本周,我们将讨论如何在出生前对胎儿基因组进行测序,孕妇如何保护婴儿免受免疫攻击,以及如何利用降雨绘制季节性疟疾地图和改进药物治疗规划。我们还会听到干细胞如何导致血管疾病,发现一种提高阅读障碍患者阅读能力的数字方法,以及探索高尔迪雀丰富多彩的个性!
在这一集里
婴儿的基因组在出生前根据母亲的血液进行了测序
研究人员利用一位怀孕中期的母亲的血液,成功地对这位母亲未出生孩子的完整基因组进行了测序。
写日记科学转化医学西雅图华盛顿大学,科学家Jay Shendure和他的同事发表了他们的方法,通过将母体血液中的DNA片段拼凑在一起,来读取发育中的婴儿的基因蓝图。
据Shendure说,这种方法的完成成本约为5万美元,涉及基因测序的三个不同阶段。
首先,从唾液样本中提取的DNA被用来编译父亲的完整基因组指纹,而从母亲外周血中的白细胞中提取的DNA提供了母亲的序列。对于这位母亲,研究人员还煞费苦心地破译了她23对染色体中的每一对的DNA序列——这被称为单倍型——这样他们就确切地知道了彼此相邻的DNA序列。
然后,研究小组还对来自母体血液样本的无细胞血浆中含有的DNA进行了测序;在怀孕的这个阶段,超过10%的DNA来自胎儿。
这产生了一系列的序列,其中一些是母体的,另一些是胎儿的。但由于研究人员详细了解了母亲的DNA序列,以及父亲的DNA序列,因此有可能挑选出并重新组装胎儿的DNA代码。这也意味着39种仅由发育中的婴儿携带的新基因变化(突变)也被预测到了。
为了验证他们的结果,研究人员将他们的序列与孩子出生后采集的脐带血液样本产生的孩子基因组进行了比对。
该程序的准确性超过98%,这意味着它可以作为一种微创的遗传筛查手段,而不存在与羊膜穿刺术或绒毛膜绒毛取样测试相关的流产风险。
尽管这项研究使用的是妊娠18周的样本,但据Shendure说,只要通过进行更多的测序反应来弥补较低的循环胎儿DNA水平,就有可能在妊娠早期获得同样的结果。
但这不是既成事实。Shendure解释说:“目前还不现实,因为做母亲的单倍型需要付出很多努力。”“但我们正在努力。”
沉默基因保护“外来”胎儿
不要介意穿不寻常的衣服或说难以理解的俚语,你的孩子可能是“外国人”的感觉早在他们十几岁的时候就开始了,早在子宫里就开始了。因为发育中的胎儿是由携带父母基因的细胞组成的,它应该被母亲的免疫系统识别为外来入侵者并被摧毁。事实并非如此,几十年来,发育生物学家一直是个谜。但现在,纽约大学医学院的阿德里安·埃尔勒巴赫和他的团队在《科学》杂志上发表了新的研究结果,最终揭示了胎儿是如何免受这种潜在的致命攻击的。他们的发现不仅有助于解释怀孕失败的原因,而且还可以扩展到改善器官移植或治疗更不受欢迎的生长,即癌症。
正常情况下,当我们的身体检测到外来物质,比如移植的器官,它会在入侵者周围开始炎症反应,产生一种叫做趋化因子的信号分子。这些趋化因子吸引被称为t细胞的致命免疫细胞,t细胞开始攻击并摧毁外来组织。这就是为什么移植患者服用抑制免疫系统的药物是如此重要。
为了找出为什么母亲的身体不会将自己的孩子标记为外来物,科学家们将注意力转向了一种名为蜕膜的结构——一种特殊的“屏障”组织,它包裹着发育中的胎儿及其胎盘,并以小鼠为模型系统。他们发现,通过一种被称为表观遗传修饰的化学“标记”,蜕膜中的趋化因子基因被关闭了,因此那里没有招募杀伤性t细胞。这个免疫“死区”意味着胎儿在成长过程中免受免疫攻击。
目前这项研究只在老鼠身上进行,所以科学家们需要确认同样的基因沉默是否也在人类身上起作用。但如果是这样的话,这可能会对我们理解为什么有些怀孕失败,甚至为什么有些妇女早产或患有先兆子痫等并发症产生重大影响。
癌症的主要问题是它起源于我们自己的细胞,所以我们的免疫系统很难识别和摧毁肿瘤细胞。可能有一种类似的机制可以保护发育中的胎儿免受免疫攻击,也可以帮助癌症避免破坏,但显然这需要进一步研究。这项研究的结果也可以为其他领域打开大门,包括器官移植和自身免疫性疾病,所以看到它在未来的发展将是非常令人兴奋的。
季节性疟疾地图
马特·凯恩斯,伦敦卫生和热带医学学院
同样在本周,伦敦卫生和热带医学学院的科学家们开发了一种新工具,可以帮助他们确定非洲最容易受到疟疾流行影响的地区。知道这些地方在哪里意味着预防疟疾的努力可以集中在这些疾病热点地区,这将节省资金和数千人的生命。马特·凯恩斯领导了这项研究……
疟疾是非洲最大的杀手之一,尤其是孕妇和5岁以下儿童。世界卫生组织目前的估计显示,非洲每年有1.7亿疟疾病例,可能有60万人死亡,所以这是一个非常大的问题。
克里斯:那么,考虑到疾病的负担,我们如何进行干预以减少这些数字呢?
马特:我们研究的是一项名为“季节性疟疾化学预防”(SMC)的新策略,它涉及在雨季给所有五岁以下的儿童提供为期三天的抗疟疾药物疗程,每月一次。在使用这种方法的地方,效果非常好,每10个疟疾病例中就有8个被预防,重要的是,同样数量的严重疟疾病例,儿童实际上需要住院治疗。但要从研究走向现实世界,我们需要知道它的应用范围有多广。因此,在这项研究中,我们的目标是确定这种方法在非洲可能有用的地区。通过确定非洲的部分地区,在那里,大多数疟疾病例发生在一年中的几个月内,我们可以了解这种每月给药三到四个月的方法是最有效的。
Chris:因为你知道哪里有一个相当受限的疾病活动区是至关重要的,因为这意味着你可以有效地把资源投入到那里。如果它在一个非常大的区域内相当分散,而且疾病活动的高峰不是很紧,那么干预就会困难得多。
马特:没错,所以,我们正在努力克服的问题是,在非洲的大部分地区,我们实际上并没有关于一年中疟疾模式的可靠信息。但我们发现,在几个月内疟疾病例最多的地区往往有相当独特的降雨模式。在这些地方,大部分的年降雨量都在2到3个月内,这是因为传播疟疾的蚊子依赖于死水繁殖。因此,在雨季短暂,旱季漫长的地区,蚊子只会在几个月内大量出现。因此,我们意识到,我们可以利用降雨量来了解疟疾病例在一年内的模式,而在我们实际上没有这些信息的地区,我们可以利用非洲所有地区的降雨量信息来绘制疟疾病例模式可能适合这种季节性药物预防的地区。
克里斯:那么耐药性的问题呢?因为这是抗疟药的一个主要问题,不是吗?
马特:是的。因此,在目前将要使用这种药物的地区,对计划使用的两种药物的耐药性很小,这两种药物是磺胺多辛乙胺嘧啶和阿莫地喹的组合,在西非的大部分地区,这些药物仍然非常有效,这就是为什么这些药物被选择用于该策略。
Chris -基于这个分析,哪些领域适合这种干预,你在哪里使用药物,因此它能影响多少人?你能防止多少疟疾病例和生命的丧失?
马特:我们确定了非洲的两个地区,首先是萨赫勒地区和萨赫勒以南地区,这是一条从西非的冈比亚和塞内加尔一直延伸到东部苏丹部分地区的宽阔地带,这条地带实际上包含了非洲疟疾病例最多的一些地区。其次,根据降雨模式,非洲南部和东部还有一个相当大的地区可能适合这种方法,在我们进行研究之前,这一点并没有得到广泛的认可,我们正试图更详细地研究这一点。就有效性而言,我们发现约有4000万儿童生活在适合使用这种方法的地区,其中约有2500万儿童生活在疟疾负担非常重的萨赫勒和萨赫勒以南地区。就实际影响而言,我们试图对可以预防的病例和死亡人数保持现实态度,而不是乐观。所以,例如,我们假设如果药物是可用的,并不是每个孩子都必须每月接受药物治疗,我们也试图在药物的有效性方面谨慎行事。但即使我们采取谨慎的方法,我们仍然发现,你可能能够每年预防1000万疟疾病例和5万人死亡。所以这种新方法的潜在影响真的很令人兴奋。
贫穷国家能负担得起这种干预策略吗?
马特:是的,药物本身并不贵,实际上,一年中治疗一个孩子三到四个疗程的费用大约是1.5美元到2美元,所以并不贵。这些国家可能需要来自全球抗击艾滋病、结核病和疟疾基金或美国总统疟疾倡议的一些支持才能开始这样做。所涉及的成本不是特别大,当然,与其他疟疾控制工具相比,这是一件合理的有价值的事情。
克里斯:最后,马特,如果我们继续投入资金来帮助这些人,那当然很好,但如果再次出现经济衰退,情况会变得更加紧张,人们会说,“我们负担不起继续支持这些了。”所以他们不会把钱投进去。那些在年轻时通过你的策略预防了疟疾的人成年后又会怎样呢?他们是否有可能患上更严重的疾病,死亡率可能反弹,甚至更高?
马特:这是迄今为止的研究都在仔细研究的问题。尽管这显然需要持续的监测因为大多数的研究都是在这段时间内进行的,最多3到4年。所以有一个担忧,如果这个过程持续很长一段时间,可能会有问题。但这些担忧也会出现在杀虫剂处理过的蚊帐中,因为这实际上是一个类似的想法,你会减少儿童接触的数量。对经过杀虫剂处理的蚊帐进行的长期跟踪试验表明,尽管成年人或大一点的儿童患疟疾的几率可能会略有增加,但这远远超过了你在儿童时期预防的疟疾。因此,成本效益分析仍然倾向于使用这些预防方法。
改写动脉疾病
一项新的研究表明,潜伏在动脉壁上的一种被忽视的细胞可能是导致心脏病发作和中风的血管疾病的原因透露。
写在自然通讯美国加州大学伯克利分校的科学家唐振宇和他的同事们发现,一种以前被忽视的干细胞,他们称之为MVSC——多能血管干细胞,可能是动脉粥样硬化形成过程背后的确凿证据。
在此之前,科学家们一直认为,当血管内壁受到糖尿病、吸烟或高血压等因素的损伤时,在血管周围形成循环涂层的平滑肌细胞开始增殖,形成一个凸起,慢慢阻塞动脉。
但是,当唐和他的团队使用一系列化学标记来检查动脉和静脉壁上细胞的特征时,他们发现了一小群隐藏在肌肉中的非肌肉细胞。
他们发现,这些细胞显示出成为干细胞的所有迹象,能够产生大量不同类型的组织,甚至包括骨骼、神经支持细胞和软骨。当他们在实验动物的血管中造成损伤时,研究小组发现,实际上这些干细胞正在增殖,并产生动脉阻塞的凸起,这是动脉粥样硬化斑块的特征。
研究小组推测,干细胞以前可能被忽视了,因为它们也会产生新的肌肉细胞,所以当研究人员过去检查动脉标本并看到肌肉的增殖时,他们得出结论,肌肉本身必须负责。
重要的是,这些MVSCs也存在于人类动脉中,它们的发现可能为更好地管理动脉疾病的一系列新方法打开大门,并可能解释许多血管病变,包括,鉴于它们倾向于转化为骨细胞,一些血管病变的特征是钙化。
智能水泵和鸟类丰富多彩的个性
Johan Auwerx,法国联邦理工学院;帕特里克·汤姆森,牛津大学;帕多瓦大学Marco Zorzi;克劳迪娅·梅特克·霍夫曼,利物浦约翰·摩尔大学
消除肥胖
牛奶中的一种蛋白质可以防止肥胖和糖尿病,还可以提高身体的耐力。
当给高脂肪饮食的老鼠喂食烟酰胺核苷蛋白时,发现它通过进入细胞并增加线粒体(细胞的动力)的活性来改善新陈代谢,从而防止体重增加和II型糖尿病。
有一天,这种蛋白质可能会成为一种补充剂,但由于它存在于包括面包和啤酒在内的一系列食物和牛奶中,因此在那之前,多样化的饮食是关键。
来自法国联邦理工学院的Johan Auwerx领导了这项研究科学。
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“智能”窟er泵
根据发表在《水文信息学》杂志上的一项研究,移动电话正被用于改善非洲农村地区的供水。
牛津大学的Patrick Thomson开发了包含数据传输器的“智能”水泵,这些水泵利用非洲各地日益普及的移动网络,在水泵发生故障时发送短信。
该技术利用水泵手柄的运动来估计其流量,并在流量受损时将数据发送回中央办公室,以便安排维修。今年晚些时候,肯尼亚将引进70台水泵。
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提高阅读障碍患者的阅读能力
增加字母之间的间距可以显著提高有阅读障碍的人的阅读能力。
写日记PNAS帕多瓦大学的马可·佐齐(Marco Zorzi)让94名患有阅读障碍的法国和意大利儿童分别阅读标准和双倍行距的文字,结果发现,扩大行距能使他们的阅读准确性提高一倍,阅读速度提高20%。
研究小组认为,这种间距克服了“拥挤”的问题,即字母被其他字母紧密包围,使它们更难识别。
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个性丰富多彩
最后,高氏翅雀的性格可以通过其头部的颜色来预测。
研究人员对40只澳大利亚野生濒危鸟类的性格进行了三个方面的测试:冒险、攻击性和面对陌生物体时的胆识、捕食鸟类的轮廓和获取食物的受限。
来自利物浦约翰摩尔大学的克劳迪娅·梅特克-霍夫曼领导的研究小组发现,红头雀在获取食物时往往表现出更强的攻击性,而黑头雀则更大胆、更冒险。
这项研究本周发表在《科学》杂志上动物行为。
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