本期《自然》《科学》精选

本期《自然》《科学》精选

　　

生物通综合：

11月1日

封面故事： 对神经细胞进行染色的新方法

一个多世纪以前，Ramón Y Cajal利用高尔基神经细胞染色打开了现代神经生物学的大门：通过对少量神经细胞进行染色，以前看不见的轴突和树突在其通过周围组织时就可以被看到。但高尔基染色只能以一种颜色标记少量细胞。现在，来自哈佛大学的一个小组开发出一种方法，该方法能够使一个脑回中的很多不同细胞同时被看到。这种被称为“Brainbow”的方法可用不同颜色对数百个神经细胞各自染色，从而生成一个详细的神经回路图。该技术不仅能推动在正常或病态脑中的测绘工作，而且还有可能应用到其他复杂细胞群中，如免疫系统中。本期封面所示为用“Brainbow”方法染色的小鼠海马体的一部分。齿状回（下部）的多颜色神经细胞在拱形的CA1区域的细胞下面，而大脑皮质的神经细胞可以看到在上面闪动。

乐观倾向的神经基础

抑郁（经常以悲观倾向为特征）的神经基础已经受到了广泛研究。然而，关于乐观的神经科学研究却是新事物。人类是非常乐观的物种，即使在没有根据的情况下也总是期待会产生积极的结果。例如，我们期待自己比一般人寿命更长、更健康，我们会低估自己遭遇车祸和离婚的可能性。一项将对健康的志愿者进行的脑成像研究和行为研究结合起来的研究工作，为这一现象的神经机制提供了证据。有趣的是，我们知道在抑郁症患者身上功能异常的大脑区域的活动也能预测乐观倾向。

射频扫描隧道显微镜

扫描隧道显微镜（STM）是纳米科学中最有用的工具之一。但这一技术的一个严重局限性是其时间分辨率。这个分辨率不是由隧道作用的基本物理决定的，而是由传统隧道电流读出电路有限的高频响应决定的。射频STM（RF-STM）采用一种特殊设计的射频测量电路来避免这些测量带宽限制，而且本期Nature报告的研究工作表明，RF-STM能够将时间分辨率与最新STM相比提高100倍。该新型快速成像仪器的实验演示表明，该技术适合三种潜在应用——快速表面形状研究、 纳米尺度测温和纳米机械位移传感。

听觉系统的早期发育

在内耳能够探听到声音之前，发育中的听觉系统中就出现了电活动，这种自然的活动是听觉神经细胞成熟所必需的，也是在大脑中建立听觉通道所必需的。这一效应背后的机制已经在对大鼠耳蜗所做的一系列实验中被发现。Kölliker器官（发育中的耳蜗内的一个短暂的上皮结构）中的支持细胞会自然释放ATP，激发内耳毛细胞和听觉神经纤维。这种活动在听觉开始时停止，以使声音的探听不受妨碍。这一通道的再激发有可能对“周围性耳鸣”（peripheral tinnitus）中独立于感官的活性有贡献。

对蛔虫神经回路的研究

蛔虫Caenorhabditis elegans的神经系统只有302个具有已知突触连接的神经细胞，然而它却执行很多与更复杂的生物相似的功能。这使得它非常适合让神经科学家来研究神经回路是怎样组织的。Chalasani等人对决定这种蛔虫一种觅食行为的神经回路进行了解剖研究。该回路允许探测气味的神经元激发或抑制下游的中间神经元（interneuron），它们控制一致的爬行和转身行为。将遗传学和钙成像技术结合起来，可以对信息从环境中通过传感神经元向控制趋化性和觅食的中间神经元的流动进行跟踪。这一神经回路与哺乳动物视网膜中用来探测光的神经回路具有非常惊人的同源性，这是关于信息处理的保留策略或融合策略的一个明显例子。

支持关于吸积盘的两个理论的观测证据

两个小组在本期Nature上发表了观测证据，它们支持关于相似天体物理问题的相关理论，这些理论人们长期以来都认为是正确的，但却没有得到确认。这些理论所涉及的问题是：来自吸积盘的角动量的消耗。当星际气体云在引力影响下坍缩时恒星就会形成。当这些云开始坍缩时，由于角动量的守恒，任何转动都将被放大，就像一个滑冰者旋转一样。如果不阻止，这种转动的速度将会太快，使得恒星形成无法发生，理论工作者提出，年轻恒星会通过由磁场诱导的物质外流而损失转动能量。现在有了观测结果来支持这一理论：Chrysostomou等人利用圆形偏振测量法发现，在年轻恒星HH135-136的外流物中存在螺旋形磁场。（Letter p. 71）认为活动星系核外流源于来自一个超大黑洞周围的一个转动的吸积盘的盘风的观点是有理论依据的。实践证明，这一观点的确认比较困难。现在，Young等人利用光谱偏振测量断层扫描方法确定，类星体风事实上是在转动的。类星体PG 1700+158产生的风以大约每秒4,000公里的速度在旋转，几乎是从吸积盘上垂直升起的。

确定FPT性质的新方法

一个随机的步行者多长时间能到达一个给定的目标点？ 这个数量（被称为“首次穿越时间”，英文简称为FPT）因其在真实情形如紊乱媒介中的运输、神经激发、疾病传播以及目标搜索等过程中所起作用而显得很重要。以前确定FPT性质的方法仅限于一维几何或均匀媒介。Condamin等人建立了一种普适理论，它能允许对复杂媒介中的平均FPT进行准确评估。该理论的预测结果被关于紊乱媒介、碎形（fractals）、异常扩散和无尺度网络（包括一个酵母蛋白互动网络）的几个模型的数值模拟结果所证实。

火灾发生情况对森林地区碳平衡的影响

气候、大气二氧化碳浓度和火灾频率的变化几十年来在高纬度（北半球北部）森林中一直在发生。以前的研究工作没有将这些变化与植被竞争在大尺度上联系起来，但一项新的研究工作利用一个计算机模型来模拟一百万平方公里的加拿大森林中树木与苔藓之间的竞争。结果表明，在1948和2005年之间，这一地区的碳平衡（土壤和植被获得或损失的碳的数量）在很大程度上是由火灾发生情况驱动的，而不是由气候或二氧化碳浓度增加驱动的。二十世纪末更频繁和更大的火灾以针叶树木为代价促进了落叶树木和苔藓的生长。较差的土壤排水条件抑制了景观碳平衡的变化，说明气候和水文变化的增加会不成比例地影响这些地区的碳动态。

植物和动物病原体的共同之处

很多植物和动物病原体通过将毒性或效应子蛋白注射进宿主细胞中来逃避宿主免疫系统。对真菌Phytophthora infestans（马铃薯枯萎病病原体）所做的一项研究，在效应子蛋白中发现了一种保留下来的肽，它是效应子从被称为haustoria的专门的感染结构向植物细胞中运动所需要的。这个序列（名叫RXLR-EER）最近被报道说是疟疾寄生虫“镰刀形疟原虫”向人类红血球中转位所需要的。这些研究说明，不同真核病原体可利用等价的定位信号来提供它们的效应子蛋白。

组蛋白H3K9去甲基化酶与精子的生成和成熟

过去科学家已经知道，组蛋白H3K9去甲基化酶JHDM2A在由雄性激素受体调控的转录激发中扮演一个角色。现在对小鼠Jhdm2a基因的定向破坏表明，这种酶涉及精子生成和转换核蛋白及鱼精蛋白基因的调控。这项工作表明，这种组蛋白去甲基化酶在精子产生和成熟后期扮演一个角色，而且Jhdm2a成为尚未被完全确定性质的不育症的一个可能的候选基因。

11月2日《Science》
 猫猴是灵长类的最近亲
本期一篇报告指出，一种能在空中滑翔的东南亚哺乳动物猫猴(golugos)是灵长类现今活着的最近亲。猫猴也叫飞狐猴(flying lemurs)，但是它们不飞，也不是狐猴。它们看起来像大的松鼠，有类似蝙蝠的“翅膀”，使它们能从一棵树滑翔（不是飞）到另一棵树。Jan E. Jace?ka和一个国际小组用两种独立的方法进行了研究。他们首先比较了灵长类、猫猴、和树鼩(三者都在Euarchonta进化枝上)基因组中的一个名为插入缺失(InDels)的DNA序列变化，以及30种哺乳动物物种中的InDels序列变化。灵长类和猫猴共享7个罕见的遗传变化，其它哺乳动物最多共有一个变化。文章共同作者William J. Murphy把这些变化叫做“亲缘关系的历史标记”。在第二轮的研究中，研究人员用计算机程序来比较来自5个关系密切物种的DNA中13,000个碱基对的类似或不同之处，这五个物种分别来自Euarchonta进化枝(灵长类、皮翼目、树鼩目)、啮齿目、以及兔形目，该比较再次揭示猫猴与灵长类的关系最近。该小组提出，他们的新结果表明，猫猴应该被放到需要做全基因组测序的灵长类名单上，而不只是做不太严谨的序列草图。
英文摘要：Molecular and Genomic Data Identify the Closest Living Relative of Primates,Jan E. Janecka, Webb Miller, Thomas H. Pringle, Frank Wiens,el al.

问题蛋白质也许是妊娠糖尿病的原因
研究人员在小鼠身上发现了一个蛋白质，该蛋白质在妊娠期能抑制胰岛素生产细胞的产生，与妊娠糖尿病的主要特征有关。如果这一发现对人类也适用，这项研究也许能帮助解释这种常见的妊娠并发症，而且也许能提出新的药物治疗战略。过去对小鼠和人类的研究曾发现妊娠期胰腺中所谓的beta细胞增殖，这使身体产生更多的胰岛素，以响应生长胚胎给母体增添的代谢需求。但是控制该增殖的分子机制在此之前一直不清楚，对增殖的控制帮助防止孕妇患妊娠糖尿病。Satyajit Karnik 和同事通过研究小鼠模型和人类细胞，发现menin蛋白质在妊娠中抑制beta细胞的生长。与妊娠有关的激素催乳素(prolactin)看来维持胰岛中menin的低水平，胰岛是生产beta细胞的地方。这些结果提出，减少menin是身体刺激beta细胞增殖的一个自然的方法，menin或控制其活性的信号发生路径中的缺陷也许是妊娠糖尿病的原因之一。
英文摘要：Menin Controls Growth of Pancreatic ?-Cells in Pregnant Mice and Promotes Gestational Diabetes,Satyajit K. Karnik, Hainan Chen, Graeme W. McLean,el al.

克服害虫对Bt毒素的抵抗力
研究人员报告说，新制造的Bt毒素也许能延缓害虫对其产生耐性，Bt毒素由苏芸金杆菌(Bacillus thuringiensis)天然产生，被广泛地用于控制害虫。带有Bt毒素的植物通常能保护自己不受害虫比如蚊子和蝶、蛾幼虫的困扰，而且这些植物对其它生物体无害。但是一个主要的担心是，吃作物的昆虫最终会产生对这些毒素的抵抗力。最常用的Bt毒素属于Cry1A家族，这些毒素必须与害虫肠内的“cadherin”受体结合才有效力。Mario Soberón 与墨西哥和美国的同事曾确实，害虫通过突变使cadherin受体失活，产生对Bt毒素的抵抗力。他们还揭示，改造的毒素能杀死抗Bt的害虫，虽然这些害虫的cadherin受体失去功能。一篇相关的研究评述讨论了这些发现。
英文摘要： Engineering Modified Bt Toxins to Counter Insect Resistance,Mario Soberón, Liliana Pardo-López, Idalia López, Isabel Gómez,el al.

火星赤道丘陵也许含有大量的冰
一篇报告称，对火星赤道丘陵的雷达探测提示，这些丘陵也许含有相当于该恒星极地冰帽那样大体积的水。Medusae Fossae构成看起来是火星赤道上被认为是由火山灰和风带来的沉积物形成的一个丘陵区域。Thomas R. Watters和一个研究小组用火星快车飞船上装载的火星地下和电离层探测高新雷达来对该区域做了雷达回声测量。他们看到了沉积物之下的行星表面反射。在分析了雷达回声穿过沉积物的延迟后，他们发现该形成与其由冻结水构成的一致。如果这些丘陵富含水，它们所含的水量与火星南极分层沉积中的相当。Watters和论文共同作者写道，他们不能排除沉积是由一种奇怪的低密度材料组成的、其中只有少量的冰的可能性。
英文摘要：Radar sounding of the Medusae Fossae Formation Mars: Equatorial Ice or Dry, Low-density Deposits?,Thomas R. Watters, Bruce Campbell, Lynn Carter, Carl J. Leuschen,el al.