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蚂蚁淘总结:2013年11月《Science》杂志精选

复杂的大脑连接网络

The Heavily Connected Brain

大脑的各个脑区之间,各种神经元之间有着怎样的联系?本期封面是利用磁共振弥散成像构建出的人类神经纤维通路谱,从中我们可以看出大脑之间的连接是多么的紧密与复杂。而这便是开展脑研究计划的重要原因。(DOI:10.1126/science.342.6158.577

请别乱动我眼中的蛋白

On and Off Retinal Circuit Assembly by Divergent Molecular Mechanisms

因为一项新的研究,现在人们对眼睛是如何解读我们周围的世界以发现正在移动的物体的已变得更清楚一点了。研究哺乳动物眼睛的科学家对有关用于探查运动的控制神经回路的分子线索知道的并不太多。但他们知道被称作SACs的星形细胞——它们位于眼睛的感光层(或视网膜)内——是与此有关的;SACs会通过对光的亮与暗做出反应而能探测到运动。它们接着会与其它的神经细胞沟通,尽管它们的沟通方式在“亮时的”SAC细胞 vs.“暗时的”SAC细胞中是不同的。相同的SAC细胞类型是如何获得这些对立功能的一直是一个谜。Lu O. Sun及其同事着手于更多地理解眼睛中的神经回路是如何解读光模式以准许对运动的检测,他们聚焦于一对被称作SemaA2 和 PlexA2的视网膜蛋白。研究人员设计了小鼠的视网膜使其缺乏一或两种这样的蛋白并寻求观察这会如何影响SAC细胞的功能。每一次,SAC细胞的反应性都会改变。含有变异SACs的小鼠视网膜在反应性测试中的表现不佳。至关重要的是,切断SemaA2表达可帮助创建2个不同的具有相反结构与功能的SAC细胞组(亮与暗)。这一发现揭示,SemaA2 和 PlexA2会协作而使哺乳动物的视网膜能够健康成长并发挥功能。(DOI:10.1126/science.1241974)

土壤的微生物与肥力——对往昔的一个观察

Reconstructing the Microbial Diversity and Function of Pre-Agricultural Tallgrass Prairie Soils in the United States

高草草原曾经覆盖了近10%的美国,但现代农业操作——它一般涉及大量的化肥、灌溉和翻耕——已经将这些生态系统缩减为其昔日辉煌的一小部分。现在,Noah Fierer及其同事对这一近乎灭绝的生物群落进行了一项遗传分析,从而揭示了一组差不多已经从美国中西部消失的土壤微生物,后者曾经在那里繁盛地生长。研究人员的这些发现提示,在大草原土壤中的微生物的高度多元可帮助使这样的生态系统保持完整且富有生产力——而一种叫做疣微菌门的特别的细菌门曾经在这样的土壤中占着优势的地位。Fierer及他的同事提出,他们的技术也可被用来重建其它近乎灭绝的生物群落的微生物多元性,而这一资讯可对旨在将某些生态系统重新返回其原先的、工业前功能的恢复性努力有帮助。为了得出其结论,研究人员从31个多年来大体上仍然未经耕种的高草平原位置收集了其最上部10厘米的土壤。(这些样本是在墓地或自然保护区找到的,它们代表了范围广泛的气候情况。)研究人员接着将土壤的遗传学分析与物种分布模型相结合以预测疣微菌门物种——它们在碳水化合物代谢中起着某种作用——是如何可能曾经分布在美国中西部各处的。他们说,这一将从前的草原土壤与现代农业土壤所做的比较可被用来指导目前正在进行的草原的数百种恢复工作。由Mary 和 Robert Scholes所撰写的一篇《观点栏目》文章更为详细地解释了这项研究。(DOI: 10.1126/science.1243768)

表面调整可创制一种针对儿童时期病毒的更好的疫苗

Structure-Based Design of a Fusion Glycoprotein Vaccine for Respiratory Syncytial Virus

据一项新的研究报告,多亏了一些分子工程的研究,在最后一批还没有获得经批准可使用的疫苗的儿童疾病之中,有一种疾病可能在不久之后就会有疫苗了。呼吸道合胞病毒或RSV可通过学校或日托中心而引起传播速度很快的传染性极强的肺部感染。它是5岁以下儿童住院的最常见的原因,但是研究人员却一直无法设计一种针对它的有效疫苗。在这项研究中,Jason S. McLellan及其同事基于先前的研究显示,一种在RSV膜中的叫做F蛋白的蛋白质会在其融合前状态(当其位于病毒表面时所采取的状态)但却不会在其融合后状态(在侵入细胞后所采取的状态)成为抗体的标靶。研究人员对该蛋白融合前结构上的某一特别位置进行了操控——他们用这一技术设计了100多个变异株——并接着在小鼠及恒河猴中对6种稳定的变异株进行了测试。他们将这些动物进行免疫以观察哪些F蛋白变异株(起着抗原的作用)会产生最佳的保护性反应。特别当用某一融合前结构进行免疫时能导致比用融合后糖蛋白进行免疫时要多出高达10倍的抗体;融合后糖蛋白目前是主要的现在正在进行临床试验的RSV候选疫苗的一部分。这项工作凸显了应用结构学知识来设计一种更好抗原并最终制造一种更好疫苗的能力。(DOI:10.1126/science.1243283)

对HIV掮客的仔细观察

Cryo-EM Structure of a Fully Glycosylated Soluble Cleaved HIV-1 Env Trimer

由于2项新的研究,HIV的掮客——即让该致命病毒进入免疫细胞内的分子——不再列于结构生物学家的通缉要犯名单之上。这一分子——即HIV-1包膜(Env)三聚体——一直是颇具争议的对象;在今年初,科学家们声称已经用低温电子显微镜看见了其稍纵即逝的结构——它一直以难以被定性而出名,但是一些业界人士对该结果提出了质疑。如今,在2项新的研究中,科学家们不仅提供了Env三聚体的更高分辨率的视觉材料,而且他们是用2种不同的技术做到的。科学家们能在解密该分子的结构上取得进展是至关重要的因为它是HIV表面的唯一抗原,因此它也是自然发生的抗体——及对可能的疫苗来说——的唯一标靶。

为了全面地观看这一重要的分子,来自2个小组的科学家用低温电子显微镜(如先前所做的)及用X射线晶体学研究(这是一种能比其低温对等方法提供更高分辨率视觉材料的方法)对其进行了观察。Jean-Philippe Julien及其同事让该Env三聚体与一种广谱中和抗体结合并接着在4.7埃得到了所产生的复合物的晶体。在一个用相同的三聚体分子但抗体不同的相关试验中,由Dimtry Lyumkis领导的一组科学家使用了低温电子显微术——它与今年初所做的一项有争议的研究中所用的方法类似,但却得到了一个有着更高分辨率的三聚体/抗体复合物。至关重要的是,由Lyumkis等人所获得的低温电子显微镜结构与Julien小组所介绍的晶体学结构相符。对来自两个小组的结合的复合物进行观察可获得对该三聚体结构特征(包括人们长期以来寻找的融合前的三聚体形状)的重要了解。这项工作代表了科学家们朝着对HIV的侵入机制的理解所迈出的重大一步。通过提供对Env三聚体结构的一个更仔细的观察,它可能也会帮助指导基于结构的HIV疫苗的设计。(DOI: 10.1126/science.1245627)

免疫反应依赖于太阳的周期

TH17 Cell Differentiation Is Regulated by the Circadian Clock

哺乳动物的生物钟受到像日出及日落等环境因素的调节,后者驱动着个体的每日(及每夜的)节奏。但是,由于一项新的研究,研究人员现在知道生物钟也会驱动某种特定的免疫反应。具体地说,Xiaofei Yu及其同事指出,哺乳动物的昼夜节律会对某些被称作TH17细胞的T辅助细胞的命运进行直接的控制。这些T细胞驻留在肠道内,保护它们的主人免受真菌与细菌的感染,尽管它们也与像炎症性肠道疾病等自身免疫性疾病有关。研究人员用小鼠来调查某些会影响这些T辅助细胞的基因和蛋白并发现,一种叫做NFIL3的特别的转录因子会与对TH17细胞发育有关的基因启动子结合并对其进行抑制。Yu及其他的研究人员还发现,Nfil3——它会表达NFIL3蛋白——基因依赖于生物钟内的一个叫做REV-ERBα的主要参与者。因此,据研究人员披露,TH17细胞的发育直接受到昼夜节律的调节。确实,该啮齿类动物的TH17细胞会遵循特殊的、昼夜(日/夜)模式,而打断该啮齿动物的光照周期可增加这些T辅助细胞的产生以及增加其对炎症性肠道疾病的易感性。这些发现提示,生物钟与免疫系统之间的相互作用可能是某些与破坏昼夜节律有关的问题的基础。(DOI: 10.1126/science.1243884)

应力的肋状分布对冰流进入海中的影响

Regular Patterns in Frictional Resistance of Ice-Stream Beds Seen by Surface Data Inversion

科学家们发现了一种在滑入海中的冰川下的呈点状的摩擦模式,对其的了解可能会在某一天帮助他们控制冰排入海洋中的速度。对海平面上升感到担忧的科学界一直在对南极冰盖——这是地球上最大的冰块——边缘附近存在的冰流给予密切的关注。这些体系(不是液态水流,而是冰盖的那些相对于它们周围的冰而快速移动的部分)会排入海中。该冰流的流速不一,它们受到了冰盖界面及其下方基岩的情况的控制。因此,希望了解有多少冰流将会促成海平面上升的科学家们必须首先理解冰盖是如何以及在哪里与其下方的地面进行耦合的。研究人员已经知道,冰盖与其下方的沉积物粘着得越坚固,它们移动得就越慢,但他们对其它影响流动的可变速率的因素则一直不清楚。与冰丧失有显著关系的2大冰流为Pine Island 冰川和Thawaites 冰川,它们都造成了南极冰盖的流失。科学家们希望对它们下方的基岩进行仔细观察,但这需要在广泛的地域做直接的钻探,而这是不可行的。Olga V. Sergienko及其同事克服了这一难题。应用最近编撰的有关基岩升高、冰表面速度及更多的高分辨率数据,他们分别计算了这两个冰川下的剪应力。他们的调查揭示,每个冰川下的应力是以肋状图形分布的,它们埋置在大的多的没有应力的地域内。至关重要的是,该点状的应力模式与冰下的水力势能梯度中的变化相对应。因此,这一研究指出了冰盖床内的水文系统是促成冰流内可变应力(及其流速)的一个因素。(DOI:10.1126/science.1243903)

一次小行星撞击的详细情况

Chelyabinsk Airburst, Damage Assessment, Meteorite Recovery and Characterization

2月15日在俄国城市车里雅宾斯克上空发生剧烈爆炸的小行星引起了自1908年著名的通古斯卡事件以来在地球上的最大的空中爆炸。但是,由于它发生在一个人口稠密的地区——而且是在一个手机、摄像机及其它个人电子装置十分常见的时期——研究人员能够采集到该事件的前所未有的数据量。Olga Popova及其同事如今报告了有关车里雅宾斯克空中爆炸、引起该爆炸的小行星以及其所造成损害的详细情况。研究人员在该撞击事件后的几周内访问了车里雅宾斯克外围的50个村庄,并用仪表板照相机和保安摄像机来重新追踪该火球经过天空的路径。据研究人员披露,其在空中的爆炸于大约55英里(90公里)的高度产生了一个冲击波——其强度足以将在其路径中的人击倒。他们说,该小行星在大约18英里(30公里)的高度有着最大的亮度和热度,当时其穿行的速度大约为每秒11.6英里(每秒18.6公里)。Popova及其他的研究人员还记录了有多少幢房屋因为该冲击波而受到损坏及有多少人受伤或被辐射所灼伤。他们估计该小行星最初的直径为19.8米(有4.6米的出入),尽管它在其着陆的冰地上所留下的洞只有7米宽。基于他们的研究,研究人员提出,车里雅宾斯克小行星所代表的是一颗LL球粒陨石--它与“丝川”小行星类型相同——“丝川”是隼鸟号飞行使命进行采样的小行星(研究链接)。他们的发现为这类撞击建立了一个基准,且它们可帮助天文学家理解其它的近地天体并研发保护我们的行星不受其损害的策略。(DOI: 10.1126/science.1242642)

保持其凉态的壳层有着较小的盆地

Asymmetric Distribution of Lunar Impact Basins Caused by Variations in Target Properties

来自最近的一个月球探索使命的数据揭示,月球的较热(近)侧比其较冷(远)侧有着更多的大型盆地;由于小行星撞击月球的模拟显示这些盆地是以均匀的速率形成的,因而这一不对称很令人惊讶。撞击盆地是由像小行星这样的较小的星体的快速撞击所形成的月球壳层的凹陷。月球的陨石坑记录表明在大约40亿年之前,月球遭到了一个不成比例的大数目陨石的轰击。但是科学家们一直对月球上盆地形成的方方面面不甚清楚,因为他们一直无法在其最大盆地有多大上形成共识;盆地直径很难测量。为了取得进展,Katarina Miljkovic及其同事利用了对盆地大小所做的一种另类的测量方法--月球壳层厚度的变异。来自某小行星的撞击力越大,月球壳层表面被排挤出去的也越多,而薄壳层的拉伸也越宽。

Miljkovic及其同事从NASA的“重力恢复及内部实验使命”——这是在2011年启动的一个对月球的侦侧工作——获得了壳层厚度数据。通过对其的研究,他们发现,月球的近侧和远侧半球都分别展现了12个盆地,而前者具有更多的大型盆地——在对科学家们来说是一个谜,因为他们认为小行星对月球表面的撞击是均匀的。月球的近侧及远侧半球有着足够的差异;近侧的壳层受到火山活动的加热而在重度轰击期温度较热。Miljkovic及其同事提出,这一半球差异促成了大型撞击盆地的不均匀分布,对大型撞击盆地而言,其热性的壳层一旦受到撞击会向外侧扩张而不是其本身发生刚性的凹陷——后者会发生在月球较冷的一侧。研究人员用撞击盆地形成的数值模拟测试了这一假说并发现,对月球较热半球的撞击所形成的盆地会比对较冷侧半球在受到类似撞击时所形成的盆地大至2倍之多。由于月球近侧半球的温度特征并不能反映整个的月球,因此科学家们说,在月球远侧撞击盆地的大小分布是内太阳系陨石撞击历史的一个较为精确的指示器。从月球所得到的教益可帮助排除关于其它地方的盆地形成上的困惑。(DOI: 10.1126/science.1243224)

犬类在欧洲学习了“礼仪”

Complete Mitochondrial Genomes of Ancient Canids Suggest a European Origin of Domestic Dogs

据一项新的研究报告,人类最好的朋友在欧洲学会了坐下、取物和翻滚。将犬类驯化与欧洲大陆挂钩,这项研究阐释了一个科学家长期争论的问题;科学家们一直在辩论危险、食肉的狼是如何且是在哪里被驯化成我们如今知道并喜爱的活泼的犬类的。为了探索犬类复杂的进化史,Olaf Thalmann及其同事对来自范围广泛的现代种类的犬和狼与来自数万年前的犬科动物化石及来自现代犬科动物的线粒体DNA进行了比较;比较线粒体DNA是追踪世系的一种强有力的工具。这一综合性的分析使得他们能够仔细地探索遗传关系。科学家们发现,现代犬类的基因序列与古代欧洲的犬科动物(包括狼)或现代欧洲的犬科动物有着最接近的匹配。没有一种来自欧洲以外的狼的DNA与现代小狗的DNA有着接近的匹配,从而指出人类最好的朋友起源于欧洲。由于在本研究中所用的狗化石(这是记录中最古老的狗化石)可以追溯到 1.9万到3.2万年前,而当时狩猎-采集者人群占主导地位,因此Thalmann及其同事提出,狩猎-采集者可能开启了犬科动物的驯化。他们提出,也许野生的狼被吸引至狩猎-采集者处,因为饥饿的犬科动物可以吃狩猎者留下的动物尸骸。Thalmann及其同事的工作与以往认为的情况相反;人们以往认为农业——田地及农作物还有其中丰富的食物——吸引狼在村庄附近到处嗅查,因而导致了犬科动物的驯化。文章的作者说,相反,可能是欧洲的狩猎-采集者将狗驯化成了我们如今在世界各地的遛狗公园中所见到的不同品种的狗。(DOI: 10.1126/science.1243650)

适合的变得越来越适合

Long-Term Dynamics of Adaptation in Asexual Populations

进化适合度——即某个体留下的相对的后代数——在某群体中的增加程度是否有限度?来自一个独特的为期20年的大肠杆菌实验所得到的结果证明:答案看来是否定的。经过在一个仔细控制的恒定环境中培养了5万代之后,这些细菌没有出现适合度增加趋于稳定的迹象。Michael Wiser及其同事对来自该独特的长期演进试验的细菌群体进行了观察;这些细菌群体每500代会被采样及冻结以查明这些细菌群体中的平均适合度是否会随着时间的推移而继续增加。他们发现,用生长速度的增加作为衡量时,适合度的增加没有上限。该细菌所遵循的适合度轨迹似乎依赖于有着不同的有益变异细菌之间的竞争,或者依赖于携带多种变异的个体间的基因相互作用,并且依赖于来自某一有益突变的适合度的边际改善如何随着整体适合度的增加而衰减。(DOI: 10.1126/science.1243357)

一种老药可中止一种无法治疗的疾病

mTOR Inhibition Alleviates Mitochondrial Disease in the Ndufs4 -/- Mouse Model of Leigh Syndrome

据一项新的研究报道,一种影响婴幼儿的罕见的神经退行性病变的致命性影响可在一种现有药物的帮助下而推迟发生。Leigh综合征源自一种会破坏线粒体的突变;线粒体是细胞产生能量的细胞器。一个出生时带有这种突变的孩子常常会在一年内出现Leigh综合征的衰弱的症状--并在此后仅数年内就死亡。尽管不存在治愈Leigh综合征的方法,先前的研究显示,具有类似这样疾病的线粒体缺陷的酵母菌会在阻断mTOR通路——该通路已知会促成一系列的疾病——的信号转导时存活较长的时间。这使得Simon C. Johnson及其同事开始探索当他们在一个Leigh综合征的小鼠模型中抑制mTOR信号转导时会发生什么情况。研究人员使用了一种已知会在其途径中停止mTOR信号转导的药物——这是一种叫做雷帕霉素的免疫抑制剂。他们发现,将其注射到非常年幼的小鼠体内可显著地延缓与Leigh综合征有关的神经系统症状的进展,特别是当小鼠在10天大时开始每日接受该药物。确实,这些小鼠中活的最长的小鼠可维持存活的时间会比那些仅仅隔日接受雷帕霉素的小鼠长3倍。这表明,雷帕霉素或其它抑制mTOR的药物可被探索作为对Leigh综合征--及也许还有其它线粒体疾病的治疗药物。但是首先必须确立对雷帕霉素在小鼠中减轻Leigh综合征机制的更为详尽的理解。(DOI: 10.1126/science.1244360)

21世纪全球森林变化图

High-Resolution Global Maps of 21st-Century Forest Cover Change

应用第一幅21世纪森林覆盖变化的高清晰全球图,Matthew Hansen及其同事提供了一个详尽的有关世界上哪些区域正在丧失或获得这些自然资源以及其所提供的至关重要的生态系统服务的视图。研究人员用地球表面的卫星图像建立了一个分辨率为30米尺度的地图。在2000至2012年间,有230万平方公里的森林(该面积略小于整个阿根廷国家的面积)丧失了,同时有80万平方公里完成了森林再造。尽管森林的增损事件发生在地球各个地区,但热带是唯一显示某种明显趋势的气候域。尽管失去的要大于获得的,热带显示了高度的森林丧失和获得。巴西是在这个阶段有着年度森林丧失降低程度最大的国家,而印度尼西亚则显示了最大的森林丧失。研究人员提出,由该图所揭示的这一趋势可指导未来的保护森林覆盖的努力。(DOI: 10.1126/science.1244693)


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