《Nature》9月最受关注的五篇论文

　　

英国著名杂志《Nature》周刊是世界上最早的国际性科技期刊，自从1869年创刊以来，始终如一地报道和评论全球科技领域里最重要的突破。其办刊宗旨是“将科学发现的重要结果介绍给公众，让公众尽早知道全世界自然知识的每一分支中取得的所有进展”。近期《Nature》下载论文最多的十篇文章（2018年8月7日 ～ 2018年9月6日）：

Allergic inflammatory memory in human respiratory epithelial progenitor cells

慢性鼻炎/鼻窦炎不同于一般的季节性过敏，它可以导致长达数月甚至数年的鼻窦发炎和肿胀、呼吸困难和其他症状，足以让患者感到非常痛苦。部分还伴随鼻息肉组织生长，当鼻息肉发展严重时，必须通过手术切除。

MIT、Brigham和妇女医院的研究人员对来自人类患者的数千个单细胞进行了全基因组分析，创建了炎症期间人类屏障组织的第一张整体细胞图谱，通过对这些数据分析，他们找到了一个可以解释慢性鼻窦炎病因的新机制。

“我们看到上皮细胞亚群的主要基因表达差异，在之前的大量组织分析中，这些亚群是模糊的，”Pfizer-Laubach职业发展助理化学教授Alex K. Shalek说。“当你浏览整个转录组，比较不同疾病状态的患者细胞的数千个基因，你便可以开始理解它们之间的关联，并发现哪些转录程序取代了正常的转录程序。”

Sequestration of T cells in bone marrow in the setting of glioblastoma and other intracranial tumors

胶质母细胞瘤对机体免疫系统具有非同寻常的影响，它会导致循环T细胞数量急剧下降，干扰机体防御系统。现如今，虽然免疫疗法越来越多地被用于激发身体抵抗侵袭性肿瘤的本能，但是有关T细胞的去向，科学家们也不是很清楚。

杜克癌症研究所的一项新研究在胶质母细胞瘤患者体内追踪到了“迷失的”T细胞。根据发表在《Nature Medicine》杂志上的一篇文章，骨髓中含有大量T细胞，这是因为胶质母细胞瘤或其他转移至脑的肿瘤，甚至损伤，对大脑的刺激过程限制了这部分T细胞的出路和功能。

这项发现指明了一个辅助治疗癌症的新探索领域，或许可以通过释放骨髓T细胞，提高现有免疫疗法的有效性。T细胞去哪了？《Nature》子刊揭示禁锢免疫疗法的真正敌人

Modulating plant growth–metabolism coordination for sustainable agriculture

英国《自然》杂志以研究长文形式在线发表了中国科学院遗传与发育生物学研究所傅向东研究组关于赤霉素信号传导途径调控植物氮肥高效利用的最新研究进展。该项成果进一步深入了我们对于植物生长与代谢协同调控机制的认识，从而找到了一条在保证粮食总产量不断提高的同时，提高了氮肥利用效率，降低了生产投入成本，减少了对环境造成的污染的可持续发展农业新途径。

上世纪60年代，以半矮化育种为特征的第一次“绿色革命”，使得全世界水稻和小麦产量翻了一番。“绿色革命”最明显的特征是水稻和小麦植株半矮化，提高了收获指数，解决了因大量施肥导致的植株倒伏和减产问题，从而实现了水稻和小麦单产的大幅度提升。目前这些半矮化、耐高肥、抗倒伏的品种类型在当前小麦和水稻作物育种中仍然占据主导地位。但是，携带“绿色革命”基因的农作物中抑制植物生长的DELLA蛋白高水平积累，导致其对氮肥响应减弱和利用效率下降。

目前，我国水稻氮肥利用率平均只有35％。为了提高水稻产量，不得不大量使用氮肥。中国水稻种植面积占世界水稻种植面积的20％，但中国水稻氮肥用量却占全球水稻氮肥总用量的37％。持续大量的氮肥投入，不仅浪费了资源和能源，而且加剧了土壤酸化、水体富营养化和农业温室气体排放等一系列生态环境污染问题。

在科技部、中科院和基金委的大力支持下，历时6年的协作与攻关，从携带“绿色革命”基因的水稻资源材料中筛选到一个氮素吸收速率显著增加的新品系，通过QTL定位、图位克隆等技术获得了氮肥高效利用的关键基因GRF4。

尽管GRF4之前就被证实是可能参与了赤霉素信号传递途径，对植物生长发育起重要调控作用，但具体分子机制不是很清楚。

这项研究证实了GRF4是一个植物碳-氮代谢的正调控因子，可以促进氮素吸收、同化和转运途径，以及光合作用、糖类物质代谢和转运等，进而促进植物生长发育。研究还发现了一个新型的优异等位基因GRF4ngr2，将这个等位变异位点导入当前高产主栽高产水稻和小麦品种后，不仅提高其氮肥利用效率，同时还可保持其优良的半矮化和高产特性，最终导致水稻和小麦在适当减少施氮肥条件下获得更高的产量。

A fluid-to-solid jamming transition underlies vertebrate body axis elongation

千百年来，科学家们一直都希望能了解胚胎中，各种细胞如何构建成人体的组织和器官的？

来自加州大学圣巴巴拉分校的研究人员利用他们开发的最先进技术，揭开了这个长期存在的神秘面纱，解答了胚胎如何构建人体内部器官的谜题。这项研究及其技术不仅为现代生物学带来了一个百年假说，而且也提供了研究人类健康关键问题的基础，例如癌症如何形成和传播，或如何设计器官等。

这一研究成果公布在9月5日的Nature杂志上，由Otger Campàs领导完成。Campàs研究组致力于研究生命系统如何自我组织，建立自然界中存在的结构和形状。

Nature提出新起点：最先进的技术揭秘百年胚胎发育神秘面纱

CRISPR-guided DNA polymerases enable diversification of all nucleotides in a tunable window

生命如此之多样，令人惊叹。人类可以通过服用抗生素来阻止感染或利用酵母来酿造啤酒，我们正在享受自然进化的巧妙工艺。但是，如果自然界中没有我们想要的特性怎么办呢？

加州大学伯克利分校创新基因组学研究所的科学家们提出了一种可以利用自然进化力量的变革性新方法。David Schaffer和John Dueber领导的研究团队描述了CRISPR的另一个创造性应用：一种促进细胞内特定基因进化的平台。他们将这个新系统命名为“EvolvR”，EvolvR能帮助科学家们晃动他们靶标基因中的DNA，直到找到合适的突变。这种技术开辟了无数的可能性，如可以有效地将废物转化为生物燃料的工程酵母，或开发新的人类疗法。

EvolvR能帮助科学家在一天时间内就能完成整个基因的进化过程。该系统基于可编程DNA切割蛋白Cas9，研究人员将Cas9用在一种名为DNA聚合酶的酶上。Cas9能在生物体的DNA中找到特定的靶序列。EvolvR利用Cas9的一种特殊“切口”，只切割两条DNA链中的一条。这样Cas9切割出一个缺口，发出给DNA聚合酶的信号，补上新的DNA。这时聚合酶会产生错误，写入与原始DNA序列不同的DNA序列。

由于主要目标是多样性，因此聚合酶这种错误能带来益处：科学家可以利用EvolvR故意制造随机突变，创造数百万种不同的序列组合，从中至少发现一种具有他们想要的效果的序列组合。

Creating a functional single chromosome yeast
Karyotype engineering by chromosome fusion leads to reproductive isolation in yeast

生物学教科书中将自然界存在的生命体分为具有被核膜包裹染色体细胞核的真核生物和染色体裸露无核膜包裹的原核生物。染色体携带了生命体生长与繁殖的遗传信息，真核生物通常含有线型结构的多条染色体，而原核生物通常含有环型结构的一条染色体。

在最新研究中，科学家们成功融合了真核生物酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）的16条染色体，创造出一条线型染色体即可装载整个基因组的新菌株。

这一合成生物学突破性成果公布在8月1日的Nature杂志上，由中科院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所合成生物学重点实验室完成。同期纽约大学Langone医学中心的研究人员也使用类似技术融合了酵母染色体，但他们无法最终获得单一染色体的功能性酵母菌株，只能将染色体数量减少到两个。

两项研究结果均表明，含有融合染色体的酵母细胞未出现生长主要缺陷，仅显示了基因表达的微小改变，这表明生物体可能比生物学家预期的更能耐受染色体数目和结构的变化。

来自法国癌症和衰老研究所的遗传学家Gianni Liti（未参与该项研究）点评道，“这两项研究可能是迄今为止设计获得的最引人注目的基因组重组研究，令人惊讶的是，这些细胞实际可以存活。”

In vivo reprogramming of wound-resident cells generates skin epithelial tissue

皮肤是人体最大的器官，直接同外界环境接触，具有保护、排泄、调节体温和感受外界刺激等作用。人的皮肤由表皮、真皮（中胚层）、皮下组织等多层结构，当皮肤细胞因内外源压力导致破损，抵抗力下降时，过于薄弱的肌肤屏障就无法抵御外界刺激，创面难愈或不愈的发生率不断攀升。伤口愈合是一个非常复杂的过程，包括炎症期、增生期、瘢痕形成期和组织再塑等阶段。尽管新一代护理材料（如FGF、EGF和类人胶原蛋白等）已被广泛用于破损肌肤修复，但是最主要的因素仍在于皮肤细胞的自我修复能力。

Salk研究所的科学家们开发出了一种将开放性伤口中的细胞直接转化为新皮肤细胞的方法，这种方法依赖于将细胞重新编程为干细胞样状态，并且可用于治疗皮肤损伤，抗衰老，帮助我们更好地理解皮肤癌！

“我们的理论在体外3D皮肤组织（而非简单的某种单细胞类型）中取得了初步证明，”Salk教授Juan Carlos Izpisua Belmonte说。“这些知识不仅可以用在指导人类病理情况，还可用于衰老期组织再生修复。”

（生物通）