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Cell | I型干扰素驱动结核病易感性的早期细胞机制

I型干扰素是宿主抗病毒防御反应最重要的一类细胞因子，作用于I型干扰素受体发挥抗病毒作用。病毒合并结核分枝杆菌感染会加重结核病，但其机制尚不清楚。活动性肺结核与嗜中性粒细胞驱动的I型干扰素的反复诱导相关，但I型干扰素如何影响宿主控制细菌的机制仍未完全阐明。2023年12月7日，美国加州大学Dmitri I. Kotov团队等在杂志发表了题为“Early cellular mechanisms of type I interferon-driven susceptibility to tuberculosis”(doi：10.1016/j.cell.2023.11.002)的文章。该研究利用C57BL/6J背景基础上构建的–/–小鼠研究I型干扰素驱动的增加结核分枝杆菌易感性的细胞机制。SP140是表观遗传阅读器斑点蛋白家族的成员，在白细胞中广泛表达，是结核病超级易感性1(，)基因位点内控制结核分枝杆菌易感性的基因。–/–小鼠对结核分枝杆菌的易感性由I 型干扰素驱动，该小鼠模型能够很好地反映I型干扰素与人类活动性肺结核之间的联系。通过单细胞测序(single cell RNA sequencing，scRNA-seq)技术发现在感染结核分枝杆菌的小鼠以及非人灵长类动物体内，胞内I型干扰素主要由浆细胞样树突状细胞(plasmacytoid dendritic cell，pDC)以及间质巨噬细胞(interstitial macrophage，IM) 产生。其中，浆细胞样树突状细胞是信号传导通路中的重要传感器， I型干扰素的产生是一种早期和/或瞬态事件。通过流式细胞术发现：与–/–Ifnar1小鼠相比，–/–小鼠在感染结核分枝杆菌后，体内产生更多中性粒细胞，间质巨噬细胞以及单核细胞。此外，与C57BL/6 (B6)小鼠相比，–/–小鼠感染后表达细胞的数量增多。该研究团队通过在B6和–/–背景下将I-Tomcat小鼠与Ai6 Cre报告小鼠(I-Tomcat Ai6)杂交，结合流式细胞术，进一步探究I型干扰素产生的时间节点，发现结核分枝杆菌感染似乎并不是驱动IFNβ表达的主要因素，定位于富含结核分枝杆菌区域中的间质巨噬细胞提供了表达IFNβ所需的激活信号。为进一步探究浆细胞样树突状细胞是否影响对结核分枝杆菌的控制，通过遗传耗尽浆细胞样树突状细胞，即利用–/–小鼠与表达人BDCA2(blood dendritic cell antigen 2，也称为C-type lectin domain family 4 member C，简称CLEC4C)启动子驱动的白喉毒素(diphtheria toxin receptor，DTR)受体(pDC-DTR)的小鼠杂交，发现在–/–小鼠中，浆细胞样树突状细胞的耗尽恢复了对结核分枝杆菌的控制作用。机制上，内源性的Toll样受体(Toll-like receptor，TLR)能够识别来自嗜中性粒细胞胞外陷阱(neutrophil extracellular traps，NETs)的外源DNA分子，进一步激活浆细胞样树突状细胞产生I型干扰素。由浆细胞样树突状细胞产生的I型干扰素能够作用于间质巨噬细胞，并抑制这些细胞中IFN-γ的信号传导，损害IFN-γ介导的保护性作用，结核分枝杆菌得以增殖，并进一步招募嗜中性粒细胞，引起恶性循环，加剧结核病，促进活动性肺结核的发展。该研究以–/–小鼠为研究模型，再现了人活动性结核病的I型干扰素和嗜中性粒细胞的基本特征，解析了I型干扰素驱动的结核分枝杆菌易感性的新细胞机制。■推荐人：陈海琪，谢建平

Nature | 斑马鱼胚胎细胞无需受体就能接收来自远方的信号

在多细胞生物中，有效的细胞间通讯对于从单个受精卵到复杂成体的有序发育至关重要。化学信号传导是胚胎中细胞沟通的主要方式。在化学信号系统中，产生信号的细胞会产生一种分子(称为配体)，这种分子会被接收细胞上的特定受体蛋白检测到并与之结合——其功能类似于钥匙和锁。Wnt 信号系统就是一个例子，它是所有多细胞生物体中都存在的重要发育信号网络。例如，配体 Wnt5b(“钥匙”)可与其受体之一 Ror2(“锁”)结合，调节组织中细胞的定向和定向迁移；这两者对于胚胎体轴的组织都至关重要。然而，Wnt信号如何运输以激活发育过程中胚胎中的特定细胞仍不清楚。英国埃克塞特大学Steffen Scholpp实验室通过荧光蛋白标记斑马鱼中Wnt5b和Ror2，使得可以在高分辨成像的背景下示踪这些组分的运输。令人惊讶的是，该研究发现Wnt5b与产生Wnt5b细胞表面上的Ror2结合，然后配体-受体复合物在细胞突起(被称为 Cytonemes)上被运输到邻近的细胞(2023年12月20日在线发表，doi: 10.1038/s41586-023-06850-7)。Cytonemes是细胞膜的细长延伸，可以延伸数十微米以连接到远处的细胞，并在几分钟内缩回。作者使用荧光相关谱技术等定量成像技术来测量复合物在运输过程中的结合强度，并发现它们在整个运输过程中保持紧密结合。Cytonemes将复合物从产生的细胞运输到接收细胞；然后，在Cytonemes尖端形成包含复合物的小囊泡，释放并与接收细胞的膜融合。在此过程中，这些复合物保持其功能性，因为它们能够在到达时激活适当的细胞反应。值得注意的是，即使目标细胞缺乏功能性的Ror2受体，这种情况仍会发生。如果在组织水平上干扰携带有Wnt5b-Ror2复合物的Cytonemes将影响斑马鱼体轴汇聚和延伸过程中的细胞迁移。该研究发现了Cytonemes不仅能传递信号，还能传递其受体，对整个发育生物学领域具有重要意义。目前，对于细胞的反应能力(即细胞对信号做出反应的能力)的理解主要基于正确受体的可用性。因此，缺乏受体的细胞和组织往往被认为是不具有响应性。该研究表明，即使是不能表达受体的细胞，在通过Cytonemes介导的“配体-受体复合物”转移后也可能发生信号激活。这可能会促使人们重新评估仅根据受体的表达来描述有反应和无反应组织的传统概念。■推荐人：张文清

Nature |单细胞与空间转录组联合分析建立人肢体发育细胞图谱

肢体发育是由大量时空有序的基因表达程序协调控制，其基本机制已在模式生物中进行了大量的研究，但这些机制在人类胚胎肢体发育中是否保守尚缺少必要的研究，对人类肢体发育中的细胞分化动态变化也缺乏系统的表征。2023年12月6日，在线发表了中山大学医学院张宏波课题组和英国Sanger 研究所Sarah Teichmann团队合作完成的题为“A human embryonic limb cell atlas resolved in space and time”的研究论文(doi:10.1038/s41586- 023-06806-x)。该研究使用单细胞转录组学结合空间转录组学技术，从孕5～8周的人类胎儿个体取样，绘制了包含间充质、软骨、成骨、成纤维和平滑肌等细胞类型的人肢体发育细胞的连续演变图谱，基于该图谱识别并确定了肢体形成过程中相应细胞类型的特异表达基因。该研究还发现了人类肌肉发育的两个阶段，每个阶段都以不同的细胞状态为特征，由不同的基因表达程序调节，并确定了Musculin (MSC，或MyoR)是维持肌肉干细胞特征的关键转录抑制因子。最后，该研究比较分析了人和小鼠胚胎肢体的scRNA-seq数据，发现这两个物种之间肢体相关基因表达模式高度相似。该研究报道的首个人类肢体发育的单细胞图谱与详细的时空模型，为进一步跨物种研究四足动物肢体发育的调控机制提供了重要参考。■推荐人：刘华华，林古法

Nature Biotechnology | 腺嘌呤碱基编辑器ABEs再添“新利器”

导致人类疾病的点突变中约48%是由G到A碱基的转换，而腺嘌呤碱基编辑器(adenosine base editors，ABEs)可以将该突变纠正为G碱基，所以ABEs在人类致病基因修复中扮演者重要角色。ABEs最早是由有缺口酶活性的SpCas9(nickase)与来自大肠杆菌的tRNA对应的腺苷脱氨酶(TadA)形成融合蛋白，在sgRNA对应的位置，编辑特定的A碱基为G 碱基。在提高编辑效率方面，美国哈佛大学David R. Liu团队通过密码子序列优化等，成功构建了ABEmax，有效提高了碱基编辑效率(doi: 10.1038/nbt.4172)。他们在TadA的基础上引入额外突变，构建了ABE8e (doi: 10.1038/s41587-020-0453-z)。笔者也曾建立了一种高通量定向筛选系统并获得了多个具有高编辑活性的突变体，其中包括NG- ABEmax-KR突变体(doi: 10.1038/s41467-021-26211-0)。利用该编辑器调控基因剪接，发现可以激活非典型剪接并用于制备小鼠疾病模型(doi: 10.1016/j.jbc. 2023.105442)。在此基础，获得了保真性更好的NG-ABE9e (doi: 10.1016/j.ymthe.2022.07.010)。ABEs对靶位点选择很强(序列中靶碱基A紧邻5′碱基为T更为高效)，这限制着其使用。2024年1月2日，在线发表了两项ABEs的优化工具：美国芝加哥大学汤玮欣团队获得了具有识别范围更广的 ABE8r，靶碱基A紧邻5′碱基可以为A/G(即R碱基), 该发现有效拓宽ABEs编辑范围(doi: 10.1038/s41587-023-01994-3)；中国科学院天津工业生物技术研究所毕昌昊团队开发了不依赖脱氨酶的高效的碱基编辑工具(DAF-BE)，在哺乳动物细胞中可以实现C-to-G/T-to-G编辑(doi: 10.1038/s41587- 023-02050-w)。综上所述，ABEs技术在生物医学应用领域有着巨大潜力，以上成果为碱基编辑技术用于临床治疗和基础研究提供了强大的支撑。需要指出的是，尽管目前碱基编辑技术有了一定程度的改良，但仍然有不完善之处，因此研发高效/精准ABEs仍然是基础研究和应用(含临床转化)的重大需求。■推荐人：谷峰

Nature Methods | SEVtras解析单细胞转录组中液滴分辨率的胞外小囊泡

胞外小囊泡(small extracellular vesicle, sEV)通过生物活性内容物介导细胞-细胞通讯，在癌症进展等生理病理过程中发挥重要作用。研究表明在不同场景中，细胞释放的胞外小囊泡的数量和组成存在显著差异，并取决于合成模式、细胞类型和生理条件等因素。目前，该领域尚缺乏探索胞外小囊泡复杂异质性的高通量技术，决定胞外小囊泡分泌的细胞行为也有待解码。近期，中国科学院北京生命科学研究院赵方庆及冀培丰共同通讯作者在上发表了题为“SEVtras delineates small extracellular vesicles at droplet resolution from single-cell transcriptomes”的研究论文(2023年12月4日在线发表，doi: 10.1038/s41592-023-02117-1)。在该研究中，作者结合基于液滴的单细胞RNA测序(single-cell RNA sequencing, scRNA-seq)技术，设计了SEVtras算法，能够识别包含胞外小囊泡的液滴，并估算各个细胞的胞外小囊泡分泌活性(sEV secretion activity index, ESAI)。该算法分为两步，首先从公共数据库中审编胞外小囊泡关联基因集，再利用期望最大化(expectation–maximization, EM)技术推断单个液滴中胞外小囊泡的信号分值。通过模拟和真实数据的广泛评测，SEVtras能够高效识别包含胞外小囊泡的液滴，并在特定细胞类型中解析其分泌活性。作者将SEVtras算法用于4组肿瘤单细胞测序数据集，表明胞外小囊泡分泌活性ESAI可作为肿瘤进展的有效标识物，尤其在早期阶段。随着单细胞测序数据集的重要性和可获得性的日益增长，SEVtras可为细胞异质性研究提供有价值的胞外见解。■推荐人：薛宇

Nature Methods | 人类基因组纳米孔长读长测序揭示基于单倍型分型的基因组变异和甲基化的图谱

长读长测序技术在很大程度上克服了短读测序的局限性，但由于价格昂贵、可扩展性不足以及错误率太高，迄今为止未能完全替代短读长测序。美国UC Santa Cruz Genomics Institute (UCSC) 的Benedict Paten研究团队开发了一种基于纳米孔ONT长读长测序的高效且可扩展的湿实验室和计算分析方案Napu，旨在解决这些限制(2023年9月14日在线发表，doi: 10.1038/s41592-023-01993-x)。目前，该研究方案被运用于美国国立卫生研究院阿尔茨海默病研究中心的细胞系和脑组织样本测试，取得了较好的结果。通过PromethION™测序，对比F1分数，发现其在检测单核苷酸多肽变异与Illumina 短读测序能力相当。除了在检测小的聚集体和串联重复插入/缺失存在一定困难，对基因组其他变异的检测与Illumina indel展现出较好的一致性。研究者开发的分析方案在检测结构变异和从头组装有很好的效果，可以在兆碱基规模上对小变异和结构变异进行分型，并且能够高度精准地检测单倍型特异的甲基化位点。此工作开发了基于长读长测序的单倍型分型和表观遗传修饰检测的分析方案，研究成果有助于从单倍型层面上鉴定疾病相关的遗传变异，特别是结构变异与甲基化异常。通过一套长读长测序数据，从单倍型层面共同揭示疾病相关的基因组学和表观组学致病机理。■推荐人：夏露，夏昆