本期《自然》《科学》精选

本期《自然》《科学》精选

　　

生物通综合：

9月27日《Nature》

封面故事：超导量子位之间的信息传输与交换

用微制造方法制造的超导电路元件，能够利用量子行为进行信息处理。与经典信息位不同的是，量子信息位（qubits）能形成所谓的“超级位置”，即由ON 和 OFF组成的混合状态，从而能提供更快的、自然形式的并行处理。以前，研究人员已经实现了多达4个量子位的直接量子位-量子位耦合，但现在两个独立小组演示了下一个关键步骤：两个超导量子位置之间通过一个量子母线进行的量子信息通信和交换，而这个量子母线是以由一根几毫米长的超导传输线形成的一个共振腔的形式存在的。利用这一微波腔，就有可能在两个量子位之间存储、传输和交换量子信息。它还能进行多路复用量子位读出。这种基础架构本身可以扩展，从而为大量超导量子位之间的相干互动提供了可能性。本期封面所示为一个长的之字形共振腔或量子母线，它连接着两个小的超导相量子位。

树状细胞与免疫反应的关系

树状细胞存在于血液和暴露于环境中的组织中，如皮肤和鼻子、肺、胃和小肠的上皮组织。它们的作用是调节对当前环境刺激的先天和后天免疫反应。在一篇Review文章中，Ralph Steinman 和 Jacques Banchereau讨论了树状细胞具有医学意义的性质。病原体和肿瘤能够利用树状细胞来逃避免疫，从而使它们成为进行药物治疗的逻辑目标。但它们还能产生抵抗力。在过敏、自免疫和对移植器官的抵抗过程中，树状细胞可能会激发我们不想要的反应，但这种反应也可以加以利用，来抑制这些状况。

葡萄基因组完成测序

本期Nature发表了葡萄的基因组序列。这是已测序的第四种开花植物的基因组序列、第二种木质植物的基因组序列和第一种果木的基因组序列。 该新序列的重要意义在于它揭示了基因复制在开花植物演化中的作用。但为什么非遗传学家对其感兴趣的原因主要是它的商业应用。这种葡萄的品种是Pinot Noir。

从臼齿排列看发育与演化之间的关系

现在已经清楚的一个事实是，生态是决定生命多样性中的一个主要因素。但发育中是否还有引导演化的因素？“演化-发育”（Evo-devo）研究的目标是，通过考查不同动物和植物相对于我们所了解的它们的祖先关系的发育过程来回答这个问题。小鼠臼齿的排列是对发育与演化之间联系的一个有效检验。第一颗臼齿大于它后面的一颗，而后面这颗又大于第三颗、即最靠后的一颗。Kavanagh等人通过实验对此进行了研究，发现臼齿发育遵守一种抑制性级联模式。结果表明，虽然饮食一直是牙齿演化中的驱动因素，但发育能够产生可供自然选择过程利用的选择项目。对于常给我们带来麻烦的智齿而言，其之所以有麻烦，原因可能是我们的抑制性级联比较弱。

一种能将尿嘧啶从DNA中除去的酶“警察”

尿嘧啶属于RNA，它在其中的位置跟胸腺嘧啶在DNA中的位置是一样的。但如果尿嘧啶错误地出现在DNA中，它会导致潜在有生命危险的突变。这种情况一般会因胞嘧啶的化学改变而出现。为了防止这种威胁，细胞会利用一种酶（被称为“尿嘧啶DNA糖基酶”，简称UNG）来将尿嘧啶从DNA中除去。这种酶保护DNA不受“误入歧途”的尿嘧啶威胁的详细机制现在已经被揭示出来。DNA螺旋不是静止的，而是处在一种非常像分子“呼吸”的过程中，碱基对短暂分开和重新形成。当一个尿嘧啶碱基出现时，它会被“尿嘧啶DNA糖基酶”从螺旋中抓出来，并除掉。与尿嘧啶只有一个甲基差别的胸腺嘧啶同样也会被抓住，但由于它并不是非常适合这种充当“警察”的酶的活性点，所以它会被释放，去做其在DNA分子中应做的事情。


钠熔化温度在压力诱导下下降的原因

研究人员最近发现，当施加高压时，锂和钠的晶体会发生一系列相变，包括一种（对钠来说）另人吃惊的、但目前尚未得到解释的现象——钠熔化温度在压力诱导下的下降。现在，Jean-Yves Raty等人识别出了这一异常熔化行为的原因：它的出现是因为液态钠经历了一系列转变，与在固态中所见的转变相似，但所处压力要低得多。有趣的是，这些转变中的一个是由电子状态密度中一个“假间隙”的开放驱动的，这是这样一个效应首次在一种液态金属中被观测到。


关于“西太平洋暖池” 上大气对流所起作用的证据

“西太平洋暖池”（赤道太平洋西部一个温暖水域）上的大气对流是热带以外地区热量和水蒸气的一个主要来源，所以这一过程在过去的全球气候变化中可能扮演一个重要角色。这个角色此前一直不能确定，因为缺少来自这一地区的年代明确的高分辨率气候记录。现在，我们已经有了这一缺失的数据，即来自北婆罗洲三个洞穴石笋的一个氧同位素记录，它反映了过去27,000年千年时间尺度上的热带太平洋水文变化。该记录表明，热带太平洋水文周期对于北半球和南半球的高纬度气候过程以及外部辐射力都是敏感的，而且它可能在突发气候变化事件中曾经扮演一个重要角色。


中国华东地区最早的农田水利设施

华东是早期的一个水稻栽培中心，但人们对该地区最早的农业系统却知之甚少。来自华东已知最早新石器时代遗址（距今大约7,700年前）的新的生态证据表明，新石器时代群落选择低地沼泽来栽培水稻。为了防止稍咸的水定期淹没稻田，人们采用的办法可能是修建堤坝，这种堤坝既能防止发生大洪水将稻田淹没，又能保留一些含有丰富养分的季节性洪水。这样就可以保证水稻高产所需的稳定供水。这个地点的开发利用在距今大约7,550年前被海水淹没后就停止了。这意味着水稻耕作要比以前所证明的古老得多，在从中石器时代的狩猎生活向新石器时代定居农业经济转变（人类文化史上的一个关键性转变）开始就存在了。

OR7D4受体基因变异对气味感觉的影响

不同人对特定气味的敏感性及他们对这些气味的主观体验都有很大差异。一项新的研究首次表明，人体一个单一气味受体中所发生的遗传变异与人的感觉差异相关。OR7D4是一种气味受体，在体外可被Androstenone选择性激发，后者是一种睾丸酮代谢物，被一些人认为是一种催情药，称作“佛洛蒙”。编码OR7D4的基因发生的变异会影响有这种变异的人是怎样想Androstenone的气味的——有些人认为它很好闻，另一些人则认为它很讨厌，还有一些人会发现它没有气味，同时也会影响人对这种气味的感觉又有多强烈。


细胞的“转分化”和“脱分化”

成熟分化的细胞类型是怎样被控制的、通过充分分化的细胞类型能够实现什么程度的发育弹性？这是发育生物学和干细胞研究中一个重要的、基础性的问题。这个领域的一个中心问题，即细胞是通过直接“转分化”（transdifferentiation）被直接重新编程为一种不同细胞类型的、还是在沿被称为“脱分化”（dedifferentiation）的另一条路径前进之前采取了一个向后的步骤而进入一种更不成熟的状态，由本期Nature上发表的一篇研究报告得到了回答。Cobaleda等人演示了在成熟B-淋巴瘤细胞转化成功能性T-细胞过程中的“脱分化”。Pax5（一个对于B-细胞分化和功能很重要的转录因子）的删除引起成熟B-细胞脱分化成能够产生T-细胞的先祖细胞。Pax5已知在癌症中也扮演一个角色，它的缺失已知能诱发由先祖细胞形成的淋巴瘤。

9月28日《Science》

史前基因组的窗口—毛干DNA
一个国际研究小组测序了来自13只西伯利亚的长毛猛象毛干的DNA，他们的工作可能使研究许多博物馆收藏的别的动物的基因组成为可能，其中有些样品的收藏年代有几百年了。古老的DNA在毛发中能比较好地保存下来，而且在寒冷的地方相对容易地找到，但是比较容易被污染。M. Thomas Gilbert和同事现在报告说，毛干可能成为比骨骼更好的细胞线粒体DNA的来源。这些研究人员用名为“合成测序(sequencing-by-synthesis)”的方法测出了13只长毛猛象线粒体的基因组，其中包括著名的长毛猛象亚当，亚当是1799年被发现的，200多年来一直保存在室温下。文章作者写道，这些发现“也许使我们能为达尔文、洪堡、和林奈的收藏增加分子遗传的数据”。
英文摘要：Whole-Genome Shotgun Sequencing of Mitochondria from Ancient Hair Shafts,M. Thomas P. Gilbert, Lynn P. Tomsho, Snjezana Rendulic, Michael Packard, el al.


早期波利尼西亚的长距离旅行
研究人员用元素分析的方法将太平洋中的一个珊瑚环礁上发现的木工工具与几千公里远的夏威夷群岛联系起来。这一发现支持了这样的理论：早在欧洲影响出现之前，太平洋岛屿之间就存在着长距离海上交通网，可追溯到至少1000年前。口述历史中有岛上居民利用风向用独木舟从夏威夷到大溪地岛(Tahiti)以及遥远的土阿莫土群岛(Tuamotu Archipelago) 航行的描述，距离相当于跨越西欧。Kenneth D. Collerson和Marshall I. Weisler检测了在土阿莫土 群岛的珊瑚环礁上发现的19个玄武岩锛子中的微量元素和同位素组分，这是一种像锄头的伐木工具。其中18个锛子的玄武岩的组分表明它们来自该地区的5个火山群岛，但是有一个锛子是用来自夏威夷的卡和和拉威岛的夏威夷岩制造的，卡和和拉威岛距环礁约4000千公里。Ben Finney在一篇研究评述中写道，类似的化学研究可能支持更多的波利尼西亚远距离旅行的故事。
英文摘要：Stone Adze Compositions and the Extent of Ancient Polynesian Voyaging and Trade,Kenneth D. Collerson and Marshall I. Weisler
英文摘要：Tracking Polynesian Seafarers, Ben Finney


新基因图谱揭示更高的人类多样性
一种新的基因图谱技术识别出人类基因组中有许多DNA翻转、重组、拷贝或删除的地方，意味着人的遗传多样性比过去认为的要高。科学家用这种被称为Paired End Mapping的方法在两个不同民族背景女性的基因组中发现了1300多处与过去测序的欧洲基因组比不同的“结构变异”。Jan Korbel和同时说，实际上，结构变异也许比单个字母突变能更好地解释个体之间的遗传差异。研究人员找到的这些变异的大约16%可能影响遗传功能，图谱可能为这些变异是如何产生的提供线索。
英文摘要：Paired-End Mapping Reveals Extensive Genomic Structural Variation in Humans,Jan O. Korbel, Alexander Eckehart Urban, Jason P. Affourtit, Brian Godwin, el al.


危害苹果的蛾子抵抗害虫控制病毒
一项新研究报告说，在欧洲危及苹果和其它作物的蛾子对一种广泛使用的生物害虫控制方法已经形成了抵抗力。Sabine Asser-Kaiser和同事在德国南部的有机苹果园中记录到了这个趋势，并揭示了抵抗力基因是如何在蛾子种群中扩散的。世界范围内，每年大约有200万到300百万公顷的作物被喷洒杆状病毒(baculovirus)，该病毒不影响作物，但能杀死几种农业和森林害虫。人们通常认为害虫不能象它们对化学杀虫剂产生抵抗力那样产生对杆状病毒的抵抗力。但是，本文作者现在揭示抵抗力通过蛾子的两个性别染色体上的一个基因在危害没熟小 苹果的蠹蛾(Cydia pomonella)中很快地扩散。作者说， 这种抵抗力的相对快地出现能用三个因素的相互作用来解释，首先，该基因是性连锁的；第二，它在低病毒浓度时呈显性，而高病毒浓度时呈隐性；最后，杆状病毒趋向于遗传同质。
英文摘要： Rapid Emergence of Baculovirus Resistance in Codling Moth Due to Dominant, Sex-Linked Inheritance,S. Asser-Kaiser, E. Fritsch, K. Undorf-Spahn, J. Kienzle, el al.