《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：

Phylogenomics reveals rapid, simultaneous diversification of three major clades of Gondwanan frogs at the Cretaceous–Paleogene boundary

在距今6500万年前的白垩纪末期，发生了地球史上一次著名的生物大灭绝事件，约三分之一的科属、75%--80%的物种灭绝，其中包括当时在地球上处于霸主地位的恐龙及其同类。该灭绝事件最大的影响一般认为在于为哺乳动物及人类的最后登场提供了契机。蛙类两栖动物是陆生脊椎动物中物种数量最多的类群之一，目前已被发现的物种超过6600多个，物种数量比我们所熟知的哺乳纲动物的物种数量总和还要多。

长期以来，动物学家都认为蛙类起源于2.5亿年前的早三叠纪时期，其丰富的物种多样性是长期进化积累的结果，白垩纪末期的生物大灭绝事件并没有对蛙类的演化历史产生显著的影响。

在这篇文章中，研究人员收集了全球164个蛙类物种标本，包含了80%的现生蛙类动物科级分类单元。中山大学最新PNAS文章受多方关注

Overcoming catastrophic forgetting in neural networks

作为世界上最受瞩目的人工智能技术研究机构之一，Google DeepMind 总是在不断带来我们惊喜。在去年的官方总结中，DeepMind 指出，‘2016 年，我们的另一重要研究领域是记忆（memory），特别是如何将神经网络的决策智能和有关复杂结构化数据的存储、推理能力结合起来的难题。’

近日，DeepMind 又发布一份新研究（这一方法不同于之前提出的 PathNet），宣称实现了神经网络的连续学习（Continual Learning），让计算机程序可以不忘记之前学习过的内容并渐进式地学习新内容。这篇论文结合了生物学、突触弹性理论，并讨论了突触不仅存储权重还存储这一权重不确定性的理论。这项研究得到了广泛的关注，比如 Bloomberg 的报道写道，这项研究‘可能将为能被更轻松地应用于多种任务的人工智能系统开启新的道路，它也应该可以提升人工智能系统在任务之间迁移知识的能力和掌握一系列互相链接的步骤的能力。’机器之心在此对 DeepMind 与该研究相关的官方博客文章和论文摘要进行了介绍。

学习执行任务的计算机程序通常也会很快地忘记这些任务。这一研究表明可以修改学习规则使程序在学习新任务的时候还记得旧任务。这是向能渐进学习和自适应学习的更加智能的机器所迈出的重要一步。

Cytokine signature associated with disease severity in chronic fatigue syndrome patients

在2010年经过5个月横跨亚洲的自驾游之后，22岁的大学毕业生Matthew Lazell-Fairman开始经常感到疲劳、肌肉酸痛和头痛。医生建议他去健身，但在第一次训练之后，Lazell-Fairman的身体彻底崩溃了：他疲惫不堪以至于无法工作，并且从未从这样的状态中恢复过来。现在，Lazell-Fairman每天只能做几个小时的低强度活动——比如烹饪，其余的时间他不得不躺在床上。

全世界约有1700万像Lazell-Fairman这样的慢性疲劳综合征(CFS)患者。CFS又被戏称为“雅痞病”，人们对这种疾病知之甚少，其确切原因仍然未知，目前既没有标准诊断工具也没有有效的治疗方法。近日，斯坦福大学医学院的研究人员发现，血液中免疫分子的水平与CFS患者症状的严重程度有关。这一结果或许能为这个病因不明的疾病提供新的洞见及衡量疾病进展和评估治疗的方法。

Neural correlates of the LSD experience revealed by multimodal neuroimaging

这是科学家首次完成LSD作用于大脑成像研究，被称作50年以来最大的突破。LSD是什么？就是一种致幻剂，据称，吸食LSD在硅谷这种高科技产业区十分常见，乔布斯都说这吸食LSD是他做过最重要的事之一。

科学家对注射过LSD的志愿者进行了大脑扫描成像。他们发现，在LSD的作用下，大脑的不同部分竟然可以相互沟通。也就是说，就算你闭着眼，你的视觉皮层仍然处于激活状态。

同时，原本处于同一个神经网络的各个部分，在LSD的作用开始分散，这就导致了“天人合一”的感知，这种个人性逐渐消散的现象也被称作“自我消解”（ego dissolution）。

这一研究为LSD用作精神疾病的治疗打下了基础。 由于这种药物对大脑区域的影响巨大，很可能可以改变抑郁症和成瘾症作用下的大脑思维模式，从而治疗抑郁症和成瘾症。

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。

Probabilistic model predicts dynamics of vegetation biomass in a desert ecosystem in NW China

中国科学院西北生态环境资源研究院（筹），即原中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，沙坡头沙漠试验研究站王新平研究员与合作者在荒漠生态系统生物量与土壤水分的动态耦合研究方面取得重要进展。

基于沙坡头站对研究区降水、土壤水分、植物群落特征的长期观测资料，王新平研究员及其合作者在分析降水随机分布（泊松过程）、植物光合及气体交换特征的基础上，综合考虑冠层截留、土壤导水率及凋萎系数对水分传输及土壤有效水分的影响，确定了单位生物量碳增长、碳损失和蒸腾耗水等关键参数，刻画了具有高度时间依赖性的生物量动态概率分布特征（图1）。同时，利用试验观测的植物冠幅与群落盖度、根幅与冠幅的比例关系，在空间上对生物量-土壤水分动态耦合关系进行尺度转换，构建了耦合土壤水分的植被生物量动态微分方程，该方程解析了植物光合、呼吸和蒸腾作用对土壤水分的响应与反馈机理。对比分析表明，季节性稳态生物量累计概率分布与实测结果基本一致，模型分析的生物量（平均值±标准差）与实测值也大体相当（湿润季分析值和实测值分别为：178.4 ± 44.4 g m-2，185.0 ± 37.6 g m-2；干旱季分析值和实测值分别为：62.6 ± 15.1 g m-2，68.4 g m-2（注：因干旱季仅有一次实测，无标准差））。在植物生长周期不变的前提下，当降水日数增加10%，降水日的日平均降水量也增加10%（Gao et al., 2012）时，模型预测的土壤水分未发生明显变化，而生物量将增加约25%，降水增加主要补偿了植被的蒸腾耗水（生物量增加）。因此，未来气候（降水格局）变化对植被的影响将大于对土壤水分的影响。

Human genome-wide repair map of DNA damage caused by the cigarette smoke carcinogen benzo[a]pyrene

先前的研究已证明，吸烟引起DNA损伤，导致肺癌。日前，UNC医学院的科学家们首次创建了一种在基因组水平以高分辨率有效反映DNA损伤修复位点的技术。

UNC医学院生物化学和生物物理学实验室的Sarah Graham Kenan教授发明了该项技术。在“美国国家科学院院刊”上发表的一项研究中，Sancar及其研究小组开发了一种新型技术，用于在基因组水平查找正常DNA损伤后的修复位点。科研人员用这种技术来描述主要化学致癌物-苯并[a]芘（benzo[α]pyrene）所引起的DNA损伤。

Maize defective kernel mutant generated by insertion of a Ds element in a gene encoding a highly conserved TTI2 cochaperone

玉米具有丰富的表型变异，利用数量遗传学手段包括关联分析和连锁分析等，研究人员已经鉴定了大量影响表型变异的遗传位点，但这些位点影响表型变异的机制尚不清楚。康奈尔大学发现影响表型变异的SNP主要富集于基因编码区（CDS），约解释表型变异的50%，这符合人们的预期“编码区的SNP可以引起蛋白质变化”，令人吃惊的是，位于基因间隔区，尤其是“开放染色质区”的SNP对表型变异具有重要贡献（~40%）。对于某些性状，比如叶夹角，开放染色质区域SNP对表型的贡献甚至高于编码区SNP的贡献。这一研究预示染色质的状态对玉米表型变异具有重要影响，其重要意义在于：对于编码区（占基因组的2%）和“开放染色质区”（占基因组的1%）的研究可以捕捉绝大部分影响表型变异的位点，从而极大缩小了人们对影响玉米表型变异功能基因组的寻找范畴。该研究利用“MNase超敏位点测序”检测玉米染色质状态，同时发现“开放染色质”主要位于基因附近，显著影响基因表达和重组，并与表观遗传修饰强烈相关。进一步结合其它研究染色质修饰的方法，将可能进一步缩小功能基因组的范围，从而有助于人们迅速定位玉米基因组中影响表型变异的功能元件。

Metabolic features of chronic fatigue syndrome

研究者们最近发现了一类慢性疲劳症（CFS）的特有化学标记物，而且这一特征与其它物种在受到环境压力时出现的“冬眠”现象十分相似。

慢性疲劳症又被称为肌痛性脑脊髓炎，能够对患者造成长达半年之久的疲乏症状。在这一时期内，患者会不时表现出头痛，睡眠障碍以及记忆问题等等。

为了研究该疾病的生物学原理，研究者们招募了84名志愿者（45名患者与39名健康人）进行试验。通过采集样本，他们筛选到了612个代谢标记，参与了血浆中63种不同的生化反应。通过比对健康人与患者之间的代谢物差异，作者们发现患有CFS的患者在其中20个代谢通路中出现了异常，而80%的代谢物水平也有明显下降。

这意味着患有CFS的患者在代谢上述化合物时相比正常人有明显的障碍。这一特征与蠕虫在进行冬眠时的情况十分相似。


（生物通）