《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：

Three-dimensional visualization and a deep-learning model reveal complex fungal parasite networks in behaviorally manipulated ants

有一种热带真菌寄生在蚂蚁体内，吃蚂蚁的身体来获取营养。等它生长到一定程度，会操纵蚂蚁离开蚁巢，寻找一片草叶，爬到正好25厘米高度，并挂在那里。真菌的孢子将从这里散落，感染其他蚂蚁。

这就是偏侧蛇虫草菌（Ophiocordyceps unilateralis）。它的生活史是自然界最可怕的恐怖故事之一。它还是 The Last of Us 里感染人类毁灭世界的那种真菌的由来。

然而一篇新的PNAS论文让这个故事变得更加可怕了：研究者发现了这些真菌操纵蚂蚁的可能方式。

简而言之，跳过大脑，直接控制肌肉。

很多寄生者都会以各种方式操纵宿主的行为，打喷嚏都可算一种操纵（能把病毒喷得更远），只不过十分初级。高级操纵的典型案例是铁线虫，它寄生在螳螂之类昆虫体内的时候会释放出许多神经递质，让螳螂突然间有强烈的往水里跳的冲动——然后铁线虫就会迸裂出来开始繁殖。这个操控机制还不很清楚，但看起来螳螂是真的“想”进水，哪怕这个想法是外来植入的。如果螳螂有高等意识的话，大概会觉得自己死得很幸福。

偏侧蛇虫草菌没有这么仁慈。和老老实实待在肚子里的铁线虫不同，它的菌丝渗透了蚂蚁躯体的每一个角落，唯独绕开了脑。更可怕的是，它把蚂蚁躯体的周围神经——脑用来控制肌肉的那些神经——都切断了。这些肌肉会被菌丝包围，论文作者 David Hughes 猜测，这些失去了神经的肌肉大概都已经被蛇虫草菌接管。

在最坏的情况下，蚂蚁的“心智”近乎完整， 对身体的控制却在一点点丧失。头脑发出命令，手脚却不听使唤，如同罹患阿兹海默病的老人，只是一切都发生在半个多月的时间里。

此刻，蚂蚁成了它身体的囚徒，真菌才是这具躯体的驾驭者。真菌叫它爬上草叶，它就爬上草叶；叫它咬住叶脉悬在空中，它就咬住叶脉悬在空中。就连它的咬肌都会在此之后萎缩，把它锁死在这个位置。这一切都不是出于它的本意，但却无法停下来；它是意志清醒的行尸走肉，是真菌手中的提线木偶。

死亡来得不太快，但也不太慢。菌丝贯穿了它的大脑，但一切还没结束。这条菌丝将会以它的躯体为养分，释放出更多的孢子，把它的命运再刻到同巢的其他姐妹身上，开始新的循环。

Buying time promotes happiness

人们常说钱并不能买到快乐，花钱的那一刻也许很开心，但过后快乐的心情并不能持久。买心头好的快乐可能很短暂，但研究显示钱的确可以买来快乐，提高对生活的满足程度，而方法就是去僱人为自己处理琐事，买来空閒时间。

研究访问了四千多名来自欧美多国的受访者，探讨买时间与生活快乐程度的关系。受访者当中约28%有花钱来为自己省时间的习惯，例如僱人做家务或是处理琐事等等，而他们对生活也较为满意和快乐。买时间所带来的快乐与个人收入无关，不论贫富只要肯花钱省时间也有同样效果，而研究也发现相比起物质，买时间所带来的快乐更大。

花钱买时间有两个好处，一是避免自己感到时间不够而承受压力，另外在时间控制方面也有较大的自由度不会感到力不从心，等于是令自己的心情变好。再者每个人也需要空闲时间来放鬆或是做喜欢做的事，否则会容易焦躁，甚至失眠。研究里面也提到另一个例子，就是史丹福大学崭新地尝试向医生发放为他们省时间的优惠卷，而结果是收到优惠卷的医生觉得工作和生活的平衡变好，连带人员流失率也降低了！

但研究也发现花钱买时间这做法不算太普遍，即使是富人也不一定会这样做，例如在荷兰受访的八百多名百万富翁之中就超过一半表示从未试过花钱僱人为自己处理杂务。所以若想生活过得轻松愉快一点，是时候考虑一下为自己花钱买时间了！

Identification of individuals by trait prediction using whole-genome sequencing data

J. Craig Venter这位基因测序教父级人物最近发表了一篇关于人脸预测软件的成果：在没有其它信息的情况下，通过基因组序列数据预测的外貌特征可能足以分辨某个人。但这项成果受到了猛烈的抨击，评论家们，甚至文章的一位作者都表明这夸大了通过个人基因来进行面部识别的能力，而且这会引起关于遗传隐私的不必要恐慌。

在这篇PNAS文章中，Human Longevity公司（由Venter等人创建的一家私营控股公司）的研究人员针对不同年龄和种族背景的1,061个人全基因组进行了测序，根据他们的遗传数据，以及参与者的高质量3D照片，研究人员通过一种新开发的算法预测了生物特征。他们表示，这种算法可以预测大多数人的三维面部结构、种族、身高、体重等特征。

这种方法从Human Longevity（HLI）数据库中随机选出一组人群（10个人）进行识别的准确率达到74％，研究人员认为执法机构，科学家和其他人员应该保护人体基因组数据，防止DNA信息泄漏，让人有利可趁。HLI在一份声明中表示：“HLI研究人员的一个核心信念是，目前公开的数据库并不能保护好真正的识别和完全的隐私。”PNAS：有了基因组序列，预测外貌不再远

Gut bacteria from multiple sclerosis patients modulate human T cells and exacerbate symptoms in mouse models

Gut microbiota from multiple sclerosis patients enables spontaneous autoimmune encephalomyelitis in mice

肠道微生物虽然寄居在肠道内，却对人类健康有着重要的影响。最新发表在《美国科学院院报》的两项研究显示，特定的肠道细菌可能在多发性硬化症（MS）的发展中起作用，表明微生物群有望作为疾病的治疗靶点。

多发性硬化症是一种神经退行性疾病，会导致视力下降、身体虚弱、肢体震颤，以及平衡和协调的问题。严重的病例会出现瘫痪。当免疫系统攻击包裹在神经细胞周围的髓鞘时，此病发生。虽然研究人员在过去几十年对疾病有了一定的了解，但他们仍不清楚患者的免疫系统为什么会攻击髓鞘。

在一项新发表的研究中，加州大学旧金山分校领导的研究团队发现了与MS相关联的肠道微生物，证明这些微生物在小鼠疾病模型中参与调控免疫应答，显示他们在神经退行性改变中发挥作用。两篇文章说明肠道细菌与多发性硬化症的关联

Modeling gene regulation from paired expression and chromatin accessibility data

这篇文章由中外学者完成，研究人员提出了利用匹配的基因表达和染色质可及性数据刻画顺式调控元件和反式调控元件相互作用的数学模型，将基因调控网络的建模研究从编码基因推进到了非编码区域的调控元件，有望用来注释疾病等表型相关的遗传变异。

分子生物学的中心法则指出了从DNA编码基因到RNA再到蛋白质的遗传信息的流动方向。一个基因被转录为RNA时，人们称之为“表达”。基因调控网络，即对基因表达水平进行精准控制的蛋白与DNA间相互作用。基因调控网络是几乎所有生物过程的核心。在特定的条件下，特定基因表达的启动或停止，增强或抑制，是细胞选择基因组中的调控元件和相互作用完成基本生命活动以及对外界刺激作出应答的分子基础。而且组织和细胞特异的基因调控塑造了不同的表型，是健康和疾病研究的基石。阐明基因选择性表达所依赖的调控元件及其相互作用的分子机制，需要对基因调控进行建模。特别是转录因子等反式调控元件和增强子等顺式调控元件在特定的细胞环境下如何合作使得一个基因快速转录是基因调控网络研究的核心问题。

来自中国和美国的科学家紧密合作，开展了对基因调控研究中的核心的元件（转录因子TF、染色质调控因子CR和调控元件RE）之间的相互作用的研究，进而对基因表达的定量预测进行建模，发展了网络推断的新方法PECA。PECA重点对转录调控的三个关键环节进行建模：一，基于CR与序列特异性TF的相互作用推断CR在RE上的结合位点；二，基于CR的结合和RE的可及性，预测RE的激活状态；三，基于激活RE上结合的TF预测目标基因的表达。PECA推断得到的条件特异的基因调控网络可注释数量性状位点(QTL) 研究给出的非编码区域的功能，从而对发生在非编码调控区域的点突变和结构变异与表型之间的联系给出分子机理层面的解释。该研究中利用了人类基因组计划之后的“DNA元件百科全书”计划 (Encyclopedia of DNA elements，简称ENCODE）中的数据，特别是部分具有匹配的染色质状态和基因表达数据的细胞类型，解读这些重要的数据，将极大地促进人们对后基因组时代基因调控网络的理解。

Regulation of the sperm calcium channel CatSper by endogenous steroids and plant triterpenoids

来自于加州大学伯克利分校的分子和细胞学助理教授Polina Lishko带领Nadja Mannowetza、 Melissa R. Miller完成了这一研究。他们发现，这两种存在于雷公藤、芦荟等植物中的天然化合物——扁塑藤素（pristimerin）和羽扇豆醇（lupeol）能够在低剂量的浓度下有效阻止受精作用，且对精子、卵子不会造成负面影响。

他们认为，这两种化合物可以开发成紧急避孕药，在make love之前还是之后服用，亦或者研发出皮肤贴片或者阴道环实现永久性避孕。

Overcoming catastrophic forgetting in neural networks

以顺序的方式学习任务的能力对人工智能的开发来说是至关重要的。到目前为止，神经网络都还不具备这种能力，而且人们普遍认为灾难性遗忘（catastrophic forgetting）是连接主义模型（connectionist model）的不可避免 特征。我们的研究表明有可能克服这种限制并训练出能够在很长一段时间里在它们没有经历过的任务上保持专业知识的网络。我们的方法能够选择性地减慢对这些任务而言比较重要的权重的学习速率。通过解决一系列基于手写数字数据集的分类任务和按顺序学习多个 Atari 2600 游戏，我们表明我们的方法是可扩展的和有效的。

(生物通)