本期《自然》《科学》精选

本期《自然》《科学》精选

　　

生物通综合：

8月31日Nature

封面故事：“绿色”的误区

现场铁富集实验的结果使我们关于初级海洋生产力的养分限制的知识发生了革命性变化，但只是在几十公里的尺度上。现在，利用从卫星海洋彩色测量工作中得到的浮游植物生物量和生长率数据，可以在全球尺度上对海洋生产力进行监测。一项新的研究工作将对养分压力的生理响应的认识与范围达数千平方公里的野外数据结合起来，来确定热带太平洋中限制浮游植物生长的因素，其结果要比以前所能做到的更准确。该发现表明，浮游植物的“绿色”并不总能准确反映初级生产力，高表面养分和极低的铁含量使得浮游植物去合成与迅速生长无关的独特的色素蛋白复合物。因此，以前基于卫星的调查结果可能过高估计了热带太平洋的生产力。

肥大细胞在组织移植排斥性中的作用

肥大细胞是免疫系统的重要构成部分，是过敏和哮喘等过敏反应中的响应成分。最近的研究工作表明，它们在先天和后天免疫中还起免疫调控细胞的作用，而且令人吃惊的是，基因表达分析还表明，它们与对组织移植的耐受性有关系。现在，用小鼠所做的研究证实，肥大细胞是免疫抑制中的主要细胞类别，在依赖于调控T-细胞的周围抑制中需要它们。这还意味着白介素-9（IL-9）在被激发的T-细胞和肥大细胞的补充之间扮演一个联系的角色，并且使得IL-9、肥大细胞和我们所感兴趣的它们的基因产物成为防止对移植器官产生排斥性的药物的作用目标。

蛋白质在细胞中的定位

蛋白质要完成它们在细胞中的任务，它们必须处在细胞中正确的腔室内。这种定位通常是通过蛋白质中离散的信号序列实现的，这些序列可将它们引导到正确的位置。这些信号序列中有很多已经被分析透彻，但那些将一种蛋白质引导到内核膜上的信号序列却是一个引人注目的例外。一项新的研究工作表明，完整内核膜蛋白质的定位涉及到的信号序列与将可溶性蛋白质定位到细胞核中的信号序列相似。这个结果是令人吃惊的，它开启了对完整的一组内核膜蛋白质进行研究的大门，这些蛋白质在基因调控中扮演一个角色，并且与各种不同的人类疾病有联系。

检测NMR的新方法

核磁共振（NMR）被用于很多场合，从NMR成像到蛋白结构研究等等。这些应用涉及对由与原子核相关的微型磁体所产生的磁场的测量。NMR信号通常较弱，需要利用复杂的手段将关于所测样品的有用信息梳理出来。现在，普林斯顿大学的研究人员发现，只要让一束光穿过所测样品、再测量光偏振的转动，就可以检测到NMR。这种新的检测方法将使得研究人员有可能用拍快照的方式来捕捉核磁，研究一个复杂化学物质中的哪些原子与其颜色和其他光学性质有关。

脊椎动物中鳍的发育

脊椎动物成对出现的四肢的起源，一直是人们感兴趣的话题。最近对从中国早寒武纪地层中发现的若干化石所做的研究表明，鳍骨架的主要部分首先是在中线上组装的，后来才出现在成对的鳍中。对鲨鱼和七鳃鳗的胚胎发育所做的一项研究表明，鲨鱼的中鳍是从一个连续的鳍褶发育来的，这个鳍褶主要来自中胚层；七鳃鳗（没有成对四肢的原始脊椎动物）有一个类似的中鳍发育模式。另外，基因Tbx18（该基因确定成对四肢前面的极限）的表达也能确定中鳍往外长的边界。将这些结果综合在一起，我们可以看到，它们为认为成对附肢通过调控中鳍发育程序来演化的古生物学假说提供了支持。

上皮细胞层的几何形状

在所有多细胞真核生物中，上皮细胞层类似不规则的多边形，以六边形的细胞为主。这种基本模式到底是怎么形成的？对此，研究人员仍然不是很清楚，尽管人们通常假设，细胞按照最佳堆积的物理学原理排列成蜂窝状。研究人员将对正在增殖的上皮细胞进行延时显微研究的方法与克隆分析和数学模拟的方法结合起来，来驳斥这一假设。后生动物默认的多边形结构并不是随机的，也不是最小堆积的产物，而是细胞分裂过程的一个直接的数学结果。细胞分裂内在地将上皮层限制成一种特定的平衡分布状态，该状态由四边形至九边形的细胞组成。这种结构见于包括果蝇、刺胞动物（Hydra）和青蛙（Xenopus）在内的各种不同的生物的简单上皮中。

多巴胺在人体中的精确作用

大脑信使物质多巴胺传统上被称为“快乐分子”，它与我们对食物和性的欲望有关，也与药物和赌博上瘾有关。多巴胺在人体中的精确功能仍然不很清楚，相关理论几乎完全依靠动物实验。Pessiglione等人在一项研究工作中，让健康的人类志愿者在服用干扰多巴胺信号的药物后赌钱，然后利用脑成像技术对他们进行扫描。服用提高多巴胺水平的药物的志愿者与服用抑制多巴胺水平的药物的志愿者相比，赌博的水平更高了。当多巴胺水平被药物增强、或被药物降低时，扫描结果显示，与奖励有关的学习和相关的纹状体活动都受到了调控，从而证实了多巴胺在整合奖励信息、供未来决策参考中所起的关键作用。

图片故事：活唾液腺组织中多线性染色体的三维、实时观测

果蝇幼虫的唾液腺含有巨型多线性染色体，其典型的带状结构在光学显微镜下清晰可见。这些染色体通常是通过将细胞核打破、然后将染色体在二维方向上展开来观察的。但是现在，利用双质子激光扫描显微镜，就可以在活唾液腺组织中对它们进行三维、实时观测研究了。上图为多线核的一个三维重建图，其中DNA被染成红色，用GFP标记的转录因子HSF为绿色（上面为heat stroke 之前；下面为heat stroke之后）。该方法显示了DNA和一个典型转录因子之间相互作用的动态，正如该论文“补充信息”中一部生动影片所反映的那样。

9月1日Science

基因工程改造的细胞使肿瘤变小
一组研究人员用基因工程将正常免疫细胞改造成专门攻击肿瘤的杀手，首次演示了这些基因工程改造过的细胞能在人体中存留并能使大的肿瘤变小。Steven Rosenberg和同事在17位患有晚期黑色素瘤的患者身试验了这个方法，其中两位的肿瘤缩小，并在这个治疗试验开始的一年半之后被宣布为没有临床症状。研究人员从患者身上取出正常的T细胞，将它们用基因工程的方法改造为携带识别黑色素的细胞蛋白受体，然后把这些“重新武装器来的”细胞放回到患者身上来重建其免疫系统。这些改造过的T细胞在15位患者身上存留下来，在治疗的两个月后，患者T细胞的10%是这种改造过的细胞。
科学特快报告：Cancer Regression in Patients After Transfer of Genetically Engineered Lymphocytes, Richard A. Morgan, et al.

种族、刻版模式、以及学校成绩
研究人员报告说，让7年级学生在学期开始时做一个15分钟的身份申明的写作练习，改进了学期末非洲裔美国学生的成绩，将非洲裔学生和欧洲裔学生的差距缩小了40%。这项研究针对的是“刻板模式威胁(stereotype threat)”现象，是指被反面刻板模式影响的群体担心如果做得不好会证实该刻板模式。文章作者说，如果这个担心过于严重，所产生的压力本身会影响人的能力。Geoffrey Cohen和同事调查了是否能通过做一个练习让学生重新申明他们对自我完整的意识来减少刻板模式威胁。研究人员报告说，一个让学生写为什么某些价值对他们来说是重要的作业，能够帮助非洲裔美国学生在整个学期中保持较高的成绩。作者提出，这个练习起作用部分地因为它打断了刻板模式威胁和表现不好之间的恶性循环，这个恶性循环导致越来越坏的表现。一篇相关的研究评述从教育干预的角度讨论了这些发现，并指出仔细设计实地试验的重要性。
报告：Reducing the Racial Achievement Gap: A Social-Psychological Intervention, Geoffrey L. Cohen, Julio Garcia, Nancy Apfel, and Allison Master
研究评述：The Power of Social Psychological Interventions, Timothy D. Wilson

全球变暖引起果蝇遗传变化
西班牙和美国科学家报告说，某些果蝇种群开始表现出看来是气候变化引起的遗传变异。这项跨三个大陆、历时25年的工作是第一次这样大规模的研究。Joan Balanyá 和同事分析了果蝇Drosophila subobscura种群中染色体倒位的记录，染色体倒位是指染色体片段翻转过来。研究人员将这些数据与现在同一地区的对应数据、以及这些时期的温度记录作了比较。他们发现，在几乎所有的果蝇种群中，有较多的染色体倒位的基因型过去在低纬度的地方比较常见，现在在高纬度的地方变得也常见了。遗传变异成为目前全球气候变化所带来的生物影响的不断增加的又一个例子。
科学特快报告：Global Genetic Change Tracks Global Climate Warming in Drosophila subobscura, Joan Balanyá, Josep M. Oller, Raymond B. Huey, George W. Gilchrist, and Luis Serra

人类与猿认知的基因联系
一项新研究提出，人类与某些猿有共同的蛋白，这个过去不知道的蛋白也许是认知功能的一个关键。高度的基因复制是进化新奇的主要源泉，Magdalena C. Popesco和同事在人类和大型类人猿种系基因组中寻找在复制数上有很大不同的基因。他们发现最显著的人类种系倍增来自一个以前不知道的基因MGC8902。而且类人猿与人类越近，该基因拷贝的出现越频繁。MGC8902 被预测编码一个名为DUF1220的蛋白质域的多个拷贝，该蛋白质域的功能目前开不清楚。但是研究人员知道DUF1220域在脑皮质新成部很丰富，脑皮质新成部是哺乳动物大脑中与包括人类的有意识思维和语言有关的高级推理的部位。所以文章作者推测DUF1220也许在高级认知功能中起作用。
报告：Human Lineage-Specific Amplification, Selection, and Neuronal Expression of DUF1220 Domains, Magdalena C. Popesco, et al.

猴子大脑中处理社会信息的部位
Peter Rudebeck和同事的一项新研究指出，猕猴用大脑一个叫前扣带皮层(anterior cingulate cortex)的部位来正确地识别重要的社会信息，比如看到有吸引力的猕猴、或认出社会地位高的猴子，并对这些信息作出反应。这一发现也许能为破坏正常的社会交际的大脑损伤提供线索。研究还可能帮助澄清猴子是否能察觉到其它猴子的心理状态，这个功能被认为人类独有。研究人员观察了猕猴大脑两个相邻区域(前扣带皮层和眶额皮层)的损坏如何改变这些猴子的社会认知。他们发现，前扣带皮层的完整性对正常的社会反应比不可缺，这些反应包括注意到另一个猕猴。眶额皮层的损坏只影响了对恐惧视觉(比如一条橡皮蛇的移动)的反应。
报告：A Role for the Macaque Anterior Cingulate Gyrus in Social Valuation, P. H. Rudebeck, M. J. Buckley, M. E. Walton, and M. F. S. Rushworth

取代化石燃料的工作应该现在开始
Ruel Shinnar和Francesco Citro在本期政策论坛中写道：现有的化石燃料替代品在今后30年中能取代美国70%的化石燃料，这样做的费用大约是每年2000亿美元。他们认为与其等待新非碳基技术的开发，不如现在就开始使用以被证实能用的非化石资源。文章作者提供了一个用核能、地热、水电、风能、太阳能、以及生物质的混合能源计划。作者说，应该现在就开始投资示范项目，因为大规模的转换需要许多年的时间。他们提议用刺激的方法，比如征收二氧化碳税，来为逐渐转换提供资金，从而使这些技术得以上马和建设所需的基础设施。作者写道，原油价超过每桶70美元后，实施这些技术可能会有竞争性。