《PNAS》八大热点文章

　　

生物通报道：《PNAS》（美国国家科学院院刊）是与Nature、Science齐名，被引用次数最多的综合学科文献之一，PNAS收录的文献涵盖生物、物理和社 科学，主要内容包括具有高水平的前沿研究报告、学术评论、学科回顾及前瞻、学术论文以及美国国家科学学会学术动态的报道和出版。近期其最受关注的文章（生物类）如下：

Intratumoral injection of the seasonal flu shot converts immunologically cold tumors to hot and serves as an immunotherapy for cancer

对肿瘤微环境进行重组以增强免疫应答是目前研究的一大热点。一般来说，免疫浸润的“热”性肿瘤患者往往表现出更高的免疫治疗响应率。然而，只有少数肿瘤是热性的，因此也只有少数患者能够受益于免疫治疗。而开发可以使肿瘤变“热”的创新方法也成为了人们关注的重点。新泽西州立大学Andrew Zloza报道了一种通过瘤内注射未加佐剂的季节性流感疫苗的策略来将“冷”性肿瘤转化为热性，进而产生系统性CD8+ T细胞介导的抗肿瘤免疫，并使耐药肿瘤对检查点阻断治疗更加敏感，并且在瘤内接种疫苗后也能够预防活动性流感病毒造成的肺部感染。

Identification and characterization of extrachromosomal circular DNA in maternal plasma

香港中文大学卢煜明（Dennis Lo）教授领导的研究团队近日从孕妇血浆中鉴定出母亲和胎儿的环状游离DNA，这为无创产前检测提供了一种新型的生物标志物。这项成果于1月3日发表在《美国科学院院刊》（PNAS）上。

早在十年前，卢煜明教授就发现，利用母体的血浆样本能够获得胎儿的全基因组图谱，这项重要的成果成为无创产前检测（NIPT）的里程碑。不过，之前的研究主要是基于线性DNA片段。尽管在小鼠血浆中曾观察到染色体外环状DNA（eccDNA），但尚未在孕妇血浆中检测到这种分子。

卢煜明及其同事此次从孕妇血浆中分离出eccDNA分子并开展测序。他们发现，胎儿来源的eccDNA分子通常比母体来源的分子更短。鉴于eccDNA对核酸外切酶的耐受性更好，故比线性DNA更稳定。“母体血浆中的eccDNA为迅速发展的无创产前检测领域增添了新工具，”作者在文中写道。

Assessing the sustainability of post-Green Revolution cereals in India

印度商学院研究人员针对季风地区的穀物生产进行评估，并列举出6大构面作为优化条件的评比标准，若以环境友善面做为考量，可考虑部分地区进行作物转作，但经济因素与政府的补贴政策，则需要拟定相关配套措施，将农业效益最大化。

考量于地球人口的持续扩张，实行永续食品系统能提供充足和营养的食物，并提高气候适应能力，减少对环境的负面影响。过去的绿色革命促进农作物产量不断提高，支持了大量人口的粮食供应，但也造成天然资源使用需求增加、温室气体大幅排放等情况。同时，也排挤到传统穀物的消费，过去50年来，印度穀物产量已成长两倍，其中稻米占了将近一半。目前印度仍持续消费传统穀物，但消费程度与以往相比较低。

虽然印度是绿色革命的主要受惠者之一，但考虑到环境永续，还是需要了解国内营养供应、气候环境、自然资源分配与利用状况等因素，以寻找更加适应未来气候与减少温室气体排放的粮食种植方式。印度商学院(Indian School of Business)的研究人员就以稻米为主的季风地区穀物生产为例，对鸭脚稗（Eleusine coracana）、珍珠粟（Pennissetum glaucum）、稻米（Oryza sativa）和高粱（Sorghum bicolor）进行种植评估，并针对以下条件进行优化(①最大化蛋白质供应、②最大化铁供应、③最小化能源需求、④最小化温室气体排放、⑤用水需求最小化，以及⑥气候适应力最大化)，帮助探讨地区性粮食生产决策可以如何改善。

研究发现，水稻需要利用大量水资源灌溉，对于印度国内的地下水资源负担较大，且稻田中的细菌在阻隔空气的情况下进行无氧呼吸会促进甲烷(一种温室气体)排放。与水稻相比，高粱等传统穀物营养更丰富，对环境的破坏也较小，部分节水地区可以考虑以其他穀物取代稻米种植。然而，农民生计也是决定是否转作的重要考量，政府还应该思考经济因素与补贴政策等现实面的问题，才能拟订更为周到的政策，将农业效益尽量最大化。

Extraterrestrial ribose and other sugars in primitive meteorites

从上个世纪60年代开始，人们就不断在陨石中发现DNA组件，但研究人员不敢确定这些成分到底来自太空还是源于地面的污染，” 美国航空航天局（NASA）戈达德空间飞行中心的迈克尔•卡拉汉说， “现在我们首次掌握了三方面的证据，确信这些DNA组成成分确实是在太空合成的。” 这项发现已经被写成论文发表在了《美国科学院院报》上，卡拉汉是论文的第一作者。

此前有证据指出，小行星和彗星内部的化学物质可以构成基本的生物分子。戈达德空间飞行中心的科学家曾经在很多富含碳元素的陨石中发现氨基酸，“星尘号”任务中，他们发现 “Wild 2” 彗星样品也有含氨基酸。

研究小组发现，无论是否具有生理功能，陨石中的碱基都不是通过生化反应合成的。“实验室中同样一套碱基和碱基类似物的组合曾经由氰化氢、氨气和水通过非生化反应制得，小行星母体中也很可能发生了同样的机制，这就支持了化合物来自宇宙的观点，”卡拉汉说，“其实似乎存在一类‘宜居陨石’，就是我们所说的富碳陨石，上面的条件尤其适宜生产生命原料。”

Braiding topology and the energy landscape of chromosome organization proteins

事实证明，经常用来象征医学知识的蛇徽（coiled snakes）其实也具有现实意义，它们就像是生活的钥匙。

赖斯大学理论生物物理中心（CTBP）的一组研究人员在进行的必需蛋白质动力学研究中，发现这些动力学可以帮助DNA折叠成染色体上紧凑的功能形式。而且其中一种关键蛋白质的“coiled coils”结构互相盘绕，像蛇一样，在DNA中形成了更大的环。

这些环将DNA上调节遗传信息转录的位点聚集在一起。尽管近年来人们对环及其功能有了更深入的了解，但是直到现在，还没有研究能够仔细观察使DNA变形的凝集素和粘着蛋白。

他们发现这些蛋白质具有环状套索，由两个35nm长的蛋白质卷曲螺旋组成。它们的一端是一对与DNA盘绕结合的“head unit”马达，另一端终止于“hinges”中，后者可以打开和闭合链。

实验室的模拟表明，这些coiled coils结构可以形成除了limp lariats以外的任何结构。

Krepel说：“coiled coils结构在某种程度上十分重要，而我们看到的是，这些长结构非常活跃。我们深入分析，但当我们进行模拟的时候，发现coils要聚在一起，就像耳机将它们放在包中时都会扭曲在一起一样。 ”

他说：“ DNA物理学的主要思想之一是DNA通过改变其卷曲程度和拓扑结构来运作。好吧，Braid（编织）是一种拓扑特征。我们认为，蛋白质的拓扑可以与DNA的拓扑相互作用，就像线在纺车上相互缠绕一样。”

这项研究是这一研究小组建模技术迄今面临的最大挑战之一，在这种情况下，该技术将相关蛋白质序列共同进化的直接偶联分析（DCA）与决定其形式和功能的蛋白质中原子力结合在一起。

A scalable pipeline for designing reconfigurable organisms

一组研究人员报告称通过从青蛙胚胎中提取的细胞，塑造新的生物，这种生物在不完全有机体和不完全机械的结构中发挥独特的功能。这一有趣的成果公布在1月13日的PNAS上。

文章作者，佛蒙特大学Joshua Bongard表示：“它既不是传统的机器人、也不是已知的动物物种，而是一类全新的人工制品、一种活的可编程生物”。

进化机器人技术（Evolutionary robotics）是一种新策略，一些科学家用来探索有关生物系统功能的问题，而另一些科学家则用来设计和测试可能的机器人结构的能力。Bongard是佛蒙特大学研究进化机器人技术的合著者和计算机科学家，他的团队与塔夫茨大学发育生物学家Michael Levin合作，开始利用Bongard的算法创建的几种简单的基于细胞的机器人设计。

Single-cell transcriptomics reveals expansion of cytotoxic CD4 T cells in supercentenarians

来自日本理化学研究所和日本庆应大学医学院的科学家们通过利用单细胞RNA分析进行研究发现，超级百岁老人（年龄超过110岁的人群）机体中或许存在大量细胞毒性CD4 T细胞。

研究人员对来自两名超级百岁老人机体的血细胞进行了详细分析，结果发现，这些细胞起源于一种名为克隆扩增（clonal expansion）的过程，这意味着很多细胞都是单个祖先细胞的后代；研究者Kosuke Hashimoto表示，我们非常感兴趣研究超级百岁老人这个群体，因为其是健康老龄化的优良模型，而且对于研究机体衰老的机制也至关重要。

本文研究中，研究者揭示了利用单细胞转录分析如何帮助理解个体对某种疾病更加易感，CD4阳性的T细胞通常会通过产生细胞因子来发挥作用，而CD8阳性的T细胞则具有细胞毒性，这两种特性的组合或能帮助超级百岁老人保持健康。研究者表示，这类细胞在大多数人群机体中并不常见，甚至是年轻人机体中；其能用来抵御机体已经形成的肿瘤，对于免疫监视机制也至关重要；后期研究人员还将继续深入研究来阐明这些长寿人群保护自身免于多种疾病的分子机制，比如感染和癌症等。

Multiple health and environmental impacts of foods

明尼苏达大学和牛津大学的一项最新研究表明，健康饮食的广泛适应性能显著减少农业，粮食生产对环境的影响。

这是科学家们第一次将食品对健康的影响与对环境的总体影响联系在一起，相关研究发现公布在PNAS杂志上，他们得出的结论是，对健康有益的食品对环境的影响最小，其它不太健康的食品，如红肉对身体和环境都有害。

明尼苏达大学生态学，进化与行为学教授David Tilman表示：“构成我们饮食的食物对我们自身和我们的环境都有很大影响。这项研究表明，饮食健康也意味着饮食更加可持续。”

这一研究强调了联合国和其他机构关于人类饮食对环境影响的最新建议。联合国Intergovernmental Panel on Climate Change 8月的一份报告建议，个人应多吃植物性食品，以适应和限制日益恶化的气候变化。

明尼苏达大学食品，农业和自然资源科学学院的生物产品和生物系统工程学教授Jason Hill说：“这项研究表明，用更多营养的食品代替红肉可以大大改善健康和环境。”

“我们所有人都会考虑食用的食物对健康的影响。而我们现在知道，将营养作为优先考虑的方向，也将为地球带来益处。”

（生物通）