明Ncad功能受损是Pcdh19HET小鼠体内观察到的疾病表型的基础。

　　目前，CF（囊性纤维化）患者中超过70%的感染是由遗传上簇集（并因此传播）的分离株引起的，其中大部分来自过去50年内出现并已在全球范围内传播的三个优势循环克隆（dominant circulating clone, DCC）。这些簇集的分离株在体外和体内测试时毒性更强，并导致更糟糕的临床结果，这表明它们正在从环境腐生菌演变为专性肺部病原菌。

　　在一项新的研究中，英国研究人员推断，对脓肿分枝杆菌的功能基因组分析可能会鉴定出这一进化轨迹中重要的可推广的步骤，并强调潜在的干预措施，以减轻这一过程对这种分枝杆菌和其他新出现的分枝杆菌病原菌的影响。相关研究结果发表在2021年4月30日的Science期刊上。

　　这些作者最初试图了解DCC是如何出现的。通过使用图形化的泛基因组分析，他们发现水平基因转移--特别是全局转录调节因子的基因转移---可以提供一种在环境中的脓肿分枝杆菌分离株中产生巨大的表型差异从而使跳跃式进化（saltational evolution）朝着增强人类感染性方向发展的重要机制。这一过程可能在整个分枝杆菌物种中具有普遍性，在这些物种中，基因的获得或丢失事件与几个物种中毒性克隆的致病性进化有关，包括鸟分枝杆菌中的簇集1a，卡氏分枝杆菌中的克隆A，以及来自类似卡氏分枝杆菌的祖先（M. canettii–like ancestor）的单系结核分枝杆菌复合群（monophyletic M. tuberculosis complex）。

　　接下来，这些作者研究了感染性脓肿分枝杆菌克隆的持续适应性是否能进一步促进致病性。他们重建了长期感染的患者体内单个脓肿分枝杆菌亚克隆的进化轨迹，发现个体内部和个体之间的趋同异域进化（convergent allopatric evolution）是致病性适应的关键驱动力。具体来说，来自单一功能网络的一小部分基因中的频发突变可能会驱动巨噬细胞生存能力的增强和体内毒力的增加。

　　这些作者观察到许多适应性突变的传播适应性降低。对于两个经常突变的基因（phoR和GPL基因座），基因敲除脓肿分枝杆菌显示出在病媒的生存能力受损。这些发现表明，宿主内部的进化受到限制，而传播需要一个环境中介。

　　在一项新的研究中，通过使用一种基因敲入的DNA甲基化报告基因，美国研究人员在人胚胎干细胞（hESC）中进行了全基因组CRISPR-Cas9筛选，以发现DNA甲基化调节因子。相关研究结果发表在2021年4月9日的Science期刊上。

　　这些作者重点研究了二价启动子（bivalent promoter），其定义为同时存在激活性（H3K4me3）和抑制性（H3K27me3）组蛋白标记，并且通常由多梳抑制复合物1和2（PRC1和PRC2）占据。在干细胞或祖细胞中，二价启动子被认为将发育调节因子维持在“蓄势待发的状态”，准备在分化时激活，并且它们对在功能失调的细胞背景（比如癌症或衰老）下的DNA高度甲基化敏感。构建一种基因敲入DNA甲基化报告细胞系提供了一个可视化观察表观遗传改变的绝佳机会，否则在干细胞状态下，基因表达变化是“看不见的”。通过使用PAX6 P0二价启动子作为代表位点，这些作者旨在在具有类似染色质特征的区域发现调节DNA甲基化的机制，这不仅可以了解发育过程中的基因调控，也可以了解疾病中的表观遗传失调。

　　他们的筛选不仅成功地发现了已知的甲基化调节因子，如TET1、TDG和KDM2B，而且还发现了功能上未被描述的基因，包括QSER1。像TET蛋白一样，QSER1保护二价启动子和准备好的增强子（以H3K4me1为标志，但不以H3K27ac为标志）免受高度甲基化的影响。然而，与TET蛋白对调控区域的更普遍的保护作用不同，QSER1优先保护PRC2结合和H3K27me3标记的区域和DNA甲基化谷（DNA methylation valley, DMV）。

　　细胞谱系在发育、稳态和疾病期间的细胞命运决定中起着关键作用。然而，大多数现有的记录系统都依赖于测序来读出这些编辑，这必然会破坏组织。因此，科学家们需要一种能够准确地基于成像地在原位读出单细胞编辑历史和转录状态的记录系统。

　　为了解决这一挑战，美国研究人员开发出一种基于位点特异性丝氨酸整合酶（如Bxb1）的数字化、图像可读的谱系记录系统。这种称为intMEMOIR（integrase-editable memory by engineered mutagenesis with optical in situ readout）的系统引入了基于10个三态记忆元件阵列的设计。每个记忆元素都可以被数字化和不可逆地编辑，以产生理论上最多310（59049）个不同的编辑结果。这些数字状态可以使用荧光原位杂交（FISH）方法与内源性转录本一起被读出。此外，这些阵列可以在确定的基因组位点进行整合，以实现生殖系遗传性。编辑可以在不同的有机体和背景下操作，包括小鼠胚胎干细胞（mESC）和黑腹果蝇胚胎。相关研究结果发表在2021年4月9日的Science期刊。

　　intMEMOIR可以同时分析同一组织中的单细胞谱系、基因表达和空间结构。这种能力使得它能够直接捕捉其他隐藏的关系，如在这项研究展示的果蝇大脑发育的例子那样。intMEMOIR应当很容易适应其他的模型生物和发育背景。此外，通过增加更多的记忆阵列和正交整合酶，该系统可以扩展，以实现更深的谱系树重建和多个记录“通道”。因此， intMEMOIR应当有助于创建整合谱系和空间信息以及分子剖面的细胞图谱。