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《热点领域前沿进展》旨在为大家在构思国自然的过程中，于科学假设之科学问题要素模块提供创新思路，科学问题的新颖性也是整个项目创新评价的一个部分，剩余两个承担创新使命的要素是靶分子和机制的创新性。
当前期工作已经获得了靶分子相关的文章基础，想设计科学问题的嵌套结构来提升创新性时，老谈讲解的过去一年顶级期刊的创新学术观点就能成为激发灵感的火花。
在上周的课程里，老谈主要介绍了肿瘤领域的进展，而今天就要介绍其他领域内的突破性学术进展。今天的主要内容可以分为以下七部分（下滑可看文章主要内容）：
在生物学发展过程中，技术的进步起了非常重要的作用。随着基因编辑技术的不断完善，我们也有了很多种方法去敲除特定的目标基因。常用的敲除方法有两种，第一种是基因的Knock-out技术，第二种是RNAi技术。
Knock-out是一种DNA层面的基因敲除技术，而RNAi干扰技术则是在mRNA层面的基因敲减技术。但是直接在蛋白层面上的敲减技术，到目前来讲还没有被发展出来。在一项研究中，作者发展出了一种叫Trim-Away的方法，不需要事先对基因组或mRNA进行任何修饰，就可以直接降解内源性蛋白。
由于这项技术起效时间非常短，几分钟之内就利用细胞自带的蛋白降解机制去除细胞内内源性的蛋白。所以采用这项技术可以避免细胞内出现代偿性的现象，也能非常有效地避免细胞内出现非特异性效应积累的现象。
我们不能小看技术对于科学进步的推动作用，在早期的时候采用的是基因敲除的技术，从基因组层面敲除特定的基因，虽然非常有效，但是基因操作的整个步骤非常复杂。随后进一步产生了RNAi的干扰技术，使得敲除特定基因表达变得非常容易，在后来又出现了包括Talen技术，CRISPR-Cas9等技术。
目前这项Trim-Away技术还处于整项技术比较早期的阶段，也许它还有各方面的缺点，但是我相信随着技术的进步，未来Trim-Away技术可能也会像RNAi技术一样，成为我们研究蛋白功能的常规技术。所以我建议大家对于这项技术突破保持关注。
国自然的热点领域当中有一个热点领域广泛的受到大家的关注，那就是肠道菌群的研究。我们在这里介绍两篇肠道菌群方面的研究。第一篇论文发表在Nature Microbiology上，主要研究的是由亲代通过跨代际的方式把肠道菌群传递给子代的现象。
在本项研究中采用的是抗生素干扰的方式，改变了肠道的微生物菌群。把正常的肠道菌群和受到干扰的肠道菌群分别接种到怀孕的小鼠体内。研究人员的研究结果发现，那些由抗生素引起的微生物菌群干扰的母鼠，它们所产下的幼崽尽管从来没有接触过抗生素，但是它们体内的肠道微生物在肠道中表现出了失衡的状态，主要表现为肠道菌群多样性的降低，这种失衡的状态可以持续到21周之久。
在整项研究过程中，怀孕的母鼠以及它所产下的幼崽都从来没有直接接触过抗生素，但是受到抗生素干扰而形成的肠道菌群却可以在代际之间进行传递，而且可以在幼崽体内持续非常长的时间。
这项研究指出，抗生素的使用必须非常的慎重，因为抗生素不仅会对使用者产生影响，甚至还可以通过生殖影响到下一代，在代际之间发生效应的传递。
第二篇关于肠道菌群的文章是发表在Science杂志上的。这项研究发现，从口腔中来源的微生物菌群可以进入小鼠的肠道内，从而引发辅助性T细胞的反应和肠道炎症。
我们关注的第三部分是糖尿病研究，在这一部分当中我们还是会讨论两篇文章。虽然胰岛素敏感疗法可以预防和治疗糖尿病，但是这些疗法也产生了很多的不良反应。在Cell杂志上有一项研究发现了一系列针对FOXO的小分子抑制剂，这类小分子抑制剂不会引起这些副作用，因此这类小分子抑制剂有可能会成为下一代胰岛素增敏剂，用于治疗糖尿病。
第二篇关于糖尿病的文章是从低热量饮食这个角度切入的，动物模型的研究已经证明了低热量饮食（VLCD）和减肥手术一样能非常有效地降低血浆中葡萄糖的浓度。II型糖尿病患者在进行减肥手术结合低热量饮食疗法之后，所能产生的效果很可能都是通过低热量饮食而获得的，但是产生这种效果的分子机制并不清楚。
在Cell Metabolism上有一项研究显示，低热量饮食通过三种效应的结合，影响了肝脏葡萄糖代谢，从而改善了II型糖尿病患者的病情。研究人员应用了一种被称之为位置异位核磁共振示踪剂分析的方法（PINTA方法），在II型糖尿病大鼠模型中，检测了所有和体内葡萄糖代谢相关的重要代谢通路的速率，评估了低热量饮食对于这些代谢通路的影响，从而使研究人员对于肝脏代谢形成一个整体性的理解。
低热量饮食第一降低了肝脏部位肝糖原分解的速率，第二降低了乙酰辅酶A依赖的丙酮酸羧化酶，它降低了乳酸和氨基酸，通过糖异生作用而转化为葡萄糖的速率。第三，减少肝脏的脂肪堆积，抑制了DAG和PKC介导的肝脏部位的胰岛素抗性。未来在设计治疗II型糖尿病的治疗方法时，如果能够同时针对上述三种信号通路，将有望获得更加好的治疗效果。
第四部分我们讨论的是肥胖研究。虽然在肥胖中巨噬细胞可以介导脂肪组织的炎症，但是巨噬细胞参与到去甲肾上腺素调节的热生成过程中的作用和机制仍不清楚。交感神经元参与介导了去甲肾上腺素的清除，同时在小鼠动物模型当中已经被证实参与介导了肥胖的产生。
在2017年Nature Medicine的一项研究中，发现一类特殊化的巨噬细胞，这类巨噬细胞能够直接和交感神经元相互接触，并参与介导肥胖的产生。这类巨噬细胞展现出和脂肪组织巨噬细胞截然不同的形态学特征，它们也能够通过清除去甲肾上腺素的机制从而导致肥胖。交感神经结合巨噬细胞和它所介导的下游信号通路很可能成为治疗肥胖的有效的药物靶点。
吃得太多又缺少体育锻炼是导致肥胖的主要原因，但遗传学的因素同样不可忽视。在2017年的PNAS论文当中，研究人员发现脂肪组织内肥胖易感基因ANK2编码的蛋白AnkB的功能异常会增加细胞摄取葡萄糖的量，也会增加细胞内脂肪的合成，最终导致细胞发生肥大。
AnkB突变的小鼠会消耗更多的葡萄糖，并且在脂肪组织和横纹肌部位表达更高葡萄糖转运体4。通过这项研究，研究人员还在AnkB功能缺失的脂肪细胞内发现了7个AnkB的突变，这些突变都能够导致细胞发生肥大。AnkB的这些突变很有可能是造成人类肥胖的重要原因之一。
第五部分我们讨论的是胃肠病学和肝病学领域。在Nature Genetics上有一项新的研究，使用了来自炎症性肠病ABD的患者的基因组数据，转入组数据和临床数据来模拟疾病的基因网络，揭示了组织中免疫相关基因表达的具有保守性的关键调控作用因子的功能。
GWAS研究已经广泛开展，并且被用来寻找和克罗恩病以及溃疡性结肠炎相关的遗传变异。让人遗憾的是，虽然有超过200个相关的基因位点被发现，但是这些遗传变异只能解释很小的一部分炎症性肠炎的遗传性。含有这些位点的基因在炎症性肠炎发病过程中的因果关系仍然并不是特别清楚。
本项研究的作者就把GWAS相关数据和组织特异性的遗传数据，还有疾病的病理相关数据进行一个整合，并分析了相关的结果。把来自于炎症性肠炎（IBD）患者组织样本的基因组和转录组数据整合到一起而形成的一个网络数据模型，帮助研究人员发现对疾病的病理和生理过程都发挥重要作用的新基因核心的调控因子。
研究人员采用了三类来源于不同疾病进展阶段的样本，第一类是从未接受过治疗的儿童样本；第二类是对于抗TNF疗法产生耐受的样本；第三类是进展期炎症性肠病的患者样本。总共发现了133个关键驱动基因，其中有5个从来没有被报道过，它们可以和炎症性肠炎相关。作者认为炎症性肠炎ABD网络建模可以探索与特定疾病相关的不同分子机制，可以通过这些方法寻找在早期或者晚期或者对于治疗产生抗性的炎症性肠炎中关键的调控基因。
第二项研究发表在Nature Medicine之上。这项研究表明在肥胖中可以激活肠道低氧诱导因子(HIF-2α)信号，促进小鼠肝内形成脂肪肝。因此HIF-2α很可能成为人类对于非酒精性脂肪性肝病（NASLD）一个很有前景的治疗靶标。
目前对于非酒精性脂肪性肝病还没有一种安全且有效的药物治疗方式，肥胖是非酒精性脂肪性肝病的一个危险因素。这项研究则证实了肠道内的缺氧诱导因子神经酰胺的代谢以及非酒精性脂肪性肝病之间的关联。
第六部分我们讨论肾病学研究，第一篇文章发表在PNAS上，通过RNA测序，也就是RNA-seq的技术，已经可以对肾脏内的绝大部分类型的细胞进行高通量转录组学研究。肾集合管细胞在肾脏当中起到的作用虽然非常的重要，包括对于血压的调节，对于细胞外液体积的调控，以及细胞外液组分的调控等等。但是由于肾集合管细胞在整个肾脏当中所占的比例非常的低，细胞数量也非常少，所以到目前为止还没有通过RNA测序的技术去研究过肾集合管细胞整个细胞内的转录组学。
通过对高通量测序结果的数据分析，研究人员发现基因在3类亚类细胞当中的表达是有比较明显差异性的，甚至有些基因只在某种特定的亚类细胞内特异性的表达。这些有表达特异性的基因，包括了细胞表面的受体，还包括了一些转录因子转运体以及一些分泌性蛋白。
这些实验结果提示了在肾集合管内的3种不同亚类细胞之间存在着非常强的Cross talk现象。最后研究人员还把RNA测序结果所获得的基因表达数据放到网上，构建了一个可以公开访问的数据库。
第二项研究发表在Science Translational Medicine杂志上，肾脏可以分泌红细胞生成素，这种由肾脏分泌的红细胞生成素对于造血系统而言是一种非常重要的激素，在患有慢性肾病的患者体内肾细胞分泌红细胞生成素的能力会逐渐下降，最终导致患者产生严重的贫血。虽然可以通过注射人的红细胞生成素来治疗贫血，但是这些疗法也依然会存在很多的限制，效果也并不尽如人意。
所以在这篇文章当中，研究者就报道了可以诱导产生一类多能干细胞（IPS细胞），这类IPS细胞能够分泌功能性的红细胞生成素，而且研究者还证实了，把这一类能够分泌红细胞生成素的细胞移植到小鼠体内，可以显着的缓解肾性贫血。红细胞生成素主要是由肾脏产生并且分泌的，但是在发育过程以及在严重贫血条件下，肝脏也能够分泌，并且形成红细胞生成素。
在整项研究当中，研究人员就通过IPS诱导多能干细胞分化，形成肝脏系的能够分泌红细胞生成素的细胞。在体外培养条件下，研究人员发现，由IPS诱导而成的细胞可以有效地产生并分泌红细胞生成素。这些细胞在低氧条件下，或者在使用了PHD抑制剂的条件下，这类细胞产生并分泌红细胞生成素的速率还会增加，这些结果说明IPSC是通过缺氧诱导因子PHD信号通路，从而产生了红细胞生成素。
由这些IPS细胞产生的红细胞生成素，诱导了人类脐带血祖细胞的体外分化，其诱导的效果与重组人红细胞生成素的效果是相似的。而且由IPS分化形成的能够产生红细胞生成素的这类细胞，再移植到慢性肾病的小鼠体内后，能显着的改善慢性肾病小鼠的肾性贫血现象。
第七部分我们讨论心血管疾病的研究。第一篇文章发表在Nature杂志上，纤维化是心脏疾病当中非常常见的病理现象。在心脏当中心脏的纤维化会导致心脏内机械功能和电生理功能方面的紊乱。TGF-β1是主要的促进纤维化的因子，简单地抑制TGF-β1的功能，虽然能有效阻断心脏的纤维化，但是也会带来很多意想不到的副作用。
研究人员认为在成纤维细胞内TGF-β1下游的效应分子也许更有希望成为治疗的靶点，下游分子介导了更加特异性的下游效应，因此毒性或者说是副作用也会更低。
第二篇文章发表于Circulation杂志上，之前的研究表明，新的心肌细胞可以在成年哺乳动物的心脏中产生，但是这些新的心肌细胞的来源并不是特别清楚。本项研究中，研究人员报道说，现有的成体心肌细胞可以通过一个分成三步的过程，使成体心肌细胞重新进入细胞周期，并形成新的心肌细胞。第一步去分化，第二步增值，第三步再分化。
心肌细胞的增殖是非常罕见的，因此研究的难度也很大。研究人员开发了一种实验系统，可以诱导成体心肌细胞形成新的心肌细胞，并且利用这个系统来探索新的心肌细胞形成的潜在分子机制。从成年的小鼠心脏内分离获得的标记的心肌细胞，然后再把这些细胞和新生大鼠的心室肌细胞进行共培养。在共培养过程中，通过实时影像以及免疫染色，观察成体心肌细胞在扩增过程中的分裂过程。
这项研究最大的发现是在心脏部位的成体心肌细胞可以产生新的心肌细胞，如果在未来可以发展出一种在体的技术，可以通过这种技术促进整体心肌细胞的去分化增殖以及再分化的过程。那么这项技术在未来对于受损心肌的再生以及修复功能，尤其是对那些患有心肌梗死的患者将会具有重要的作用。
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