關於謠言 | 武漢病毒的源頭到底是哪裡？

之前盲眼的尼安德塔石器匠已經寫過了，這篇只是我自己的整理。


Figure / Coronavirus virion (Scientific Animation)

1.
美國 University of North Carolina 於 2015 年十一月，發表了一篇關於 SARS 的研究在 Nature Medicine，說明 SARS 是依靠它的表面蛋白 SHC014 從動物身上傳染到人類身上的。SARS 和 MERS 原本是寄生在其他動物身上的，是怎麼跨物種傳染到人類身上呢？研究顯示中國蝙蝠帶的類 SARS 病毒 RsSHC014-CoV 和人類 SARS 病毒的 SCH014 序列很相似，但是有 15 個氨基酸不同，而這些不同決定 SCH014 是否能和人類的血管酵素(angiotensin converting enzyme II, ACE2)結合。他們把可以感染老鼠的 SARS-CoV 病毒改成可以表現蝙蝠冠狀病毒的表面蛋白 SHC014，結果顯示這個基改冠狀病毒可以和人類的血管收縮轉化酶(angiotensin converting enzyme II, ACE2)結合，並且可以有效的在人類呼吸道細胞中複製繁殖，顯示蝙蝠冠狀病毒很可能透過 SHC014 突變而傳染到人類身上。這篇研究出來以後引發許多討論，認為這類研究太危險，要是基改後的病毒不小心外洩可能會造成很大的問題。NIH 其實在 2013 年就決定停止給這類危險病毒的相關研究 funding，會給這個研究 funding 是因為可以幫助科學家們了解 SARS 的傳染機制，同時這個研究也在法令公佈之前就開始了。

2.
2017 年的時候，Nature 發了一篇關於中國蓋 BSL-4 實驗室的文章，最近被拿出來討論，因為網傳說這次的武漢病毒和其 BSL-4 lab 有關。中國在 2003 年的時候決定在武漢蓋第一個 BSL-4 級的實驗室，但因為種種因素，直到 2014 年年底才完成。實驗室有分四個等級，普通大學裡的只到 BSL-2，如果研究有用到癌症細胞或是人類病毒之類的，需要 BSL-2，通常做研究的都會用到，會有一個專屬的負壓細胞培養小房間。BSL-4 是最高等級，加拿大只有一個，就是 Winnepeg 的那個 National Microbiology Laboratory，會用到這個等級實驗室的有伊波拉病毒和 SARS。

武漢實驗室蓋完開始用之後，引來了一些質疑，像是中國是否可以 use it properly，尤其在他們官僚文化嚴重的情況下，是否會遵守只用規則。除此之外，中國還在哈爾濱、北京和昆明還再蓋共三個 BSL-4 lab，這也讓人質疑，中國是否需要那麼多個 BSL-4 lab，尤其是北京的 BSL-4 lab 曾外洩 SARS 多次。

3.
最近病毒分析結果認為和武漢病毒最相近的是雲南蝙蝠帶有的 RaTG13，而這株病毒為武漢病毒所擁有，上週武漢病毒所的石正麗發表在 Nature 的研究顯示武漢病毒和 RaTG12 的相似度為 96.2%，和 SARS 則只有 79.5%。另外，Nature Medicine 那篇基改 SARS 的研究石正麗也有參與，於是謠言四起，2017 年的那篇文章[2]因此最近在前面加了這段表示謠言未經證實，科學家們認為來源為那個市場："Editors’ note, January 2020: Many stories have promoted an unverified theory that the Wuhan lab discussed in this article played a role in the coronavirus outbreak that began in December 2019. Nature knows of no evidence that this is true; scientists believe the most likely source of the coronavirus to be an animal market."



News:

The Scientist / Lab-Made Coronavirus Triggers Debate (2015)

Nature / Inside the Chinese lab poised to study world's most dangerous pathogens

Science / Mining coronavirus genomes for clues to the outbreak’s origins (2020)


Publication:

VD Menachery et al, A SARS-like cluster of circulating bat coronaviruses shows potential for human emergence. Nature Medicine (2015)

P Zhou et al, A pneumonia outbreak associated with a new coronavirus of probable bat origin. Nature (2020)

帶有突變基因的造血細胞可由捐贈者身上經由移植進到病患體內

骨髓移植或是造血幹細胞(hematopoietic stem cell transplant, HSCT)常用來治療血液相關的疾病，例如血癌。若骨髓捐贈者帶有致病突變，是否會對接受移植的病患產生影響？


Figure / hematopoietic stem cell transplant (Chabannon et al, Science Translational Medicine 2018; doi: 0.1126/scitranslmed.aap9630)

經過定序人類的血液檢體，發現每位五十歲以上的健康個體體內有極少數的造血幹細胞帶有和急性血癌(acute myeloid leukemia, AML)或動脈硬化相關 (atherosclerosis)的基因突變，因為數量很少，大概一萬個細胞中才有一個，所以正常的情況下普通定序無法測出來。如果這些罕見突變的功能是調控細胞繁殖等等，那在環境壓力的篩選之下（例如化療或放射性治療），這些突變的細胞可能因為帶有生存優勢而開始大量增生。如果捐贈者帶有這些突變，那是否會在受贈者體內產生影響？

由於年輕人相較之下是捐贈者的機會比較大，帶有突變的機率可能也比較低，這篇研究用 ECS (error-corrected sequencing)定序了年輕人的造血細胞，檢測他們是否帶有致病的基因突變、捐贈的頻率有多少，而受贈者在接受骨髓移植後，這些帶有突變基因的造血幹細胞的情況如何。

他們檢測了一百多個血液及骨髓的檢體，這些檢體是從 25 對骨髓捐贈者和其受贈者(急性血癌患者)身上的，但捐贈者和受贈者之間沒有血緣關係，以排除遺傳因素。捐贈者的年齡為 20 歲到 58 歲之間，定序了八十個和 AML 相關的基因，結果發現有十一位捐贈者帶有致病的突變基因，比例比原本以為的還普遍(44%)。在所有檢測出來的突變中，其中有 84.2% 可能會致病，包括有 DNMT3A, TET2 和 CREBBP，而且全部都跟著移植到受贈者體內。結果也發現，受贈者在接受移植後的一百天內，這些帶有突變的細胞在受贈者體內開始增生，有些甚至在移植一年後仍能在受贈者體內還檢測得到。

這個研究目前只有移植後一年內的資料，具體對病患是否有影響還不知道，需要更長期的追蹤。同時，這個研究對象只有 25 為病患，之後也可以做較大型的研究，才能對此有更深入的了解。



News:

Science Daily / Mutations in donors' stem cells may cause problems for cancer patients (Jan 2020)


原論文：

WH Wong et al, Engraftment of rare, pathogenic donor hematopoietic mutations in unrelated hematopoietic stem cell transplantation. Science (2020)

糞腸球菌如何聰明的躲過抗生素？

很多人可能都很擔心，要是抗生素被濫用，細菌的抗藥性愈來越強，到時候連最後防線的萬古霉素(vancomycin)都沒有用了要怎麼辦？

2004 年發生一個案例，有位病患受到糞腸球菌(Enterococcus faecalis)的感染住院治療，醫生檢驗她的血液想看看可以用什麼抗生素治療，當時她感染的細菌株已對萬古霉素有抗藥性，不過卻對 daptomycin 沒有抵抗力。病患在接受 daptomycin 治療後便可以回家了，不過兩個禮拜後，又因為高燒住院，這次醫療團隊無法可施，病患不久後過世。



註：萬古霉素主要作用在革蘭氏陽性(gram-positive)細菌上，和革蘭氏陰性菌(gram-negative)不同的地方在於細胞壁，陽性菌只有一層細胞壁(peptidoglycan layer)，用結晶紫(crystal violet)染色、再用酒精洗過後，染劑會被細胞壁留住，使得細菌呈現藍紫色。陰性菌在細胞壁外面則還有另一層細胞膜，在用酒精脫色後會讓細胞膜產生洞，染劑會從洞中流出，無法留住結晶紫，在用番紅(safranin)複染(counterstain)之後會呈現粉紅色。


Figure / Cell wall structures of gram-positive and gram-negative bacteria (YT Liu et al, J Nanosci Nanotechnol 2012; doi: 10.1166/jnn.2012.4941)

TN / Gram Positive vs Gram Negative (Aug 2019)

Enterococcus 原本並非有害菌，人類的腸胃道理或多或少有一些，不過後來因為它進化為對萬古霉素有抗藥性(ancomycin-resistant enterococcus, VRE)，被 WHO 列為對人類健康有害的 "priority pathogens"。我孤狗的時候發現它是似乎原本是益生菌，可以添加在食品裡面，後來在 WHO 發布其會危害人體健康的警告後，台灣食品衛生署便發布「糞腸球菌(Enterococcus faecalis)及屎腸球菌(Enterococcus faecium)不得作為食品原料使用」的公告。

WHO / WHO publishes list of bacteria for which new antibiotics are urgently needed (2017)

Daptomycin 是一種環脂肽類抗生素(lipopeptide antibiotic)，它剛開始可以對抗 VRE 是因為它會接合細菌的細胞膜中的磷脂(phospholipids)，使其分佈錯位，無法維持細胞膜的平衡，進而無法進行分裂繁殖，甚至導致死亡，人體免疫系統的 AMPs (antimicrobial peptides) 也是利用相同的機制抑制細菌感染。

但為什麼後來沒用了呢？在那位病患過世後，醫生把她後來的血液和她第一次住院時抽的血液比較，發現後來 daptomycin 無法殺死 VRE 是因為細菌會重組細胞膜，改變細胞膜內磷脂的內容和分佈，使抗生素無法再與之接合，因此無法抑制細胞分裂繁殖。再進一步研究，發現是因為 VRE 的細胞膜上有個叫 LiaX 的蛋白，LiaX 有兩個 domains，N-terminus 伸出細胞膜外負責探測周遭環境，C-termius 在細胞內抑制負責壓力反應(stress response)的 LiaFSR system，包括調磷脂代謝和細胞膜，如果 LiaFSR 被啟動，細菌就會進行細胞膜重組。因此如果 LiaX 和 daptomycin 或是 AMPs 接合，LiaX 便會會傳送訊息啟動 LiaFSR，使細菌開始重組細胞膜。

了解這個機制後，或許研究者們可以找出阻斷 LiaX 和抗生素接合的方法，解決細菌抗藥性的問題。



Article:

WIRED / Scientists Find a Weak Spot in Some Superbugs' Defenses (Dec 2019)


Publication:

A Khan et al, Antimicrobial sensing coupled with cell membrane remodeling mediates antibiotic resistance and virulence in Enterococcus faecalis. PNAS (2019)

好的細菌可以抑制黑色素瘤

除了腸胃道有細菌外，我們的皮膚上也有各種細菌，稱為 skin microbiota，跟腸道菌一樣，好的細菌可以保護我們的皮膚，這些皮膚菌落的 Staphylococcus epidermidis 就是其一。

S. epidermidis (表皮葡萄球菌)是屬於凝固酶陰性的細菌(coagulase-negative, CoNS)，它和另一個 CoNS, Staphylococcus hominis 都是人類皮膚上的主要菌落。S. epidermidis 和皮膚角質細胞(keratinocytes)有著密切的關係，它們會分泌出短鍊脂肪酸(short-chain fatty acids, SCFAs)和一些其他的代謝物，而這些代謝物除了會影響角質細胞的基因表現外，也會影響免疫反應。除此之外，它分泌的 phenol-soluble modulins (PSMγ, PSMδ) 會和宿主的 AMPs (antimicrobial peptides) 合作，殺死有害的細菌，例如 S. aureus 和 group A Streptococcus (GAS)。


Figure / S. epidermidis in skin physiology (Stacy et al, Science 2019)

2018 年有篇研究發現 S. epidermidis 分泌的一個物質 6-HAP (6-N-hydroxyaminopurine) 會抑制 DNA polymerase，聽起來不太好是吧？但是在細胞實驗中，作者麼發現 6-HAP 會選擇性的抑制癌細胞增殖，但不會抑制角質細胞。為什麼呢？因為正常角質細胞會表現 mitochondrial amidoxime reducing components (mARC1, mARC20)，mARC 可以使細胞免於 6-HAP 造成的傷害，而癌細胞的 mARC 表現量不高。

在老鼠實驗中，6-HAP 抑制了老鼠黑色素瘤(B16F10 melanoma)的增長。帶有正常 S. epidermidis 這株細菌的老鼠，因照射 UV 而引起的腫瘤比帶有不會產生 6-HAP 細菌的老鼠少。而在人口的基因分析中也發現，很多健康個體的皮膚都帶有會生產 6-HAP 的細菌。



Article:

A Stacy & Y Belkaid, Microbial guardians of skin health. Science (2019)


Publication:

T Nakatsuji et al, A commensal strain of Staphylococcus epidermidis protects against skin neoplasia. Science Advances (2018)

衰老細胞是什麼？消滅它可以延長壽命嗎？

細胞衰老(cellular senescence)有幾個過程，先是細胞不再進入正常的循環(cell cycle)和分裂，然後釋放出一些物質吸引免疫細胞前來清除，稱為 SASP (senescence-associated secretory phenotype)，進而使細胞組織可以重組(tissue remodelling)，而怎樣會使細胞進入衰老狀態呢？最常見的是 DNA 受損反應(DNA damage response)，引起的原因包括有 oxidative stress 等等。不過，並不是所有的衰老細胞都能被清除，當免疫系統不夠力的時候，沒被清除掉的衰老細胞會慢慢堆積，之後可能會引起癌症或其他疾病，目前也被認為是老化(aging)的原因之一。


Figure / 細胞衰老 (Muñoz-Espín & Serrano, Nature Reviews 2014; doi: 10.1038/nrm3823)

在之前的老鼠實驗中，科學家把一些衰老細胞植入四個月大的年輕老鼠體內看看衰老細胞是否會影響生理功能，結果值日兩週後，老鼠的體能開始出現衰退的狀況，例如走路變慢，而且無法走太久。不過當他們把殺死衰老細胞的藥物(senolytics)給老鼠服用三天之後，老鼠的衰老症狀便減緩了。他們用的 senolytics 分別為治療血癌(leukemia)的 dasatinib 和槲皮素(quercetin)，槲皮素是蔬果內的一種黃烷醇(flavanol)，兩者並用合稱為 D+Q。除此之外，他們也試驗在 20 個月大的老年老鼠身上，結果這些老鼠在服用了抗衰老藥物後，老化的現象減輕了，走路比較快、比較久外，每日的活動力也增加了。最後，他們試驗在一年到 27 個月大、非常老的老鼠身上，每兩個禮拜一次的 D+Q 治療後，老鼠的存活率比沒治療的老鼠增加惹 36%。

之後，研究團隊把 D+Q 治療試驗在人類上，這個臨床研究裡的十四位病患都有輕中度的特發性肺部纖維化(idiopathic pulmonary fibrosis, IPF)，肺部堆積了衰老細胞，研究主持人 Dr. Kirkland 給他們用來殺死衰老細胞的藥物(senolytics)，療程為三週共九劑，看是否能夠改善因為衰老細胞造成的行動不便等等，試驗結果顯示治療效果比他們預期的好，病患的行動能力改善，肺部功能也沒有惡化。



Articles:

Science Alert / Experimental Anti-Aging Treatment That Kills Old Cells Has Passed First Human Trial (Feb 2019)

MIT Technology Review / A cell-killing strategy to slow aging passed its first test this year (Feb 2019)

NIH / Senolytic drugs reverse damage caused by senescent cells in mice (July 2018)


Publications:

JN Justice et al, Senolytics in idiopathic pulmonary fibrosis: Results from a first-in-human, open-label, pilot study. EBioMedicine (2019)

M Xu et al, Senolytics improve physical function and increase lifespan in old age. Nature Medicine (2018)

JM van Deursen, The role of senescent cells in ageing. Nature (2014)

D Muñoz-Espín & M Serrano, Cellular senescence: from physiology to pathology. Nature Reviews Molecular Cell Biology (2014)

A Hernandez-Segura et al, Hallmarks of Cellular Senescence. Trends in Cell Biology (2018)

記憶提取和時間有關

健忘嗎？可能和時間有關。

東京大學這個月發表了一篇研究，說他們發現了一個和記憶提取(memory retrieval)有關的基因。目前對記憶的了解大概是：第一次記憶一個東西，synapses 會產生新的連結，形成短期記憶(short-term memory)，也就是 working memory，如果重複記憶，連結就會增強且穩定，就換變成長期記憶 long-term memory。轉換成長期記憶之間的重複記憶會經過記憶存取的過程，重新喚起之前的記憶是由什麼控制的？


Figure / Memory formation stages (Introduction to Psychology, Chapter 9.1, 1st Ed.)

東京的研究團隊想要知道是什麼控制著記憶存取，而這個調控機制是否和生理時間有關。他們測試了正常的老鼠和喪失 BMAL1 蛋白的老鼠(dominant negatvie BMAL1, dnBMAL1)。BAML1 (brain and muscle ARNT-like protein 1, aka MOP3)和 CLOCK 為兩個調控生理時鐘的蛋白，它們兩個是一組 transcription factors，合在一起後負責調控和生理時鐘相關的基因表現，例如 Period (Per1, Per2) 和 Cryptochrome (Cry1, Cry2)。BMAL1 的表現則在不同的時間變化很大，在快醒來前低，在睡覺前高。


Figure / mammalian circadian clock (Y Chiou et al, PNAS 2016; doi: 10.1073/pnas.1612917113)

他們分別在兩個時間點訓練老鼠，讓他們接觸新東西，先是正常睡覺時間後四小時(just after normally going to sleep, ZT4)，然後在醒來前兩小時(just before normally waking up, ZT10)和 24 小時後測試牠們的認知力，看他們是否記得訓練時接觸過的東西。第二個時間點是在醒來前兩小時(ZT10)訓練，然後在睡覺後四小時(ZT4)和 24 小時後測試。結果顯示在醒來前(ZT10)接受訓練的老鼠，不管在哪個時間訓練，在醒來前那個時間(ZT10)記憶力測試的表現都不好，表示那個時間有記憶力提取的障礙。另外，他們也發現 BMAL1 的表現在 ZT10 的時候最低，也就是記憶力提取最差的時候。

註：老鼠是夜行性動物，研究中用的時間是 zeitgeber time (環境時間或定時器時間)，電燈亮起的時候是 ZT0 到 ZT12，這段時間是老鼠睡覺時間，關燈時間是 ZT12 到 ZT24，是老鼠醒來的時間。這篇研究中老鼠正常醒來時間前(just before normally waking up)是指 ZT10，關燈前兩小時；正常睡覺時間後(just after normally going to sleep)是指 ZT4，開燈後四小時。


Figure / Experimental design (Hasegawa et al, Nature Comm 2019; doi: 10.1038/s41467-019-13554-y)

那在 dnBMAL1 老鼠身上的情況是怎樣呢？這些老鼠雖然海馬迴裡的 BMAL1 表現雖然降低了，但牠們的生理時鐘維持正常，在睡覺的時間睡覺，醒來的時間醒來。不過呢，在記憶力試驗裡，不管是在 ZT4 或是 ZT10 測試，認知力測試的表現都不好，顯示有記憶力存取的障礙，並且是因為喪失 BMAL1 造成的。另外，他們發現 dnBMAL1 老鼠海馬迴中和 cAMP signaling 相關的基因表現量比較低，像是多巴氨接受器(dopamine receptors) D1-R 和 D5-R 表現量減少，神經傳導物質接受器(GluA1)的磷酸化也降低了(phospho-GluA1)。

註：神經傳導物質接受器 AMPAR (AMPA receptors)由四個蛋白組成，為兩個 GluA1 和兩個 GluA2。

當他們用藥物恢復 cAMP signalings (rolipram) 或是去活化 D-1/5 receptors (agonist, SKF38393)，dnBMAL1 老鼠的記憶提取功能則恢復了。相反的，如果用藥物去抑制 D-1/5 receptors (antagonist, SKF83566 )，野生老鼠則出現記憶存取障礙的狀況。另外，之前有研究顯示 AMPAR 在學習和記憶力中扮演重要角色，尤其是組成蛋白之一的 GluA1 磷酸化是必須的，當老鼠的 GluA1 被改成無法磷酸話的突變後(GluA1 S845A)，他們也出現了記憶存取障礙的現象。被結果顯示p-GluA1 則讓 dnBMAL1 老鼠恢復其記憶存取的功能。

這個研究顯示，記憶力存取和 BMAL1 調控的 cAMP1/dopamine singaling 相關，參與蛋白的表現都會影響記憶存取，而由於 BMAL1 的表現量在不同的時間高低不同，因此時間也會間接影響記憶存取的空能。



Article:

東京大學 / Forgetfulness might depend on time of day (Dec 2019)


Paper:

S Hasegawa et al, Hippocampal clock regulates memory retrieval via Dopamine and PKA-induced GluA1 phosphorylation. Nature Communications (2019)

腸道菌和憂鬱症的關係

近來有不少研究顯示腸道菌和不少事情有關係，感覺包山包海了 XD。

在這篇研究中，研究團隊分析了一千多位參與 Flemish Gut Flora Project (FGFP) 的憂鬱症患者糞便裡的腸道菌，試圖找出腸道菌和生活品質(quality of life, QoL)及憂鬱症的關係，結果發現有些腸道菌落和心理健康呈現正向關係，有些菌落則是呈現負向關係，例如生產脂肪酸 butyrate 的費氏桿菌(Faecalibacterium)和副球菌(Coprococcus)常常和高生活品質相關，他們和協和球菌(Dialister)在憂鬱症患者裡都比較少，即便病患有吃抗憂鬱症藥物治療。在另一組人口的腸道菌分析中，Bacteroides enterotype 2 則是和憂鬱症和低生活品質相關，這些人有比較高的 Bacterioides enterotypes 2。

作者認為，腸道菌落和心情還有生活品質有關，他們之前發現患有 Crohn's disease 的病患，齊某些菌落比較少，菌落多樣性比較低，而同樣的情形也出現在憂鬱症患者和生活品質低的人身上。腸道菌和心理健康的關聯可能是雙向的，腸道菌釋放出來的物質也可能會影響心理健康，例如他們發現有些細菌會產生 DOPAC (3,4-dihydroxyphenylacetic acid)，是神經傳導物質(neurotransmitter)多巴氨(dopamine)的代謝物，和良好心理狀態正向相關，而會產生神經傳導物質 γ-aminobutyric acid (GABA) 的腸道菌則在憂鬱症中扮演重要角色。



Article:

NNR / Gut Bacteria Enterotype Shows Link to Depression (Feb 2019)


Publication:

M Valles-Colomer et al, The neuroactive potential of the human gut microbiota in quality of life and depression. Nature Microbiology (2019)