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本期研究【Volume 184 Issue 11, 27 May 2021】

1. 用于小鼠原肠胚形成的单胚胎，单细胞时间分辨模型

2. 通过剪接体抑制捕获并维持小鼠全能干细胞【杜鹏@北京大学】

3. 亲本基因组的联合在哺乳动物胚胎中极易出错

4. 新生RNA的动态成像揭示了转录动力学和随机剪接位点选择的一般原理

5. 线粒体胞吐是由迁移体介导的新型的质控过程【俞立@清华大学】

6. 脊椎动物细胞差异解释睫状和额外的cAMP

7. SARS-CoV-2刺突结合抗体逃逸途径的高分辨率分析

8. SARS-CoV-2的P.1株逃避抗体

9. Fab二聚化聚糖反应性抗体是天然抗体的结构类别

10. 石质珊瑚细胞图谱阐明了珊瑚共生，钙化和免疫的分子和细胞基础

11. 单细胞蛋白质活性分析鉴定复发相关的肾肿瘤巨噬细胞

封面：代表不同海洋生态系统的珊瑚礁正面临全球气候变化和海洋酸化的重大威胁。在本期中，Levy，Elek等人（2973-2987）生成了石质珊瑚Stylophora pistillata的单细胞转录组图谱，并描述了调节珊瑚共生，免疫和石质骨架形成的分子和细胞程序。封面图像显示了Eilat reef海湾的石珊瑚Stylophora pistillata的殖民地，它是最丰富的珊瑚物种之一。S.pistillata是一种分枝珊瑚，沿着树枝分布着许多几毫米大小的微小息肉。与其他石质珊瑚一样，它形成了许多生物的栖息地和庇护所，如图片中的黄色Dascyllus marginatus。

1. 用于小鼠原肠胚形成的单胚胎，单细胞时间分辨模型

A single-embryo, single-cell time-resolved model for mouse gastrulation

小鼠胚胎发育是研究哺乳动物细胞命运获得的规范模型系统。最近，单细胞地图集全面绘制了胚胎转录景观图，但在这些地图集上推断细胞的协调动态仍然具有挑战性。在这里，作者介绍了小鼠原肠胚形成的时间模型，该模型由跨越36小时分子多样化的153个单独采样的胚胎的数据组成。使用算法和精确的时间，作者推断胚胎转录流形上的分化流和谱系规范动态。快速转录分叉表征早期特化节点和血细胞。然而，对于大多数谱系，作者观察到组合多分叉动力学，而不是分层转录转换。在中胚层中，数十种转录因子组合调节分叉，正如作者使用Foxc1/Foxc2突变体的时间匹配嵌合胚胎所举例说明的那样。作者的研究拒绝了由一系列二元选择支配的分化概念，为细胞命运获取提供了另一种定量模型。

2. 通过剪接体抑制捕获并维持小鼠全能干细胞【杜鹏@北京大学】

Mouse totipotent stem cells captured and maintained through spliceosomal repression

自第一胚胎干细胞（ESC）建立以来，具有胚胎和胚外发育潜力的体内卵裂球在功能和分子上可比较的全能细胞的体外培养一直是一个挑战。在这里，作者报告说，小鼠胚胎干细胞中的剪接体抑制驱动多能到全能状态的转变。使用剪接抑制剂pladienolide B，作者实现了在分子水平上与2细胞和4细胞卵裂球相当的全能ESC的稳定体外培养，作者称之为全能卵裂球样细胞（TBLC）。结合单细胞RNA测序（scRNA-seq）的小鼠嵌合测定证明TBLC具有强大的双向发育能力以产生多种胚胎和胚外细胞谱系。从机制上看，剪接体抑制引起多能基因的广泛剪接抑制，而含有少量短内含子的全能基因被有效剪接和转录激活。作者的研究提供了捕获和维持全能干细胞的手段。

3.亲本基因组的联合在哺乳动物胚胎中极易出错

Parental genome unification is highly error-prone in mammalian embryos

大多数人类胚胎是非整倍体。非整倍体经常在胚胎的早期有丝分裂期间出现，但其起源仍然难以捉摸。在原核界面聚集核仁的人类受精卵被认为更可能发育成健康的整倍体胚胎。在这里，作者显示亲本基因组与人类和牛受精卵内每个原核中的核仁聚类，并且聚类是受精后亲本基因组可靠统一所必需的。在完整原核迁移期间，亲本基因组在由中心体，动力蛋白，微管和核孔复合物驱动的过程中彼此极化。母系和父系染色体最终聚集在原核界面，彼此直接接近，但分离。亲本基因组聚类确保亲本基因组在核膜破裂上的快速统一。然而，聚类经常失败，导致染色体分离错误和微核，与健康的胚胎发育不相容。

4. 新生RNA的动态成像揭示了转录动力学和随机剪接位点选择的一般原理

Dynamic imaging of nascent RNA reveals general principles of transcription dynamics and stochastic splice site selection

RNA聚合酶和剪接体的活性是造成人类细胞中mRNA丰度和同工型组成异质性的原因。但是，尚未描述这些巨大的酶复合物在内源基因上协同工作的动力学。在这里，作者建立了一个准基因组规模的平台，用于实时观察单个新生RNA分子的合成和加工动力学。作者发现所有观察到的基因都显示转录爆发。作者还观察到单个细胞中单个内含子的内含子去除动力学变化很大，这与确定性剪接位点选择不一致。U2AF复合物的转录组范围足迹，新生RNA分析，长读测序和套索测序进一步揭示了内含子内广泛的随机递归剪接。作者提出并验证了一个统一的理论模型来解释转录的一般特征和普遍的随机剪接位点选择。

 5.线粒体胞吐是由迁移体介导的新型的质控过程

Mitocytosis, a migrasome-mediated mitochondrial quality-control process

需要清除受损的线粒体以维持线粒体库的质量。在这里，作者报告了线粒体胞吐，是由迁移体（migrasome）介导的线粒体质量控制过程。作者发现，暴露于轻度线粒体应激后，受损的线粒体被转运到migrasomes中，随后从迁移细胞中处置掉。从机制上讲，有丝分裂需要将受损的线粒体定位在细胞外围，这是因为受损的线粒体避免与向内运动蛋白结合而发生的。在功能上，有丝分裂在维持线粒体质量中起重要作用。增强的有丝分裂保护细胞免受线粒体应激物诱导的线粒体膜电位（MMP）和线粒体呼吸的损失；相反，阻断有丝分裂导致正常情况下MMP和线粒体呼吸的丧失。在生理学上，作者证明有丝分裂是维持体内嗜中性粒细胞中MMP和活力所必需的。作者提出，有丝分裂是迁移细胞中重要的线粒体质量控制过程，它将线粒体稳态与细胞迁移联系起来。

6.脊椎动物细胞差异解释初级纤毛额外的cAMP

Vertebrate cells differentially interpret ciliary and extraciliary cAMP

Hedgehog通路成分和选择的G蛋白偶联受体（GPCR）定位于初级纤毛，初级纤毛是专门用于信号转导的细胞器。作者调查细胞是否区分睫状和extraciliary GPCR信号。为了测试睫状体和睫状体外环AMP（cAMP）是否传达不同的信息，作者设计了光遗传学和化学遗传学工具来控制cAMP产生的亚细胞位点。在斑马鱼和哺乳动物细胞中产生等量的睫状和细胞质cAMP表明，睫状cAMP而非细胞质cAMP抑制了刺猬信号传导。建模表明，纤毛和细胞体的不同几何形状差异激活局部效应子。对效应子的搜索确定了蛋白激酶a（PKA）的睫状池。阻断睫状PKA的功能，但不阻断睫状PKA，激活Hedgehog信号转导并逆转睫状cAMP的作用。因此，细胞使用功能和空间上不同的PKA池区分睫状和睫状cAMP，并且不同的cAMP亚细胞池传达不同的信息。

7.SARS-CoV-2刺突结合抗体逃逸途径的高分辨率分析

High-resolution profiling of pathways of escape for SARS-CoV-2 spike-binding antibodies

定义对SARS-CoV-2的长期保护性免疫是作者这个时代最紧迫的问题之一，需要详细了解这种病毒可能演变为逃避免疫保护的潜在方式。免疫保护很可能是由与病毒进入蛋白spike结合的抗体介导的。在这里，作者使用噬菌体DMS，一种全面询问所有可能突变对结合感兴趣蛋白质的影响的方法，使用冠状病毒病2019（COVID-19）定义抗体逃逸到SARS-CoV-2 S蛋白的概况。）恢复期血浆。抗体结合在两个区域中是常见的，融合肽和七肽重复区域2上游的接头区域。然而，逃逸突变在这些免疫显性区域内是可变的。在较不常见的靶向表位中也存在个体差异。该研究提供了潜在抗体逃逸途径的颗粒视图，并表明抗体介导的病毒进化中将存在个体差异。

8.SARS-CoV-2的P.1菌株逃避抗体

Antibody evasion by the P.1 strain of SARS-CoV-2

终止SARS-CoV-2大流行依赖于泛全球疫苗接种。目前的疫苗引发针对来自早期分离株的病毒穗的中和抗体应答。但是，出现了具有多个突变的新菌株，包括来自巴西的P.1，来自南非的B.1.351和来自英国的B.1.1.7（峰值分别为12、10和9个变化）。所有这些都在ACE2结合位点具有突变，其中P.1和B.1.351具有几乎相同的三联体（E484K，K417N/T和N501Y），作者证明了它们对ACE2具有相似的增加的亲和力。作者显示，令人惊讶的是，与B.1.351相比，P.1对天然获得性或疫苗诱导的抗体应答的抗性显着降低，表明受体结合结构域（RBD）之外的变化影响中和。尽管与两个ACE2结合位点突变相互作用，单克隆抗体（mAb）222中和所有三种变体。作者通过结构分析来解释这一点，并使用222轻链在很大程度上恢复对一类主要公共抗体的中和效力。

9.Fab二聚化聚糖反应性抗体是天然抗体的结构类别

Fab-dimerized glycan-reactive antibodies are a structural category of natural antibodies

天然抗体（Abs）可以靶向病原体表面的宿主聚糖。作者使用糖基化HIV-1包膜（Env）作为模型抗原研究了恒河猴和人的聚糖反应性B细胞的进化。2G12是广泛中和的Ab（bnAb），其使用独特的重链（VH）结构域交换结构靶向地理上不同的HIV-1菌株的Env上的保守聚糖贴片，其导致片段抗原结合（Fab）二聚化。在这里，作者描述了没有来自猿猴-人免疫缺陷病毒（SHIV）感染的猕猴的VH交换结构域的HIV-1 Env Fab二聚化聚糖（FDG）-反应性bnAb。FDG Abs还识别不同病原体上的细胞表面聚糖，包括酵母和严重急性呼吸综合征冠状病毒2（SARS-CoV-2）峰值。FDG前体在猕猴中被带有聚糖的免疫原扩增，并且在HIV-1幼稚的人类中丰富。此外，FDG前体主要是突变的IgM+IgD+CD27+，因此表明它们起源于经历过抗原的IgM+或边缘区B细胞库。

10.石质珊瑚细胞图谱阐明了珊瑚共生，钙化和免疫的分子和细胞基础

A stony coral cell atlas illuminates the molecular and cellular basis of coral symbiosis, calcification, and immunity

石质珊瑚是殖民地刺胞动物，可维持地球上生物多样性最强的海洋生态系统：珊瑚礁。尽管它们具有生态重要性，但对造礁珊瑚生物学基础的细胞类型和分子途径知之甚少。使用单细胞RNA测序，作者在Stylophora pistillata的整个生命周期中定义了超过40种细胞类型。作者发现专门的免疫细胞，作者揭示碳酸钙骨骼形成的发育基因表达动态。通过同时测量珊瑚细胞及其内藻类的转录组，作者描述了双方共生中涉及的代谢程序。作者还通过多个刺胞动物细胞型地图集的系统发育整合来追踪这些珊瑚细胞特化的演变。总的来说，这项研究揭示了石珊瑚生物学的分子和细胞基础。

11.单细胞蛋白质活性分析鉴定复发相关的肾肿瘤巨噬细胞

Single-cell protein activity analysis identifies recurrence-associated renal tumor macrophages

透明细胞肾癌（ccRCC）是一种异质性疾病，术后病程可变。为了组装全面的ccRCC肿瘤微环境（TME）图谱，作者对来自未治疗的ccRCC切除的肿瘤和肿瘤邻近组织的造血和非造血亚群进行了单细胞RNA测序（scRNA-seq）。作者利用VIPER算法定量单细胞蛋白质活性，并通过与流式细胞仪比较验证了该方法。该分析确定了关键的TME亚群，以及它们的主要调节因子和候选细胞-细胞相互作用，揭示了临床相关群体，基因表达分析无法检测到。具体而言，作者发现了肿瘤特异性巨噬细胞亚群，其特征在于TREM2/APOE/C1Q的上调，通过空间分辨，定量多光谱免疫荧光验证。在大型临床验证队列中，这些标志物在手术后复发的患者的肿瘤中显着富集。因此，该研究将TREM2/APOE/C1Q阳性巨噬细胞浸润鉴定为ccRCC复发的潜在预后生物标志物，以及候选治疗靶标。