本期《自然》《科学》精选

本期《自然》《科学》精选

　　

生物通综合：

3月13日《Nature》

封面故事：“湾流”对大气高层的影响

“湾流”（Gulf Stream）是一个大西洋暖流，它将热量向北输送，使西欧在冬季要比北美明显温暖。人们知道它会影响短期天气现象，如地表风及气旋的形成等，但它对长期气候及大气高层的效应却不是很清楚。现在，将天气分析、卫星数据及一个大气环流模型结合起来的一项研究显示，“湾流”的影响在大气层中远远高于地表的部分也能感受到。该洋流形成一个由上行运动的大气构成的高墙，该高墙穿进对流层中，支持深层的雨云。这为“湾流”影响局部气候提供了一个通道，“湾流”通过这个通道还可能利用对行星波传播的一个效应来影响远距离之外的其他地方的气候。在本期封面图片上，表面洋流速度用蓝-白色表示（白色是最快的），上行风速度用黄-红色表示（红色表示更强的风），图上同时还有北美东部的地面-海洋表面地形。封面图片提供：F. Araki and S. Kawahara, ESC JAMSTEC

种群生物学和基因组学的交汇

在其关于适应性的遗传基础的综述文章中，Hans Ellegren 和Ben Sheldon提出，种群生物学和基因组学领域正在向一个点上交汇，在这个交汇点上，科学家们在我们对自然种群的演化的认识方面很快就有可能取得重大进展。以动物为研究对象（尽管用植物所做的类似的研究工作也在进行中），他们解释了基因组方法何以能够确定自然种群中的基因型-表现型关系，从而为了解定量变异的遗传架构及自然选择的遗传基质提供线索。


新的一类家畜用驱虫药被发现

用药物来控制家畜的病原性蛔虫的方法（这是现代家畜管理的一个重要工具），因对目前可供使用的所有三种类型的驱虫药的多药物抗药性的传播而正在被葬送。在过去25年里，除了“环缩酚酸肽”（cyclodepsipeptides）之外（该药用于猫，而不能用于家畜），没有新类别的驱虫药进入市场。现在，Kaminsky等人报告，他们发现了一个新类别的驱虫药——胺基乙腈衍生物，它们似乎是通过线虫特有的乙酰胆碱受体发挥作用。它们对各种不同的家畜病原体都有效，而且如果被证明对动物是成功的话，也许还可能用于人类，因为人体寄生虫的抗药性也在增强。

PKM2在癌细胞代谢中的作用

胎儿组织和肿瘤等迅速增长的组织中的代谢调控往往与大多数正常成年组织中不同，很多肿瘤细胞已知表达糖酵解通道酶——丙酮酸盐激酶（PKM2）的M2（胎儿）形式，而不是表达成年M1异形体。本期Nature上两篇相联系的论文专门对PKM2在肿瘤细胞中的作用进行了研究。在第一篇论文中，PKM2通过蛋白组筛选方法被识别为一种磷酸化酪氨酸结合蛋白。内生PKM2被一种不能结合磷酸化酪氨酸的点突变体的取代会影响癌细胞在培养中的生长，说明通过磷酸化酪氨酸结合来调控PKM2活性对于癌细胞增殖是必需的。在第二篇论文中，PKM2被发现促进肿瘤生成，并且会将细胞代谢变成乳酸产生量增加、耗氧量减少的状态。这种模式很像Otto Warburg上个世纪30年代所观察到的Warburg效应的关键方面，即很多癌细胞要通过糖酵解产生能量，之后是在细胞质中进行的乳酸发酵，而不是更常见的丙酮酸盐的线粒体氧化。

SATB1可能是乳房肿瘤的治疗目标

对正常的及癌变的乳房上皮细胞系所做的一项研究表明，染色质组织器SATB1在进攻性的乳房癌细胞中表达，而不在正常细胞中表达。它在乳腺癌中经常是过度表达的，与预后较差有关，而且它还改变有助于增强肿瘤生成及转移的很多基因的表达。所以，SATB1似乎起一种基因组组织器的作用，促进乳房肿瘤生长和转移，而且它还可能是一个有用的治疗目标。

地球类行星最初是怎样形成的

地球类行星的形成被认为开始于星际颗粒的凝聚，这些星际颗粒直径只有1微米，它们能较快地形成直径分别为1毫米（沙子）、1厘米（砾石）和1米（顽石）的物体。在原始行星盘中观测到这么小的物体的可能性看来是非常小的，但将KH 15D交食双星体系中尘埃盘的反射光谱及不规则几何结合起来，研究人员获得了这一过程的一个间接观测结果。从这个盘反射出的光的光谱与存在“沙粒”的事实相一致，这些“沙粒”在宿主恒星的陆地区域增长到直径大约为1毫米或更大。

用DNA搭建超级分子结构的方法

通过利用分子的可编程性来控制它们的相互作用，已经从DNA获得了各种不同的有特定规律的材料和纳米结构。但用当前的制造方法制备更大、更复杂的三维结构将需要数百个独特的DNA链，这是一个与现实相差很大的命题。现在已经有了办法。来自杜克大学的一个小组开发出一种模块化方法，它就像是一种用DNA来搭建的“乐高积木”。少量DNA分子通过程序控制折叠成一个基本结构单元，然后4个、20个或60个该单元的拷贝根据反应条件分别组装成四面体、十二面体或巴克球（buckyballs）。其他复杂结构也应当可用这种办法来组装。

多样性与生产力之间在演化时间尺度上的关系

若干研究表明，物种多样性与生态系统生产力之间在短时间尺度上存在正相关，但我们对它们在演化时间尺度上是怎样关联的知之甚少。用细菌作为实验模型是解决时间尺度问题的一个办法。在用演化约500代的荧光假单胞菌（Pseudomonas fluorescens）微环境所做的一项实验中，由环境异质性和扩散所驱动的适应性辐射导致功能多样性和生产力（二者都在中间扩散速度时达到峰值）之间一个正相关的从新形成。这表明，演化多样化过程在形成与在自然界中所观测到的群落及生态系统特性相关的特性中起中心作用。

确定基因组中DNA甲基化模式的方法及其应用

一种新开发的定性一种生物的“methylome”（即基因组中DNA甲基化的模式）的方法，已被用来生成拟南芥中甲基化的胞嘧啶的一个分布图，其分辨率达到单个碱基对的水平。被称为BS-Seq的这种方法将基因组DNA的亚硫酸氢盐处理与超高通量的DNA测序结合起来，从而获得比以前更精确、更全面的结果。DNA甲基化在调控基因表达中是一个重要因子，而且这种方法（可应用于像小鼠及拟南芥这样的更大的基因组）会被证明是关于这种形式的基因调控研究中的一项重要进展。

一种能够抑制皮肤细胞“干性”的微RNA

上皮组织如皮肤等能够自我更新，这要感谢最底层中的干细胞。由这些干细胞生成的细胞在朝着组织表面生长的过程中会分异，失去增殖能力。现在，一种微RNA被与这一分层及分异过程联系了起来。这种微RNA即miR-203，它并不在上皮干细胞中表达，而是在细胞进行分异时产生的。它抑制细胞的“干性”（stemness），通过抑制p63（已知调控皮肤中干细胞维护的一种蛋白）的生成来实施分异。

与C. difficile脱水酶相关的一种烯丙基羰自由基

在人的肠道中，名为Clostridium difficile的细菌（是世界范围内医院感染的一个普遍原因）把l-leucine既当一种氧化剂利用又当一种还原剂利用。发酵过程涉及一个在化学上要求很高的脱水步骤，该步骤是由一种含有铁-硫团的脱水酶催化的，被认为涉及羰自由基（ketyl radicals）。这个怀疑已被结合到这种脱水酶上的一种与产品相关的烯丙基羰自由基（allylic ketyl radical）的识别而确认。以前所描述的自由基酶需要辅酶B12、S-腺苷甲硫氨酸（S-adenosylmethionine）或氧等自由基生成剂的帮助。这样的帮助对C. difficile 2-hydroxyacyl-CoA脱水酶是不需要的，从而使得这种酶成为生物化学中一种前所未有的酶。在厌氧环境中生长的其他细菌中也许能找到类似的酶。

3月7日《Science》

海参皮肤启发了关于新型材料的灵感

研究人员已经研发出了一种新型的材料，该材料就像海参一样可以在僵硬与松软状态之间转换。这样的材料也许某一天可用于生物医学移植上，如作为围绕脑中微电极的保护鞘：该保护鞘在植入的时候应该是呈刚性的，但可在以后变成柔软状态，以减轻对周围组织的冲击。

微电极现在被用于帕金森氏症、中风及脊髓损伤的治疗，但这种治疗随着机体在坚硬的移植物周围生成疤痕组织而降低了其疗效。Jeffrey Capadona及其同事在某橡胶状共聚混合物中加入了纤维素纳米纤维，或称晶须。当研究人员加入一种引起氢键结合的溶剂后，该溶剂打断了纤维之间的键合，因而使该材料变软。当该溶剂挥发之后，在晶须之间的网络结构会重新形成，因而使该材料变硬。本文作者所用的是来自被称为被囊动物的固着海洋动物套膜中获取的纤维素晶须。但他们说，可再生性物质如木材和棉花也可作为类似纳米纤维的来源。

大峡谷年龄有多大

整个大峡谷的洞穴形成的新的证据表明，该峡谷在至少1700万年以前就已经裂开了。关于该峡谷的“切割历史”的争议已经有100多年了，其中部分原因是某些较为常见的用来测定地质学事件的方法无法追溯到大约100多万年之前。现在，Victor Polyak及其同事应用改良的铀—铅同位素日期测定方法对该峡谷的乳头状构造或“洞云”（即在地下水位水平形成的碳酸盐沉积物）进行了观察。假设这些构造的形成提供了人们一个地下水位随着峡谷的深化而向下跌落的记录，研究人员显示，该峡谷的西端最为古老，并通过向源侵蚀持续地向东开裂。该峡谷东部被切割开的速度比起西部要快得多，而该峡谷可能在600万～500万年前被全部切割开来。Tim Atkinson与Michael Leeder在一则相关的观察文章中说，这一时间的测定对地质学家来说可能并不太意外，但是，该项新的研究第一次将有关日期建立在一个牢固的基础之上。

跨越文化背景的合作

一项新的研究指出，当占便宜者因为将其私利置放在共善之上而受到惩罚的时候，这些人是接受对他们的惩罚，还是以同样的方法进行报复，似乎取决于他们生活在怎样一种社会中。Benedikt Herrmann及其同事开展了一种所谓的“共善”游戏的实验，参与该游戏的是全世界16个不同城市的大学生。这些人被分发固定数量的代币，并被赋予将其贡献给某小组项目的选项。在每一轮游戏结束之后，每个人的贡献情况会被披露，而参与者可以因为他们所作的选择而相互惩罚，方法是拿走他们的一些代币，尽管这种选项也会使施行惩罚者同样付出一个代币。如以前的研究一样，参与者愿意付出他们自己的一个代币来惩罚那些投资额低的人或占便宜者。但是，本次研究的一个新的发现是，在接着的几轮游戏中，那些被惩罚的投资额度低的人会采取报复手段来惩罚那些贡献额度较高的对手。或者说至少在某些城市的参与者中有这样的行为。而在其他城市的参与者中，这些“报复性惩罚”的发生频度要低得多。研究人员发现，这些结果与其他观测这些来自相同的社会中的公民合作和法治等社会规范的调查数据具有相关性。研究人员提出，在那些对公共合作习以为常，而且人们对其执法机构有信任感的社会中，报复事件一般可以避免。但是，在那些与不相干陌生人合作的现代道德规范仍然鲜为人知且法治薄弱的社会中，报复事件则更为常见。一则相关的观察文章将详细介绍这一研究。