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单细胞生物学
Single-CellBIOLOGy
本期封面为一幅显微图像，展现了三个彼此独立的小鼠胚胎成纤维细胞的变化。3个被不同颜色荧光标记的基因正在转录信使RNA。（DOI: 10.1126/science.342.6163.1187） 得奖论文——蝙蝠阐释了控制与预防疾病的方法 FromPersistencetoCross-SpeciesEmergenceofaViralZoonosis DanielG.Streicker是给早期职业科学家的一个新的奖项的得主，他花了大量时间来研究带有狂犬病的蝙蝠。蝙蝠狂犬病是一个可回答长期存在的有关病原体出现问题的模型系统；具体地说，它可回答传染病是如何在物种之间跳转的问题。历史上许多最具破坏力的病原体是在某一物种中开始的并接着跳转到另外一个物种。涉及到迄今为止一系列发现的Streicker的研究工作致力于揭示有关跨物种病毒传播的起源及频率的模式。他的研究结果可帮助那些追求在野生动物中对疾病扩散进行控制干预方法的决策者了解情况。一种这类的方法就是剔除，它所根据的理念就是较少的蝙蝠等于较少的疾病。Streicker在拉丁美洲的实地研究计划则显示另外一种情况；他在拉丁美洲对跨越一个群体网络的1000只蝙蝠进行了为期4年的监控，其结果显示，在吸血蝙蝠中的狂犬病的接触与群体大小是无关的。在较为最近的时候，他用来自公共卫生实验室的吸血蝙蝠的组织样本构建了一个来自20多个蝙蝠物种的有数百个狂犬病毒序列的数据库，并研发了一个新型的群体基因框架结构来确定它们之间的病毒传播率。他的研究表明，病毒传播最有可能发生于密切相关的蝙蝠物种之间（这与普遍的观念相反，因为普遍的观念提出生态重叠是传播的最重要的预测因子）。他的最终的目标是能够预测哪种宿主改变最可能会发生以及可采用什么样的措施来预防它们。 DanielStreicker是科学与生命科学实验室（SciLifeLab）年轻科学家奖国际竞赛的2013年度大奖（GrandPrize）的得主。他的得奖论文题目为：“Frompersistencetocross-speciesemergenceofaviralzoonosis”。最终入围该奖的人有亚军GabrielVictora——他的论文标题为“Stop,go,andevolve”。季军为WeizheHong——他的论文标题为“Assemblyofaneuralcircuit”及DominicSchmidt——他的论文标题为“Dynamicsandevolutionofvertebratetranscriptionalregulatorbinding.”（DOI: 10.1126/science.1247566） 梳理诵读困难的根源 IntactbutLessAccessIBLePhoneticRepresentationsinAdultswithDyslexia 得益于一项新的研究，针对人们争论了几十年的诵读困难的根本原因现在可能有了更好的解释。有诵读困难的人——估计占全世界人口的10%以上——在阅读、处置口语及最终学习上有困难。这是因为他们的现实世界的声音被映射到内部音素——即能够对声音进行分类并帮助让它们能被解读的神经连接——的过程产生了困难。科学家们对诵读困难者为什么会在这一过程中有困难一直有争论；有些人提出在诵读困难者的脑中语音表述受到了扭曲。另外一种理论是在诵读困难者的脑中，语音表述是完整的，它只是难于被其它的涉及语言加工的大脑区域所获取。针对诵读困难的常见的测试是以这两者——即语音表述及对该表述的获取——为标靶的，而正因为这样，科学家们在查明诵读困难的根源上一直没有运气。为了梳理这两种可能的来源，BartBoets及其同事对22个正常成年人及23个诵读困难的成年人的大脑进行了扫描。他们用一种叫做多体素活动分析的技术来观察当这些人对特定言语做出反应时的脑中神经活动的模式，并记录下声音有多么准确地映射至他们相关的语音表述。令研究人员惊讶的是，在诵读困难及正常阅读中，他们的语音表述皆完好无损。他们因此进行了第二项分析，旨在探索这2组人之间的脑内的连接性是否相异。研究人员对与语音处置有关的13个区域与语音表述的连接有多么容易进行了评估，他们发现，在诵读困难者的脑中，某些区域间的连接性受到了显著的阻碍。这种连接性越差，那个人在阅读、拼写及其它测试上的表现也越差。这提示了对语音表述的获取缺陷——而不是这些表述的品质缺陷——才是诵读困难的关键。Boets等人的工作可能最终会带来那些聚焦于增进脑子连接性的干预措施的改进以帮助那些有诵读困难者能够更为流畅地享受阅读。（DOI: 10.1126/science.1244333） 超越超级米粒组织--在太阳上看到巨型单体 GiantConvectionCellsFoundontheSun 研究太阳的科研人员终于能够一瞥太阳外层的巨大的对流单体——它们比太阳米粒组织或超米粒组织更大，在此之前，这些对流单体还仅仅是理论。DavidHathaway及其同事应用来自NASA的太阳动力学实验室的数据报告了有关这些大规模及长寿命结构的证据；天文学家在45年多的时间里一直在试图证实该结构的存在。像米粒组织和超米粒组织一样，这些巨型的太阳单体可帮助输送太阳核心所产生的热至其表面。尽管米粒和超米粒的直径往往分别会有621英里（1000公里）和1.8641万英里（3万公里），但是这些巨型的对流单体可能要宽得多。据研究人员披露，尽管米粒组织的寿命平均约为10分钟而超级米粒组织可持续约24小时，这些巨型单体热对流一次可达数个月。为了确认超大单体，Hathaway与他的团队对超级米粒组织的运动进行了数日的跟踪；他们提出，如此大规模的热流模式可帮助维持太阳赤道的快速旋转。他们说，这些巨型的单体可能也会影响太阳磁场的演变和构造。（DOI: 10.1126/science.1244682） 深海取样解释了日本断层的大规模滑动 StructureandCompositionofthePlate-BoundarySlipZoneforthe2011Tohoku-OkiEarthquake 据一系列前所未有的以揭示为什么断层破裂会引起日本东北冲发生如此大的地震为目标的海洋钻探研究披露，这全是断层带的错，因为它又薄又弱。当日本仙台以东的海底在2011年3月11日裂开的时候，有一部分的地球发生向上移动——其幅度多达50米。这构成了记录到的在某单一地震中最大幅度的断层滑动，而鉴于其浅表的断层带——如日本海沟——它让地震学家感到惊讶，因为浅表的断层带常常能抵御如此大规模的滑动。如今，利用从地球号钻探船上的研究所得到的情况了解，日本海沟快速钻探计划（JFAST）的科学家们对在该断层浅表部分的大型滑动是否是俯冲带断层的特征或是否应该归因于该区域独特的特殊情况进行了考量；该钻探船可比任何现有的船只进行更深层的钻探。KohtaroUjiie等人、PatrickFulton等人及FrederickChester等人也对从断层带取回的岩石样本及详尽的海底测量进行了描述。他们的集体观察表明，该地震之庞大的一个至关重要的原因是相关的断层又薄（在滑动区域只有几毫米）又弱（大体上由泥土沉积物组成）。正如KelinWang和MasatakaKinoshita在一则相关的《观点栏目》中所写的，这些JFAST团队的工作让地震学家更接近于理解为什么一种一直有争论的大型的滑动会发生在一个浅表的断层带中。来自其它钻探项目的结果——如那些来自哥斯达黎加的钻探项目的结果——将让研究人员对这个及其它俯冲带的行为进行比较。（DOI: 10.1126/science.1243719） 千年墓地 TheThousand-YearGraveyard 19世纪中叶，一位老妇人的遗骸被埋了位于意大利阿尔托帕肖的BADIaPozzeveri墓地中。她的遗骸被生石灰所覆盖，可能是为了平息当时大流行的感染。考古学家目前正在研究埋在这里超过千年的骨骼遗骸，为探索那些古老疾病提供线索。（DOI: 10.1126/science.342.6164.1306） 可怕的气味可带来更深的印象 FearLearningEnhancesNeuralResponsestoThreat-PredictiveSensoryStimuli 莎士比亚写过：“无论冠以何名，玫瑰照样芬芳。”但一项新的对小鼠的研究提示，带电的玫瑰可能气味更强。MarleyKass及其同事发现，来自该啮齿动物嗅感觉神经元（OSNs）——它们是在鼻子里与气味分子发生相互作用的第一批细胞——的信号会在这些小鼠学会了将一种气味与一个可怕的记忆相关联时被增强。在此之前，研究人员不认为奖励或惩罚可以影响接触部位即某种刺激与神经系统相遇的地方的感觉处理。（相反，他们想象，信号的变化会发生在初级处理区域的下游。）但Kass和其他的研究人员用电击为小鼠植入了恐惧记忆—它们是与特殊气味相关的恐惧记忆。他们接着对小鼠的脑子进行了监测并发现，从对那些“恐惧”气味做出反应的小鼠OSNs中涌出的神经递质的量是那些由正常气味所产生的量的4倍左右。他们的发现提示，这种恐惧条件影响可增强对重要气味的敏感性，而有关负面刺激的信息可被整合到感觉处理的最早的过程中。（DOI:10.1126/science.1244916） 传染病预计到达的时间 TheHiddenGeometryofComplex,Network-DrivenContagionPhenomena 据一项新的研究报道，下一个新出现的传染病究竟会在哪里（以及多快会出现）可用一种距离概念进行最好的定义，这种距离概念用交通特征代替了英里。用这种方法测量，伦敦与马德里之间的距离可能要比伦敦与另外一个英国城镇的距离“更近”。从前用来预测一种新出现的传染病——如H7N9——的传播模型一直侧重于地理上的距离。但是，尽管这些模型在很久之前运作良好，例如当黑死病在欧洲蔓延时，但这些模型并没有考虑到驱动当今传染病传播的现代生活的方方面面，如长距离旅行等等。而且即使现代、复杂的疾病蔓延模型——如那些结合了流动性与流行病学数据的模型——也不能更好地掌握下一个新出现的疾病会在哪里爆发，从而使有效遏制萌芽状态的传染性疾病的策略研发变得尤其具有挑战性。为了在这方面取得进展，DickBrockmann和DirkHelbing通过“有效距离”来分析传染病的蔓延，这是一种将旧的距离模型代之以一种能够体现独立于英里之外的接近状态度量标准的方法。他们的做法侧重于机场；研究人员说，在2个机场之间只要它们的交通流量密集而且反复发生的话，其实际上的距离就很近。应用他们对距离的新的定义，他们研发了一种可预测某种新兴的传染病会在哪里以大数目发生及在何时发生的数学模型。研究人员通过将其应用于近来发生的流行病的真实数据来验证他们的做法，其中包括2009年H1N1的爆发。对某新出现的传染病接下来会在哪里及在何时出现有更好的了解可帮助科学家们研发更好的疾病控制策略。由AngelaMcLean撰写的一则《观点栏目》对这一新模型的效用提出了更多的见解。（DOI: 10.1126/science.1245200） 失去眼睛的隐秘原因 CrypticVariationinMorphologicalEvolution:HSP90asaCapacitorforLossofEyesinCavefish 据一项新的研究报道，那些在黑暗洞穴中能生活得良好的鱼类应感谢它们基因中的一小部分，这些基因通常会为了其适应洞穴的特征而不进行表达。生物会随着时间的推移而演化——它们会采取不同的身体形状和特征以适应其独特的环境，但科学家们一直在辩论它们身体的变化究竟是因为演化选择了随机突发的全新变异还是选择了一直存在着的但却神秘地处于休眠状态的隐性遗传差异。其中，后一种概念被称作隐微变异--该理念所指的是当环境长时期处于稳定时，基因组中的细微的变化会持续不被表达，但如果环境发生急剧的变化（如气候大幅变暖），这种变异还是终究会被表达出来的，这也许是为了帮助生物应对这种急剧的变化。NicolasRohner及其同事确定了一种特别的掩饰鱼的隐微变异（具体地说是眼睛大小的变异）的热休克蛋白。研究人员用一种药物来阻断墨西哥丽脂鲤中的HSP90；墨西哥丽脂鲤是一种洞穴鱼，这种鱼尽管有着这样的名字（这提示它们生存在深层黑暗的居所），但它们有时会生活在靠近表面的水体中。该鱼还有一种更有名的眼盲的类型。当该生活在表层水体中的洞穴鱼被用了HSP90抑制剂时，其随后的后代会有较小的眼睛——即使在没有该药时也是如此，这提示演化支持这一特征。这项工作对于那些讨论身体特征是否源自演化过程当中曾被选择的隐微变异的科学家们是重要的。这项研究还证明了隐微变异在洞穴鱼的眼盲进化中起到了作用。（DOI: 10.1126/science.1240276） 欧罗巴（木卫二）南极的水羽流? TransientWaterVaporatEuropa'sSouthPole 由LorenzRoth及其同事所做的一项新的研究发现了一个可能的短暂的水羽流——它是从木星的某个卫星欧罗巴的表面之下喷出的。如果被证实是水羽流的话，它将表明该卫星的地下海洋很容易接近该卫星的表面--至少有时是这样。研究人员用在去年11月和12月从哈勃太空望远镜所拍摄的图像以及由哈勃太空望远镜在1999年拍摄的更早的欧罗巴图像确定了在该卫星南半球的2个不同的区域有着过多的氢气和氧气。据研究人员透露，这些过多的氢气与氧气每次可被观察到大约7个小时；研究人员提示，它们实际上是124.27英里高（200公里高）的水汽羽流。他们说，该羽流是当欧罗巴出现在接近远心点——或距离木星最远处时出现的，且它们会在该卫星接近近心点——或非常接近其行星时消失，提示潮汐加速度在这个现象中扮演着一个主要的角色。基于他们的观察，研究人员提出，欧罗巴的羽流可能类似于土星的卫星——土卫二上的羽流；那些羽流是从非常狭窄的裂隙中逸出的高压水汽排放。（DOI: 10.1126/science.1247051） 《科学》2013年十大突破 BreakthroughoftheYear2013 癌症研究界在2013年经历了一个巨变，因为一个酝酿了数十年的策略终于确立了它的潜力。从癌症免疫疗法的临床试验出现了令人鼓舞的结果，在癌症的免疫疗法中治疗的标靶是身体的免疫系统而不是直接针对肿瘤。这种新的治疗会促使T细胞和其它免疫细胞来对抗肿瘤——而《科学》杂志的编辑们认为这些做法正在展现足够的前景而让其能登上本年度最重要的科学突破的榜首。 《科学》杂志在过去一年中的其它9项突破性科学成就如下：CRISPR、钙钛矿型太阳能电池、结构生物学指导疫苗设计、CLARITY、迷你器官、宇宙射线可追溯到超新星的残余物、人类的克隆胚胎、我们为什么要睡觉、我们的微生物。 合作性孵育行为中的寄生性孵育鸟的角色 BroodParasitismandtheEvolutionofCooperativeBreedinginBirds 会有任何人帮助抚养他们邻居的孩子吗？可能要有强烈的动机才可能这样做。然而，鸟类一直是以合作繁育的方式这样做的——这是一种由3个或更多的个体对照顾某一对鸟的后代做出贡献的策略。以往的研究显示，合作繁育可受到诸如单配制及无法预测的环境因素的影响，但是，WilliamFeeney及其同事如今提出，寄生性孵育鸟或将自己的蛋偷偷放入其它鸟巢中的繁殖“作弊者”的存在可能也扮演着某种角色。研究人员对为什么撒哈拉以南非洲及澳大拉西亚（即澳大利亚、新西兰、新几内亚及邻近的太平洋岛屿）特别会成为这种合作繁育的热点进行了探索。他们发现，合作繁育鸟——如雀形目鸟类的全球分布大体上与寄生性孵育鸟--如杜鹃和牛鹂的分布相重叠，而合作孵育鸟与它们对等的非合作孵育鸟相比一般更容易成为这类寄生性孵育鸟的目标。Feeney及他的同事对华丽细尾鹩莺（学名：Maluruscyaneus）种群——它们中的某些为合作孵育鸟而其它一些则为单独孵育鸟——进行了监测。他们发现，寄生性孵育鸟在将自己与合作孵育鸟联系在一起时会长得较大且活得更长，但较大群的合作孵育鸟也能更有效地抵制寄生性孵育鸟。他们的发现表明，这2种行为会相互强化：寄生性孵育鸟会得到合作孵育鸟更好的照顾，但合作孵育鸟同时也享有更好的保卫其雏鸟的机会。由ClaireSpottiswoode撰写的一篇《观点栏目》文章更为详细地解释了这些关系及它们的意义。（DOI: 10.1126/science.1240039） 生育的前哨 CRL4ComplexRegulatesMammalianOocyteSurvivalandReprogrammingbyActivationofTETProteins 由于一项在小鼠中的新的研究，人们对保持卵巢内卵子健康的因子又多了一些了解。人们认为，女性在出生时就有了她一辈子会有的所有卵子。科学家们知道，女性只要其卵母细胞池中的卵子持续存在而且健康的话，她就有生殖能力。有特定的基因负责让它们保持良好的状态，尽管调节这些与生育有关基因的因子仍然晦暗不明。在一则新的报告中，ChaoYu等人对一批被称作CLR4连接酶复合物的多种酶的作用进行了探索；这些酶已知会调节不同的细胞通路。研究人员希望知道它们是否在卵母细胞的维护中也扮演着一种角色。他们报告，CLR4的2个成分是维持小鼠卵子健康所必须的；确实，删除这2种CLR4成分中的任何一种都会引起小鼠在年轻时就无法生育。此外，设计缺乏这些相同成分的胚胎会造成这些小鼠在出生12周内失去它们生来就有的可产生卵母细胞的滤泡。这些发现提示，健康的CLR4在保护卵母细胞并因此保护女性生殖潜力中起着一种关键性的作用。更重要的是，在这项研究中所用的小鼠模型比过去报道的动物模型更好地代表了人类的不育情况—它提供了一个有益的研究人类生殖的新的动物系统。（DOI:10.1126/science.1244587） 所有开花植物同类的基因组秘密 TheAmborellaGenomeandtheEvolutionofFloweringPlants 据科学家们报告，代表最古老开花植物世系——一种有着乳白色花的小灌木——的单一物种的基因组序列终于被找到了，这让人们对开花植物是如何演化的提供了关键性的见解。研究当今地球上植物多样化的进化生物学家对无油樟（Amborellatrichopoda）——该植物代表了被子植物系谱的第一个分支——感到特别着谜；这种带有花瓣的植物给所有开花植物（而不是像那些——如裸子植物——缺乏花瓣及其它被子植物特异性改变的植物）的演化铺平了道路。事实上，对无油樟DNA的分析一再地显示它位于或接近于开花植物系谱的基底部，但科学家们一直缺乏其完整的基因组序列——这是一种可通过与更多现代开花植物的基因组进行比较而帮助解释演化是如何影响我们当今所见的不同开花植物基因组的工具。 现在，据3项相关报告中的一篇指出，一组国际性的被称作无油樟基因组计划的作者首次提供了无油樟核基因组的综合序列。这使得这些科学家能够确定作为基本开花植物工具箱基础的基因；该小组发现了具有这种花卉祖先版本特异性的基因，它们中有许多与那些不开花植物的基因不同，从而提示这些特定的基因可能帮助了开花植物成功地实现了多样化。在第二则报告中，DannyW.Rice等人聚焦于无油樟的线粒体DNA，这是在该植物内的一个不同的基因组，它常常会比核DNA有着较少的改变。Rice及他的团队介绍了无油樟完整的线粒体基因组并显示，其很大部分是通过与其它生物——包括苔藓和绿藻——的水平基因转移而获得的。这些生物体可能在数百万年前生活在与无油樟密切相关的地方，而文章的作者假设，线粒体基因组的融合是植物受伤的某种结果。最后，SrikarChamala等人解释了一种荧光原位杂交技术是如何能够对这一大型、困难的植物基因组进行下一世代测序的。由KeithAdams撰写的一则《观点栏目》提供了额外的见解，凸显了无油樟基因组对研究人员研究世界各地开花植物基因系谱的功用。（DOI:10.1126/science.1241089）