图1INTRODUCTION•✦研究介绍✦•研究背景Background　　在人体皮肤中，Merkel细胞和Ruffini末梢是两种机械感受器，分别位于表皮底部和真皮内部，在3D空间中密集分布。这种三维分布，可以使他们分别有效地感知皮肤的外力和应变。　　电子皮肤是一种仿生材料，模仿人类皮肤的触觉和感知功能。它通常由柔软的材料和集成的传感器组成，可以感知压力、温度、湿度等。虽然近年来有关电子皮肤的报道层出不穷，但它们都没有模仿机械感受器的三维空间分布。此外，在接近人类皮肤的空间分辨率下，法向力、剪切力和拉伸应变的解耦测量也仍然难以实现。研究意义Significance5月31日，清华大学张一慧教授课题组在《Science》上以研究论文形式发表了题为“A Three-Dimensionally Architected Electronic Skin Mimicking Human Mechanosensation”的研究成果。（图1）介绍了一种新型的三维电子皮肤(3DAE-Skin)，它模仿了人类皮肤中的机械感受器，能够将外部力量转换成电信号。3DAE-Skin通过其三维布局，实现了对法向力、剪切力和应变的解耦感知。研究团队采用了微制造技术和精确控制的机械组装，制造出了这种具有仿生三维构型的电子皮肤。3DAE-Skin的力和应变感知组件被安排在一个三维布局中，模仿了人类皮肤中的Merkel细胞和Ruffini末梢。这种设计使得3DAE-Skin能够通过简单的触摸同时测量物体的弹性模量和局部主曲率分量。（图2）图2HIGHLIGHT•✦研究亮点✦•技术亮点1仿生设计：模仿人类皮肤中Merkel细胞和Ruffini末梢的3D空间分布，设计出由力传感器和应变传感器组成的3D布局。2微细加工：采用转移印刷和机械引导组装技术，将2D电子器件组装成3D结构。3深度学习：训练深度神经网络模型，实现对物体接触力的空间分辨识别。RESULTS•✦研究结果✦•一、3DAE-Skin的仿生设计与制造　　3DAE-Skin由三层组成：表皮、真皮和皮下组织，每层的厚度和弹性模量都接近真实皮肤。感测组件和相关的电子电路主要嵌入在真皮层中，感测组件产生的信号通过数据采集和深度学习辅助的信号处理模块进行收集和处理。3DAE-Skin由功能性部分、基底和封装组成。功能性部分包括一个3D结构单元阵列，每个单元都与连接垫互连。每个3D功能单元采用九层结构，包括两层力感测层和两层应变感测层，以及封装每层感测层的五层聚酰亚胺(PI)。通过微制造技术，可以在预定义的平面布局中制造这种多层电子设备。转移印刷和机械引导组装技术使得2D电子设备能够转变为所需的3D配置。　　3DAE-Skin在单轴拉伸和压痕下的反应都在人类皮肤反应的典型范围内。由于异质封装策略利用非常柔软的材料来封装传感器和互连，3大皮肤也非常灵活和可拉伸，可以与假手的指尖兼容集成。（图3）图3二、3DAE-Skin的解耦感知机制和性能　　3DAE-Skin的解耦感知机制主要依赖于其独特的三维微观结构，力感测组件被安排在八臂网状结构上，将外部法向/剪切力转换为八臂网状结构上压阻式传感器的应变变化，每个臂上的压阻式传感器根据其所在位置和加载角度，对力的分量产生不同的响应。通过分析八臂笼状结构的静态平衡，可以将正常力和剪切力分量明确地联系到八个传感器的相对电阻变化上。通过这种方式，便可以独立地测量法向力和剪切力。　　随后，研究人员通过机械理论分析和有限元分析(FEA)，优化了传感器在臂上的位置，以实现较高的灵敏度和较大的线性范围。3DAE-Skin在压缩、剪切和拉伸测试中的响应性能定量地证明了3DAE-Skin的解耦传感能力。这种能力对于开发高级触觉系统非常重要，这些系统可以用于假肢、机器人和其他需要精细触觉反馈的应用中。（图4）图4三、3DAE-Skin的触觉系统3DAE-Skin的触觉系统能够创建一个空间-时间映射，可视化正常/剪切力和应变的分布。这种映射使用彩色八边形来表示力响应，颜色或大小表示正常力的大小，而黑色箭头或八边形的扭曲表示剪切力的大小和方向。（图5）图5通过结合深度神经网络(DNN)模型，3DAE-Skin的触觉系统能够实现超分辨率感知。DNN模型通过学习传感器的相对电阻变化与施加的正常力的位置和大小之间的关系，显著提高了力加载位置的预测精度。（图6）图63DAE-Skin的触觉系统还能够通过触摸同时测量物体（水果/面包）的弹性模量和主曲率分量。这为识别物体的软度和形状提供了重要信息，特别是在物体形状未知的实际情况下。也可用于长期监测物体的弹性模量和主曲率的变化，这对于评估食物的新鲜度或成熟度等应用非常有用。（图7）图7PROSPECT•✦应用前景✦•　　3DAE-Skin的先进设计和功能使其在多个领域具有广泛的应用前景，随着技术的进一步发展和完善，我们可以期待3DAE-Skin在未来的许多创新应用：1智能假肢和机器人技术：　　3DAE-Skin可以集成到智能假肢中，为截肢者提供更自然和敏感的触觉反馈，从而改善假肢的功能性和用户的使用体验。　　在机器人技术中，3DAE-Skin可以作为机器人手或其他接触式传感器的皮肤，提高机器人对环境的感知能力，使其能够更精确地执行任务，如物体操纵、精密装配等。2医疗和健康监测：　　3DAE-Skin可以用于监测患者的生理参数，如脉搏、血压和皮肤温度等。　　在远程医疗中，3DAE-Skin可以帮助医生进行远程诊断，通过触觉反馈模拟实际的医疗检查。3食品质量检测：　　3DAE-Skin可以用于检测食品的新鲜度和成熟度，通过测量食品的弹性模量来确定其质量。　　在食品加工和包装行业，3DAE-Skin可以帮助自动化机械更精确地处理易碎或柔软的食品。4可穿戴设备：　　3DAE-Skin可以集成到可穿戴设备中，为用户提供更加直观和个性化的交互体验。　　在运动和健身领域，3DAE-Skin可以监测运动员的动作和身体反应，提供实时反馈和训练建议。参考文献[1] Zhi Liu et al. ,A three-dimensionally architected electronic skin mimicking human mechanosensation.Science384,987-994(2024).DOI:10.1126/science.adk5556PROFILE张一慧清华大学，工程力学系 长聘教授　　致力于利用力学原理和多学科交叉解决世界科技前沿领域中的挑战性科学问题，当前的主要研究焦点是柔性微结构技术，侧重于发展能够重现或超越生物软组织力学/物理性能的结构化软材料，以及能够提供新功能或高性能的三维微电子器件。END文案 | 姜笑南排版 | 姜笑南发布｜姜笑南世界生命科学大会RECRUIT关注我们，获取生命科学学界前沿｜促进更多的学术交流与合作业界前沿｜促进更快的产品创新与应用政策前沿｜促进更好的治理实践与发展

图1INTRODUCTION•✦研究介绍✦•研究背景Background肿瘤细胞的快速增殖需求使得它们对其代谢状态进行重新编程，以获取更多的营养并加速分解代谢。传统的癌症治疗策略中，营养饥饿疗法通过降低循环中的葡萄糖和脂质水平，或者通过抗血管生成关闭肿瘤的营养供应，理论上可以限制肿瘤细胞的生长和转移。然而，这些策略的临床实践效果并不理想。肿瘤细胞强大的营养获取能力使得营养剥夺更多地损害正常细胞而非肿瘤细胞。      此外，高达80%的癌症患者存在不同程度的营养不良。营养缺乏不仅直接导致至少20%的癌症死亡，而且可能驱动癌细胞突变，使其对葡萄糖和脂质的捕食和代谢能力增强，变得更具有攻击性。因此，通过特异性干扰肿瘤代谢抑制肿瘤进展已经成为了当前研究的热点。研究目的Objectives戈谢病（Gaucher Disease, GD）是一种遗传性溶酶体储存障碍，由葡糖脑苷脂酶（GBA）的突变引起，其显著特征是葡萄糖基β-D-胆固醇（GlcChol）在溶酶体中异常积累，进而引发严重损伤。GlcChol 是胆固醇与葡萄糖糖基化作用的结果。鉴于肿瘤细胞与正常细胞在代谢特征上的差异，此研究的目的在于利用癌细胞对葡萄糖和脂质的高需求，诱导类似于GlcChol的积累，从而有效延缓肿瘤细胞的增殖。2024年5月13日，南京大学胡一桥团队在《Nature Nanotechnology》杂志发表题为“Nanoparticles for inducing Gaucher disease-like damage in cancer cells”的研究论文。（图1）RESULTS•✦研究要点✦•      该研究团队设计了一种由苯硼酸修饰的胆固醇（CholB）和白蛋白组成纳米粒子（AbCholB）。（图2）图2.AbCholB的制备过程。      白蛋白可通过脂蛋白受体（ LDLR） 将脂质货物运入细胞。CholB 进入癌细胞后释放出来与葡萄糖发生反应，生成与GlcChol相似的糖基化产物GlcCholB。GlcCholB 在溶酶体中积累并聚集成微米大小的晶体，导致溶酶体肿胀和类似 GD 的损伤。（图3）图3.AbCholB在癌细胞内诱导戈谢病样损伤的示意图。       此外，与GD细胞类似，哺乳动物雷帕霉素靶标（mTOR）的营养传感功能也会因癌细胞中GlcCholB的积累而被钝化。癌细胞失去了生存和增殖所需的营养感知能力，最终导致代谢功能障碍和细胞死亡。由于恶性细胞对葡萄糖和胆固醇的需求增加，它们会吞噬更多的AbCholB，并因此遭受更严重的GlcCholB积累和类似GD细胞的损伤。相比之下，正常细胞由于争夺营养的能力较弱，不会受到类似的损害。（图4）图4.AbCholB诱导GD样损伤抑制肿瘤生长和转移。DISCUSSION•✦研究讨论✦•研究亮点1此策略巧妙地模仿了戈谢病的损伤机制，将原本促进肿瘤细胞增殖的“营养”转化为抑制肿瘤细胞增殖的“毒物”。2与其他癌症靶向纳米颗粒不同，由于肿瘤细胞对营养的贪婪特性，这种方法具有高度的特异性，能够确保正常细胞免受损伤。参考文献Yue C, Lu W, Fan S, Huang Z, Yang J, Dong H, Zhang X, Shang Y, Lai W, Li D, Dong T, Yuan A, Wu J, Kang L, Hu Y. Nanoparticles for inducing Gaucher disease-like damage in cancer cells. Nat Nanotechnol. 2024 May 13. doi: 10.1038/s41565-024-01668-4. Epub ahead of print. PMID: 38740934.PROFILE胡一桥南京大学二级教授/博士生导师      在“生物材料与纳米生物学”领域从事多年研究工作，主持多项国家、省部级科研项目，包括国家重大科技专项（纳米专项），国家自然科学基金，江苏省支撑计划等。首创国际领先的“折叠/解折叠”生物材料纳米组装理论及技术，获得美国、欧洲、日本、中国等国授权专利10余项，相应产品获得国家药监局批准上市。END文案 | 张婷婷排版 | 张婷婷、姜笑南审核 | 姜笑南发布｜姜笑南世界生命科学大会RECRUIT关注我们，获取生命科学学界前沿｜促进更多的学术交流与合作业界前沿｜促进更快的产品创新与应用政策前沿｜促进更好的治理实践与发展

图1INTRODUCTION•✦研究介绍✦•研究背景Background      mRNA疫苗的首次出现可以追溯到20世纪末和21世纪初，但其在疫苗领域的实际应用和突破性进展主要集中在近年来，特别是在应对COVID-19大流行时期。目前，mRNA疫苗在各个领域的研究进展迅速，为传染病、肿瘤等疾病的治疗和预防带来了新的机遇和希望。　　近日，国际顶刊《Science》发布了一篇来自美国Harvard, MIT和麻省总院附属下的Ragon研究所的Facundo D. Batista 团队、William R. Schief 团队联合Scripps 研究所Andrew B. Ward 团队的研究论文，展示了又一重磅的mRNA疫苗，为mRNA疫苗技术在HIV预防中的应用开辟了新天地。（图1）研究意义Significance　　研究人员旨在利用mRNA技术诱导生成针对多种HIV亚型至关重要的广谱中和抗体（bnAbs）前体，为种系细胞靶向激活（germline targeting，GT）和递进式免疫策略在HIV疫苗开发上的可行性提供了证据。通过动物模型，研究者成功诱发了对HIV bnAbs的特异性免疫反应，开辟了开发有效HIV疫苗的新策略。KEYWORDS•✦关键名词✦•生发中心（Germinal Centers,GCs）      是脾脏和淋巴结中B细胞受抗原刺激后发生增殖、分化和抗体类别转换的特殊微环境。在适应性免疫反应(特别是在体液免疫)中扮演着至关重要的角色：1B细胞的亲和力成熟：在GCs内，B细胞通过与抗原的持续接触、T细胞的帮助以及与其他B细胞的竞争，经历体细胞超突变（Somatic Hypermutation, SHM）和抗体可变区的亲和力成熟，从而产生对抗原具有更高亲和力的抗体。2B细胞的选择和分化：GCs提供了一个环境，使得具有高亲和力BCR（B细胞受体）的B细胞得以存活和增殖，而低亲和力的B细胞则被淘汰。此外，GCs还促进B细胞向浆细胞或记忆B细胞的分化。3免疫记忆的形成：GCs有助于形成长期免疫记忆，其中记忆B细胞可以在再次遇到相同抗原时迅速响应，而浆细胞则负责产生大量的抗体以应对当前的感染。4抗体类别转换：在GCs，B细胞还可以经历抗体类别转换（Class Switch Recombination, CSR），改变其产生的抗体类型（如从IgM转换为IgG），以适应不同的免疫需求。RESULTS•✦研究结果✦•一、N332-GT5三聚体蛋白有效激活BG18前体      BG18是针对HIV-1病毒包膜蛋白（Env）上V3环上的甘露糖结构的一种人源化抗体。这种抗体能够有效地中和多种HIV病毒株，是一种bnAbs。研究者利用人源化小鼠模型BG18 gH，来研究疫苗免疫原N332-GT5蛋白三聚体诱导激活的免疫生物学。　　通过流式细胞术分析，发现在未免疫的小鼠中，17.4%的naïve B细胞能够特异性结合N332-GT5，远高于野生型(WT)小鼠。此外，通过表位特异性Fab与GT5和其前身GT2的解离常数(Kd)测量，发现GT5与Fab的结合亲和力远高于GT2。这表明人源化的naïve B细胞在BG18gH小鼠模型中能够结合GT5，并且具有更高的亲和力。通过采用转移的CD45.2 KI BG18gH或WT小鼠到CD45.1 WT动物中，研究者们进一步证实了GT5三聚体蛋白能够特异性地激活BG18 iGL前体，并且这种激活在低频率的BG18前体中也能高效发生。（图2）图2二、N332-GT5蛋白三聚体驱动BG18前体亲和力成熟　　研究者们发现，通过GT5三聚体蛋白免疫的BG18gH小鼠在16和42天检测点时，血清IgG滴度显著高于对照组。通过负染色电子显微镜多克隆表位图谱(nsEMPEM)分析，发现BG18和WT小鼠的血清多克隆抗体(pAb)都接近GT5的V3-糖蛋白表位，但采用了不同的结合姿态。　　此外，通过冷冻电镜EMPEM(cryoEMPEM)获得的高分辨率结构表明，BG18 pAbs通过长的HCDR3与GT5蛋白在V3环底部的保守Gly-Asp-Ile-Arg (GDIR)基序接触，而WT pAb-GT5的相互作用集中在V1环和工程化的糖蛋白空缺处。　　研究者们还观察到在GCs中，GT5免疫后42天的B细胞展示了持续的体细胞超突变(SHM)，这表明GT5三聚体蛋白不仅激活了稀有的BG18gH前体，还促进了它们的亲和力成熟。（图3）图3三、增强免疫原B11和B16　　研究者们设计了两种增强免疫原B11和B16，它们旨在最小化与V1环直接的鼠抗体的交叉反应。　　研究发现，在N332-GT5启动后，BG18类前体抗体获得了对B16和B11增强剂的可检测亲和力，尽管这些亲和力增益远小于GT5。在GT5三聚体蛋白免疫后56天，小鼠接受了5mg的B11或B16三聚体蛋白增强免疫，分析在增强后65天进行。增强后的GCs比仅启动的动物大几倍。这表明B11和B16增强剂能够显著增加GCs的大小，同时保持BG18前体的参与。（图4）图4四、B11和B16促进BG18gH B细胞发生广泛的SHM　　研究者们在B11和B16蛋白增强后35天(即启动后77天)分离了B11和B16 CD45.2结合物，用于B细胞受体(BCR)测序。观察到在CDRs中积累的突变，并且通过增强的SHM推动了增强细胞在第77天的显著多样化。这种多样化导致了大约一半的Fab测量出在B11增强后对B11的亲和力增加，以及在B16增强后对B16的类似部分Fab的亲和力增加。（图5）图5　　其中，"Fab"指的是抗体的抗原结合片段（Fragment of antigen binding），是抗体识别并结合特定抗原表位的关键部分。Fab片段可以作为免疫反应的一部分，通过与抗原结合，调节免疫细胞的活动，影响免疫应答的强度和类型，抗体的特异性主要取决于Fab片段的可变区结构。五、N332-GT5前体激活机制      gp151是指的HIV-1病毒包膜糖蛋白 (Env)的gp120和gp41两个亚基。在疫苗开发中，gp120或gp140常被用作免疫原，目的是激发宿主产生针对HIV-1病毒的中和抗体。研究人员使用先前报道的膜结合gp151三聚体格式，进行了10mg GT5膜结合三聚体mRNA的免疫实验，并在14、28和56天检测点分析了响应。     GT5-mRNA疫苗产生了强大的GCs，这些GCs一直持续到56天检测点。GCs由大量CD45.2 BG18gH B细胞组成，这些细胞在56天时有所下降。大约一半的CD45.2s在所有分析日期的GCs中是表位特异性结合物。通过mRNA作为膜锚定免疫原传递的GT5触发了强烈且持久的体液反应，其免疫原性与蛋白三聚体相似，但可能更可取。它产生了持久的GCs和类似的突变图谱，且负染色电子显微镜多克隆表位图谱（nsEMPEM）结果表明与碱基的脱靶结合较少，这是疫苗设计中的一个积极结果，有助于确保疫苗引发的免疫应答尽可能接近理想状态。（图6）图6六、mRNA启动-mRNA增强方案效果　　在确定了B11和B16蛋白三聚体作为GT5后增强免疫原的有效性以及GT5 mRNA启动相对于GT5蛋白三聚体的免疫原性之后，接下来的研究是发掘膜锚定三聚体对mRNA递送的启动-增强方案的反应，研究人员建立了与蛋白增强剂相同的高频受体模型。发现在增强后的第58天和第78天，增强的GCs比仅启动的动物大得多，并且维持到第78天。因此，mRNA-LNP是引物-增强方案的有效替代递送系统。（图7）图7　　为了表征mRNA引物- mRNA增强序列驱动的多样性，研究人员在增强后36天(即第78天)分离了CD45.2+ B细胞表位特异性结合物，用于单细胞BCR测序。发现LC的使用被限制在一组小鼠κ链中。HCs表现出比GT5 mRNA启动单独时更高的SHM频率，并且CDRs富集了氨基酸突变。此外，已知的bnAb HCDR1突变之外，其他极性和带电残基的突变在HCDR1中也很常见。研究人员还测试了两个在B11 mRNA增强后36天分离的抗体(B11_d78.08和B11_d78.10)，它们对B11有很高的亲和力，测试了它们中和V1环修饰的假病毒的能力。这些抗体能够中和两种V1修饰的假病毒，但它们不能中和WT BG505_T332N病毒，表明mRNA增强的抗体是功能性的，但还没有获得中和完全原生假病毒所需的SHM质量，原生假病毒的中和将需要进一步的BCR修饰。（图8）图8DISCUSSION•✦研究讨论✦•　　HIV的遗传多样性以及广泛中和抗体（bnAbs）的共同进化事件是疫苗开发的主要障碍，此次研究不仅证实了mRNA疫苗平台的强大功能和应用灵活性，也为将来的医疗突破带来希望。　　在这项研究中，研究人员评估了GT免疫原N332-GT5的效力，还评估了它的首次增强免疫原候选物B11和B16。无论是以蛋白质三聚体还是mRNA-LNP的形式传递，GT5都可以有效地启动免疫反应。且mRNA-LNP与蛋白质三聚体相比，可能减少了对非目标表位的结合，表明mRNA-LNP可能是解决HIV疫苗开发中一些主要挑战的有效策略，强调了其在HIV疫苗开发中的潜力，并指出了未来研究的方向。参考文献[1] Zhenfei Xie et al. ,mRNA-LNP HIV-1 trimer boosters elicit precursors to broad neutralizing antibodies.Science384,eadk0582(2024).DOI:10.1126/science.adk0582PROFILEFacundo D. Batista麻省理工学院和哈佛大学拉贡研究所的第一任副主任和科学主任，也是麻省理工学院生物学的第一位 Phillip T. 和 Susan M. Ragon 教授。　　2016 年加入了 Ragon 研究所，开始了一项新的研究计划，将他在 B 细胞和抗体反应方面的专业知识应用于疫苗开发。他在该研究所的部分工作涉及对具有人源化BCR的小鼠进行基因工程。使用 CRISPR/Cas9 进行了重大技术创新，大大简化建造动物模型的流程，这些动物模型可用于候选疫苗的快速临床前测试。END文案 | 姜笑南排版 | 姜笑南发布｜姜笑南世界生命科学大会RECRUIT关注我们，获取生命科学学界前沿｜促进更多的学术交流与合作业界前沿｜促进更快的产品创新与应用政策前沿｜促进更好的治理实践与发展

图1INTRODUCTION•✦研究介绍✦•研究背景Background　　肠道细菌因其直接影响宿主生理，在人类健康和疾病中发挥重要作用，一直是生命科学研究的热门领域。最近的研究表明，肠道细菌组成、宿主表型和与性和应激相关的类固醇激素水平之间存在相关性。但肠道细菌化学修饰类固醇的方式以及由此产生的代谢物如何影响宿主健康仍不清楚。　　近日，哈佛医学院A. Sloan Devlin等人在《Cell》发表论文《Gut bacteria convert glucocorticoids into progestins in the presence of hydrogen gas》。表明肠道细菌产生的主要气体氢气（H2）可以促进肠道微生物组的高度还原性代谢和次生代谢物的产生，揭示了肠道细菌将一类宿主产生的类固醇转化为另一类具有不同生物学功能的类固醇的机制。（图1）研究意义Significance　　此次研究重点是糖皮质激素转化为孕激素的肠道细菌。先前已有报告表明，肠道中黄体酮的形成依赖于微生物群。研究人员探究了肠道微生物群如何进行还原性21-去羟基化并将人胆汁中丰富的糖皮质激素(特别是THDOC)转化为黄体酮，特别是四氢黄体酮(THPs)。发现人类肠道细菌Gordonibacter pamelaeae 和 Eggerthella lenta将3α5αTHDOC转化为THPs。还发现氢气的产生是促进21-去羟基化的必要和充分条件。　　研究人员使用比较基因组学以及同源和异源表达来鉴定THP产生菌株中的一个基因簇，该基因簇在体外和体内共同定殖GF小鼠中负责21-去羟基化活性。此外，发现含有该基因簇的细菌在妊娠后期升高。总之，这些研究揭示了肠道细菌转化类固醇的机制。为未来研究细菌孕激素产生如何影响宿主生理，特别是在怀孕期间和怀孕后的工作奠定了基础。（图2）图2METHODS•✦研究方法✦•本文综合运用了细菌培养、分析化学、基因组学、转基因表达、动物实验和统计分析等多种方法，系统地研究了肠道细菌将皮质醇转化为孕激素的机制。RESULTS•✦研究结果✦•一、THPs的产生与富集　　研究人员开发了一种基于超高效液相色谱(UHPLC)的UHPLC-MS/MS串联质谱方法。该方法能够分离皮质激素和黄体酮异构体，可以在生物样品中分别定量THDOC和THP异构体。　　SPF雄性小鼠对比发现，GF雌性小鼠粪便中THPs的总水平显著降低。通过对人胆汁进行靶向皮质激素谱分析，从平均浓度推测，3α5αTHDOC可能通过21-去羟化转化为孕激素3α5αTHP或异孕酮。　　为了验证肠道细菌是否能将3α5αTHDOC转化为THPs，研究人员分别用小鼠和人的相关粪便样本与3α5αTHDOC共培养，结果表明，小鼠和人类肠道细菌都可以21-去羟基化3α5αTHDOC产生孕激素。（图3）图3　　孕晚期孕妇粪便中的THP水平比男性和未怀孕女性粪便中的THP水平高出两个数量级，同时可检测到黄体酮和孕烯醇酮。（图4）图4二、21-去羟基化3α5αTHDOC的细菌　　研究人员试图从人类粪便微生物群落中分离和表征21-去羟基化的细菌物种。首先发现21-去羟基化活性依赖于培养基中精氨酸(Arg)的存在。通过粪便菌群的培养和正交试验，获得了可以催化21-去羟化反应的菌株，Gordonibacter pamelaeae DSM 19738。　　随后，发现将Gordonibacter pamelaeae DSM 19738与肠道共生菌E. coli Nissle 1917 (EcN)一起培养可显著提高其活性，而EcN本身不能21-去羟基化。　　还发现多个Eggerthella lenta菌株在与EcN共培养中也产生了不同水平的THP。说明E. lenta同样可以21-去羟基化3α5αTHDOC，且该活性是由EcN诱导的。（图5）图5三、EcN诱导21-去羟基化的潜在机制　　参考先前文献，研究人员通过实验证明了氧化还原电位的差异与21-去羟基化活性相关。但添加氧化还原剂或者氧化酶的方法，并不会导致21-去羟基化。　　在孵育48小时后对E. lenta 14A和EcN单培养物和共培养物进行了扫描电子显微镜(SEM)成像，观察到共培养物中的21-去羟基化作用。共培养过程中，E. lenta 14A与EcN之间没有明显的物理相互作用，说明两种细菌之间的诱导21-去羟基化并不需要接触。　　研究人员将真空过滤和注射器过滤（保留气体）的EcN单培养48 h的无菌上清液加入E. lenta 14A。发现只有注射器过滤的上清液才能诱导大肠杆菌21-去羟基化。这提示可能是EcN产生了一种气体，从而产生了相应的作用。　　　进一步实验证实，该气体就是氢气(H2)。在含H2的厌氧环境下,E.lenta即使单独培养也表现出强的21-去羟化活性；而缺乏产H2能力的E.coli突变株则不能诱导E.lenta的21-去羟化。　　另外，在pamelaeae或E.lenta 14A和EcN共培养中，检测到增效产氢，表明协同效应可能是共培养条件下21-去羟化大幅增强的原因。研究人员还量化了人类粪便群落中H2气体的产生，与此前报道相符，人类微生物群落可以是H2气体的净生产者，并进行21-去羟基化。（图6）图6四、支持21-去羟基化的基因簇　　比较基因组学分析，发现所有21-去羟化菌株都含有四个基因簇Elen_2451 - Elen_2454。进一步的研究发现，Elen_2453被标注为一个依赖于钼的钼酸盐氧化还原酶，并表明该酶可能是该簇中的主要酶单位。在簇中的其他基因中，Elen_2452被注释为4Fe-4S铁硫结合域蛋白，可以作为电子载体将电子传递给氧化还原酶；Elen_2451被标记为甲酸脱氢酶家族附属蛋白FdhD；Elen_2454被标记为一个SPFH结构域带7家族蛋白。　　同源和异源表达研究验证了该基因簇在赋予21-去羟基化活性中的作用。Elen_2451 - 2453编码的蛋白质能够使非生产者G. uro进行21-去羟基化，而Elen_2454对于该生物体的21-去羟基化活性必不可少。（图7）图7五、21-去羟基化菌群在孕妇中富集　　宏基因组测序显示，怀孕受试者粪便中菌群丰度有所提高。差异属水平丰度的组成分析表明，Gordonibacter是怀孕供体样本中唯一显著富集的属，而Bacteroidetes门成员Bernardetia在非怀孕供体粪便中的丰度更高。在差异丰度的补充测试中，通过基于装配的分类分析确定的Eggerthella和Gordonibacter属的总水平在孕妇中明显高于非孕妇。还发现，Elen_2451-2454同源物的归一化基因丰度在妊娠供体的粪便中明显更高。此外，THPs浓度与Elen_2451-2454同源物的丰度呈正相关。这些数据表明，在怀孕后期，含有Elen_2451-2454簇的细菌水平较高，微生物组可能有助于在晚期孕妇的胃肠道中观察到高水平的THPs。（图8）图8六、体内验证实验　　研究人员将妊娠供体P7的粪便微生物群移植(FMT)到雌性GF小鼠中。随着时间的推移，可以观察到THPs的微生物产量持续增加。体内实验表明，孕妇体内的微生物群足以在胃肠道中产生THPs。　　当含21-去羟化基因簇的E.lenta菌株在与E.coli共定殖无菌小鼠肠道后，也可诱导粪便中THP水平升高。将GF小鼠与生产者E. lenta 14A(含簇菌株)和EcN或非生产者E. lenta A2(缺乏簇菌株)和EcN共定殖，得到的数据为Elen_2451-2454基因簇负责21-去羟基化活性的假设提供了额外的支持。（图9）图9DISCUSSION•✦研究讨论✦•　　通过对21-去羟基化的探索，研究人员发现了氢气在促进肠道细菌次级代谢中的作用。在此之前，很少有报道讨论氢气如何影响肠道微生物代谢。不过，氢气是如何促进21-去羟基化的，这是一个有待于进一步研究的问题。研究人员提到，未来的研究需要在严格的厌氧条件下使用纯化的酶复合物来确定氢气促进21-去羟基化的确切机制。　　另外，产生的代谢物3α5βTHP，也被称为依他诺酮，是GABAA受体的正变构调节剂和甘氨酸受体的负变构调节剂。具有麻醉和抗焦虑作用。虽然不是目前的治疗药物，但也可能潜在地影响宿主的神经系统。　　更广泛地说，这项研究可能会激发未来研究细菌类固醇代谢对宿主的影响。该数据为人类肠道微生物组作为一个额外的内分泌器官的假设提供了更多的支持——肠道细菌产生生物活性代谢物，并影响激素稳态和宿主信号传导过程。参考文献[1] Gut bacteria convert glucocorticoids into progestins in the presence of hydrogen gas.McCurry, Megan D. et al.Cell, Volume 0, Issue 0PROFILEA. Sloan Devlin哈佛医学院生物化学和分子药理学系的副教授　　于 2016 年秋季加入哈佛医学院生物化学和分子药理学系。目前的工作重点是利用有机化学、分析化学、生物化学、微生物学、细胞生物学和无菌动物模型体内实验方面的专业知识来了解人类肠道细菌如何促进健康和疾病。END文案 | 姜笑南排版 | 姜笑南发布｜姜笑南世界生命科学大会RECRUIT关注我们，获取生命科学学界前沿｜促进更多的学术交流与合作业界前沿｜促进更快的产品创新与应用政策前沿｜促进更好的治理实践与发展

图2INTRODUCTION•✦研究介绍✦•研究背景Background　　2024年5月24日，最新一期《Science》中有关大脑的专题，为我们展现了PsychENCODE联盟的研究者们在人类精神疾病研究中取得的一系列最新进展。（图1）图1　　与压力有关的疾病源于遗传易感性和压力暴露之间的相互作用，发生在整个生命周期中。渐渐地，这些相互作用导致人类基因组中的表观遗传修饰，塑造基因和蛋白质的表达。先前的死后脑部研究试图以单组学方式阐明创伤后应激障碍 （PTSD） 和重度抑郁症 （MDD） 与神经典型对照 （NC） 的分子病理学，揭示基因组重叠、性别差异以及免疫和中间神经元信号转导参与。然而，如果没有综合系统方法，理解这些普遍和衰弱疾病的分子基础的进展就会受到阻碍。　　　专题中一篇名为《Systems biology dissection of PTSD and MDD across brain regions, cell types, and blood》的文章，研究了PTSD和MDD的分子病理学，通过整合多区域、多组学分析，揭示了遗传易感性和压力暴露之间的复杂相互作用。（图2）研究意义Significance　　研究人员创建了一个患有 PTSD 和 MDD 和 NC 的个体的大脑多区域、多组学数据库，研究包括杏仁核中央核 （CeA）、内侧前额叶皮层 （mPFC） 和海马齿状回 （DG）三个大脑区域在转录组学、甲基组学和蛋白质组学水平的分子改变。还对超过50,000名英国生物样本库参与者的脑血交叉进行了分析，并与PTSD和MDD的全基因组关联研究结果的精细映射相结合，以区分风险因素和疾病过程。研究数据表明，这两种疾病存在相同和特异的分子病理学，并提出了潜在的治疗目标和生物标志物。（图3）图3METHODS•✦研究方法✦•本文采用了一种综合的系统生物学方法1组学分析：对样本进行了转录组学、甲基化组学和蛋白组学分析，包括基因表达、外显子表达、剪接位点表达、转录本表达、CpG甲基化、蛋白和肽段表达。2统计分析：使用多种统计方法分析组学数据，包括差异表达分析、甲基化差异分析、蛋白质组学差异分析、通路富集分析、多组学因子分析、基因网络分析等。3基因组关联分析：结合PTSD和MDD的全基因组关联研究（GWAS）数据，探究疾病风险和疾病过程基因的交集。RESULTS•✦研究结果✦•一、PTSD和MDD的多区域、多基因组特征　　研究人员对疾病组和NC的细胞类型进行荟萃分析，揭示了两种疾病的多区域、多组性的改变(PTSD，图4；MDD，图5)。图4图5　　大多数通过5%错误发现率(FDR)水平的差异基因表达(DGE)信号在PTSD和MDD的mPFC中都被发现，其中差异表达基因(DEGs)和外显子最为显著。　　在其他脑区，PTSD在DG存在甲基化差异，而MDD在CeA存在甲基化差异。同时，与MDD相比，PTSD的差异表达蛋白(DEPs)和肽略少。两种疾病都存在免疫相关通路的改变，但具体通路和细胞类型存在差异。通过计算PTSD和MDD中FDR显著的不同基因，这些发现得到了进一步证实。二、组学相关性　　在主要的PTSD和MDD分析中，发现在基因、蛋白、MDD肽和外显子跨区域对、CeA-DG对上的PTSD外显子、DG-mPFC对上的PTSD肽和CeA-DG对上的MDD CpGs上存在中度相关性。　　研究人员又进行了亚分析，以区分生理性别和儿童期创伤或自杀死亡的病例。分析显示，性别差异在MDD中更为明显。MDD的男性特异性分析与MDD的主要分析显示强烈相关性。　　此外，在这两种疾病中，儿童期创伤和自杀在两种疾病中都驱动了分子变异，对儿童创伤和自杀的分析显示出与各自的主要分析有很强的相关性。在所有这些分析中，蛋白质和多肽的相关性最低。　　这些观察结果证实了这些因素在整体疾病效应中的作用，并表明不同的多组学特征可能是女性PTSD和MDD发病过程的基础。此外，还强调了表观遗传数据在区分两种疾病方面的重要性(见图4G和图5G)。三、多区域、多组学特征的功能标注　　为了确定疾病相关途径，研究人员基于基因本体(GO)跨组学进行了基因集富集分析(GSEA)。根据每个模态的显著性对途径进行排序，揭示了两个性状中组学层的聚类。在大脑区域内，组学之间的通路显示不存在或弱相关性。不同的组学信号参与不同的途径，并且在组学中，基于转录组学的途径往往在区域和性状之间最为保守。　　转录组学和蛋白质组学特征的空间标注，突出了破译细胞类型特异性的重要性。（图6）图6四、从多区域、多组特征中优选顶级基因和通路　　研究人员整合了基因组特征、大脑区域和性状中的FDR显著信号，共计4469个基因(2677个PTSD、2970个MDD和1178个共享基因)。根据以下三个标准中的至少一个来对这个基因库中的顶级基因进行优先排序:i)多区域，ii)多组，iii)多性状重叠。得到367个合格的基因，被称为“顶级基因”。　　这些基因以及相关通路在多个区域、多个层面上都显示出与疾病的显著关联。这为理解这两种复杂疾病的分子机制提供了深入的见解，并为疾病的诊断、治疗和预防提供了潜在的靶点。五、多区域、多因子视角　　研究人员还揭示了基于RNA的上调、蛋白质的下调免疫相关途径的跨越区域和疾病。这些富集的通路涉及TNF受体超家族的成员，即顶级基因TNFRSF1A，该基因在神经细胞中受GC调控。　　研究还提出了一些潜在的治疗靶点和生物标志物，包括免疫调节剂、神经递质调节剂等。这些发现为疾病的诊断、治疗和预防提供了重要的信息。六、细胞类型特异性　　多组学分析揭示了神经元和非神经元细胞类型在这两种疾病中的明显参与。DEG突出免疫和ECM通路，主要在非神经元外皮质层和轻脑膜。在MDD中，蛋白质的改变在富含神经元的深层更为突出，而甲基化途径的改变影响了两种疾病的神经元过程。此外，snRNA-seq分析显示，神经元和非神经元细胞类型的转录组学都发生了显著变化，揭示了以前未报道的变化。潜在的细胞类型特异性途径显示了区分两种疾病的潜力。DISCUSSION•✦研究讨论✦•　　遗传易感性和下游生物学之间的动态相互作用贯穿整个生命周期。该调查揭示了童年创伤对与这两种疾病相关的风险位点的持久影响，重度抑郁症和创伤后应激障碍与神经退行性疾病有共同的机制通路。　　数据表明，系统生物学方法对于理解应激相关疾病(如PTSD和MDD)背后的脑回路分子改变的复杂性是必要的。将来自多个大脑区域的多组学与其他分子数据相结合，可以确定特定的基因和调控机制。在开发信息丰富的生物标志物和发现潜在的治疗策略时，捕捉这些细微差别至关重要。参考文献[1] Nikolaos P. Daskalakis et al. ,Systems biology dissection of PTSD and MDD across brain regions, cell types, and blood.Science384,eadh3707(2024).DOI:10.1126/science.adh3707PROFILEKerry J. Ressler麦克莱恩医院/哈佛医学院　　Ressler博士的实验室专注于转化研究，将动物模型中的分子神经生物学与人类对情绪的基因研究联系起来，特别是恐惧和焦虑症。他发表了 350 多篇手稿，从恐惧处理的基本分子机制到了解情绪如何在动物模型和人类患者的大脑中称为杏仁核的区域编码。END文案 | 姜笑南排版 | 姜笑南发布｜姜笑南世界生命科学大会RECRUIT关注我们，获取生命科学学界前沿｜促进更多的学术交流与合作业界前沿｜促进更快的产品创新与应用政策前沿｜促进更好的治理实践与发展