本期封面所示為一幅畫作，名叫“Dis-assembly”，是畫家Daniel Kohn對(duì)一次“染色體破碎”(chromothripsis)事件的解讀，來(lái)自其系列作品“Thinking about Science — DataSets”。“染色體破碎”是劇烈的染色體事件，涉及巨大的染色體斷裂和重排，一般只限于一個(gè)細(xì)胞的一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)染色體，已在各種癌癥和先天性疾病中被發(fā)現(xiàn)。一項(xiàng)新的研究將活細(xì)胞成像與單細(xì)胞基因組測(cè)序相結(jié)合來(lái)重新生成與“染色體破碎”相似的重排。結(jié)果表明，在單個(gè)染色體被誤隔離到所謂的“微核”(micronuclei)內(nèi)后，它們會(huì)破碎。在細(xì)胞分裂之后，這些碎片會(huì)被重新整合到基因組中，產(chǎn)生重排，這些重排在某些情況下具有“染色體破碎”的典型特征。在“微核”中破碎的染色體還會(huì)導(dǎo)致小的環(huán)形染色體碎片的形成，這是形成所謂的“double minute染色體”過(guò)程中的第一步，后者攜帶癌癥中擴(kuò)增的致癌基因。因而，這項(xiàng)研究為“染色體破碎”的一個(gè)分子機(jī)制提供了首次實(shí)驗(yàn)演示。
在導(dǎo)航時(shí)，我們不僅要對(duì)關(guān)于位置和軌跡的信息進(jìn)行整合，而且要對(duì)我們的行進(jìn)路線是否體現(xiàn)我們決策的目標(biāo)和結(jié)果進(jìn)行監(jiān)測(cè)。我們對(duì)海馬體是怎樣接收后一個(gè)信息的還不是很了解。在這項(xiàng)研究中，Hiroshi Ito等人發(fā)現(xiàn)，丘腦的連結(jié)核是大鼠海馬區(qū)CA1的位置細(xì)胞(place cells)中依賴于路徑或軌跡的活動(dòng)的來(lái)源。在連接核層面上破壞丘腦-海馬體之間的連接，會(huì)降低海馬體中朝向目標(biāo)的信號(hào)發(fā)射。作者提出，對(duì)于位置來(lái)說(shuō)和對(duì)于朝向目標(biāo)的一條未來(lái)路徑的表述來(lái)說(shuō)，丘腦都是導(dǎo)航過(guò)程中信號(hào)整合的一個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。
回想正面記憶是否能減輕抑郁？Susumu Tonegawa 及同事利用與一個(gè)正面的、中性的或負(fù)面的經(jīng)歷相關(guān)的、通過(guò)光遺傳學(xué)方法標(biāo)記的特定海馬體記憶印跡對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了研究。這些記憶之后可以通過(guò)光被人工激活。正面印跡的急性激活被發(fā)現(xiàn)會(huì)抑制暴露于慢性壓力的小鼠類似抑郁癥的行為，這是由 “海馬體-杏仁核-伏隔核”通道介導(dǎo)的一個(gè)效應(yīng)。重要的是，正面印跡的慢性激活也會(huì)抑制處于壓力狀態(tài)下的小鼠類似抑郁癥的行為，即便在激活已經(jīng)結(jié)束以后也是這樣，說(shuō)明這種抗抑郁效應(yīng)并不取決于對(duì)印跡的實(shí)時(shí)人工激活。作者提出，對(duì)與一個(gè)正面記憶相關(guān)的海馬體齒狀回細(xì)胞的直接激活，也許能為減輕一類與抑郁相關(guān)的行為提供一個(gè)潛在的治療節(jié)點(diǎn)，盡管在目前階段還不清楚這些發(fā)現(xiàn)對(duì)人類是否適用。
淋巴內(nèi)皮過(guò)去被認(rèn)為完全是從靜脈內(nèi)皮的轉(zhuǎn)分化形成的。本期Nature上發(fā)表的兩篇研究論文顯示，這種脈管的起源要比人們所預(yù)料的更為多樣。Karina Yaniv及同事通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)基因斑馬魚胚胎進(jìn)行活體成像來(lái)跟蹤各個(gè)淋巴內(nèi)皮細(xì)胞和它們后代的世系。他們發(fā)現(xiàn)，淋巴祖細(xì)胞是從以前沒(méi)有被表征的位于主靜脈床上的一組多能成血管細(xì)胞形成的，后者具有不僅形成淋巴細(xì)胞、而且形成動(dòng)脈細(xì)胞和靜脈細(xì)胞的潛力。Paul Riley及同事通過(guò)對(duì)小鼠采用“genetic fate-mapping”方法顯示，心臟淋巴內(nèi)皮細(xì)胞有兩個(gè)起源，既涉及靜脈內(nèi)皮細(xì)胞，又涉及源自卵黃囊細(xì)胞的另一個(gè)非靜脈祖細(xì)胞來(lái)源。他們還發(fā)現(xiàn)心臟中的淋巴管生成會(huì)受到心肌梗塞的影響，并且還提出，通過(guò)VEGF-C促進(jìn)淋巴管生成可以在發(fā)生梗塞后改善心臟功能。
空間工作記憶是通過(guò)額葉前部腦區(qū)域與海馬體之間的活動(dòng)協(xié)調(diào)來(lái)維持的，但一直不清楚這些區(qū)域之間的精確解剖聯(lián)系是什么，也不清楚它們是在什么時(shí)間尺度上工作的。在這項(xiàng)研究中，Joshua Gordon及同事確定了額葉前部皮層與海馬體之間的一個(gè)直接路徑，該路徑是空間提示信息的正確編碼所必需的，但卻并不是這些提示信息的維持和提取所需要的。海馬體信息在空間工作記憶任務(wù)的編碼階段向額葉前部皮層中的神經(jīng)單元流動(dòng)，成功的編碼需要這兩個(gè)腦結(jié)構(gòu)之間在網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)的伽馬頻帶內(nèi)的同步。這些發(fā)現(xiàn)顯示了海馬體-額葉前部直接輸入在空間信息的連續(xù)更新中的至關(guān)重要性。
Yi Guan及同事對(duì)H7N9流感病毒2013年第二輪爆發(fā)期間的演變和傳播情況進(jìn)行了追蹤。他們提供了來(lái)自從2013年10月到2014年7月在中國(guó)全國(guó)范圍內(nèi)所進(jìn)行的流感監(jiān)測(cè)期間收集到的分離毒株的大量新的H7N9病毒序列。他們發(fā)現(xiàn)，該病毒已分化成截然不同的分支，已在雞身上安營(yíng)扎寨，并且已經(jīng)傳播到了更大的地域范圍。H7N9病毒在中國(guó)流感生態(tài)系統(tǒng)中扎根的方式強(qiáng)烈顯示，這種病毒應(yīng)當(dāng)作為有可能對(duì)人類造成疫情的一個(gè)首要病毒種類加以考慮。
LOX——腫瘤轉(zhuǎn)移點(diǎn)的一個(gè)關(guān)鍵因素
為什么一些腫瘤會(huì)轉(zhuǎn)移到特定組織如肺臟或骨中去在很多情況下還不清楚。Janine Erler及同事發(fā)現(xiàn)，某些乳腺癌向骨頭的轉(zhuǎn)移可以被由轉(zhuǎn)移性腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生的酶“賴氨酰氧化酶”(LOX)驅(qū)動(dòng)。LOX通過(guò)促進(jìn)吸收骨頭的破骨細(xì)胞的形成來(lái)誘導(dǎo)骨骼病變。這些病變似乎為在血液中循環(huán)的乳腺癌細(xì)胞提供了一個(gè)著陸點(diǎn)，它們可以從這里發(fā)展成轉(zhuǎn)移的癌細(xì)胞。因此，LOX的抑制也許能提供一個(gè)阻斷骨轉(zhuǎn)移的方式，同時(shí)一個(gè)腫瘤中LOX的表達(dá)也可以充當(dāng)腫瘤向骨頭轉(zhuǎn)移之傾向的一個(gè)生物標(biāo)記。
本期Nature Communications上發(fā)表的一項(xiàng)研究，報(bào)告了能通過(guò)讓肥胖小鼠將多余熱量燃燒掉來(lái)促進(jìn)其減肥的一種藥物。該藥物會(huì)讓小鼠產(chǎn)生更多棕色和米色脂肪，這些脂肪是專門燃燒脂質(zhì)分子來(lái)產(chǎn)生熱量的組織。
現(xiàn)在，Alexander Pfeifer及同事發(fā)現(xiàn)，由被稱為“可溶性鳥苷酸環(huán)化酶”(sGC)的酶驅(qū)動(dòng)的一個(gè)細(xì)胞信號(hào)作用通道激發(fā)肥胖小鼠棕色和米色脂肪的形成。在用刺激sGC的一種實(shí)驗(yàn)藥物處理之后，小鼠燃燒掉了更多脂質(zhì)，而這又使得它們變得更瘦，原因是白色(貯存)脂肪減少了。
雖然該藥物還沒(méi)有進(jìn)行過(guò)人體試驗(yàn)，但作者猜測(cè)它可能是比較安全的，因?yàn)樗c最近被批準(zhǔn)用于肺高血壓治療的藥物“瑞司瓜特”在化學(xué)上相似，并屬于同一類別。作者希望，他們的發(fā)現(xiàn)也許能為肥胖癥和某些相關(guān)疾病的治療提供一種潛在的候選藥物。
光遺傳學(xué)： 用光對(duì)哺乳動(dòng)物骨骼肌的首次刺激
本期Nature Communications報(bào)告了對(duì)哺乳動(dòng)物的骨骼肌所做的首次光遺傳刺激。這項(xiàng)研究描述了對(duì)通過(guò)手術(shù)從小鼠身上去除的聲帶的收縮所實(shí)施的由光介導(dǎo)的控制，而這些實(shí)驗(yàn)鼠則是經(jīng)過(guò)了遺傳工程處理，讓它們表達(dá)光響應(yīng)通道 Channelrhodopsin2 (ChR2)。
光遺傳學(xué)技術(shù)允許對(duì)特定細(xì)胞類型(通常是神經(jīng)元)進(jìn)行精確刺激，這些細(xì)胞類型也經(jīng)過(guò)了遺傳處理， 使其對(duì)光敏感。這一技術(shù)以前曾被用來(lái)經(jīng)由次運(yùn)動(dòng)皮層或周圍運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元間接刺激骨骼肌。對(duì)骨骼肌細(xì)胞的直接光遺傳刺激以前只在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)線蟲和對(duì)單一肌肉纖維做過(guò)。這些實(shí)驗(yàn)并未為了解該方法應(yīng)用于完好骨骼肌的可行性提供信息，因?yàn)橐a(chǎn)生足夠大的力來(lái)引起肌肉收縮，需要同時(shí)對(duì)多個(gè)肌肉纖維進(jìn)行刺激，而且過(guò)去也不清楚是否有足夠多的光通過(guò)肌肉來(lái)讓這種情況發(fā)生。
現(xiàn)在，Philipp Sasse及同事通過(guò)遺傳工程方法來(lái)讓小鼠表達(dá)ChR2，發(fā)現(xiàn)用短至2毫秒的光脈沖刺激能誘導(dǎo)通過(guò)手術(shù)從小鼠身上去除的喉肌的收縮。他們還發(fā)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)制光脈沖的持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度，他們可以微調(diào)所產(chǎn)生的力。
作者提出，對(duì)肌肉的直接光遺傳刺激可能優(yōu)于電刺激，因?yàn)樗芸朔捎诟杏X(jué)神經(jīng)的激發(fā)所產(chǎn)生的不舒服感以及電脈沖對(duì)附近肌肉所產(chǎn)生的不必要刺激。他們還猜測(cè)，鑒于小鼠和人類喉部的相似性，這一方法將來(lái)有一天也許可以改造成針對(duì)喉部麻痹患者的一個(gè)治療方案(對(duì)這種患者施行神經(jīng)刺激不是一個(gè)選擇方案)，盡管還需要進(jìn)行相當(dāng)多的進(jìn)一步驗(yàn)證工作來(lái)確定是否是這種情況。
古生物學(xué)： 恐龍骨頭中保存的距今7500萬(wàn)年的細(xì)胞
Nature Communications發(fā)表的一篇論文報(bào)告說(shuō)，似乎是紅血球和與膠原蛋白相似的纖維的結(jié)構(gòu)已在來(lái)自白堊紀(jì)的距今7500萬(wàn)年前的恐龍骨頭中被識(shí)別出。這一發(fā)現(xiàn)表明，化石中有機(jī)結(jié)構(gòu)的保存可能遠(yuǎn)比以前所想的更為普遍。
軟組織成分(包括看起來(lái)像與蛋白相似的細(xì)胞和分子的結(jié)構(gòu))以前曾在距今數(shù)千萬(wàn)年前的化石中被發(fā)現(xiàn)，但只是在保存極為完好的化石樣本中被發(fā)現(xiàn)，而且它們的識(shí)別也是有爭(zhēng)議的。人們?cè)缇图僭O(shè)，蛋白分子會(huì)在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)衰變，其保存時(shí)間不會(huì)長(zhǎng)于400萬(wàn)年，因此普遍認(rèn)為最初的蛋白中只有部分會(huì)被保存下來(lái)，完整結(jié)構(gòu)已經(jīng)失去。
現(xiàn)在，Sergio Bertazzo、Susannah Maidment及同事報(bào)告了來(lái)自八塊白堊紀(jì)恐龍骨頭的有機(jī)結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，這些骨頭中沒(méi)有一塊是被特別好地保存下來(lái)的。其中的一些骨頭含有似乎是含細(xì)胞核的紅血球的結(jié)構(gòu)，當(dāng)用質(zhì)譜儀進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，這些結(jié)構(gòu)顯示了與鴯鹋血相似的特征。其他結(jié)構(gòu)似乎含有結(jié)構(gòu)性蛋白“膠原蛋白”，其分子扭曲成了膠原蛋白特征性的繩狀結(jié)構(gòu)，并含有組成該蛋白的氨基酸的片段。這些發(fā)現(xiàn)表明，即便是最不起眼的化石也可能值得進(jìn)行分子分析。蛋白在地質(zhì)學(xué)時(shí)間尺度上的保存也許還能讓研究人員對(duì)早已滅絕的動(dòng)物的生理和行為進(jìn)行研究。
本期Nature Communications 上報(bào)告了小鼠孕期高纖維飲食可以提高其后代不發(fā)生哮喘的幾率的一個(gè)機(jī)制。這項(xiàng)研究顯示，來(lái)自雌性小鼠飲食的纖維代謝物與其后代的某些過(guò)敏性免疫反應(yīng)的表觀遺傳抑制之間存在一種關(guān)系。
近年來(lái)的哮喘流行已被發(fā)現(xiàn)與缺少纖維的西式飲食的消耗量增加有關(guān)聯(lián)。另外，高纖維攝取量在用小鼠所做的實(shí)驗(yàn)中也被發(fā)現(xiàn)能防止過(guò)敏反應(yīng)。然而，此前尚不清楚這樣一種飲食所具有的好處能持續(xù)多久，也不清楚飲食中的纖維攝取什么時(shí)候最有好處。
Charles Mackay及同事給懷孕的小鼠吃纖維含量不同的食物，然后讓它們的成年后代接觸能誘發(fā)哮喘的過(guò)敏原。在子宮中接觸高纖維飲食的小鼠成年后對(duì)哮喘的發(fā)生有抵抗力。作者發(fā)現(xiàn)，這是因?yàn)槟承┠c道細(xì)菌對(duì)纖維的消化會(huì)產(chǎn)生被吸收到血流中去的代謝產(chǎn)物，這些代謝產(chǎn)物還會(huì)抑制炎性反應(yīng)和過(guò)敏反應(yīng)。這些代謝產(chǎn)物對(duì)小鼠胎兒還有表觀遺傳效應(yīng)，抑制人類哮喘和過(guò)敏性呼吸道疾病(人類哮喘的一個(gè)小鼠模型)。
作者還發(fā)現(xiàn)，懷孕婦女的高纖維飲食會(huì)導(dǎo)致同樣代謝產(chǎn)物的存在，這些代謝產(chǎn)物與出生后第一年因呼吸病要看醫(yī)生超過(guò)2次的嬰兒數(shù)量的顯著降低有關(guān)。
Nature Communications上發(fā)表的一篇研究論文報(bào)告說(shuō)，中藥中用的一種被稱為“靈芝”的蘑菇，被發(fā)現(xiàn)能通過(guò)改變腸道微生物群的組成降低小鼠的肥胖程度。這些結(jié)果表明，靈芝補(bǔ)品對(duì)于肥胖癥和相關(guān)疾病的治療也許會(huì)有用，但還需要進(jìn)一步的研究來(lái)證實(shí)在人身上是否也有這些效應(yīng)。
肥胖癥的高發(fā)是對(duì)公共衛(wèi)生的一大威脅，全世界大約有5億肥胖的人和14億體重超重的人。靈芝在亞洲藥材中已經(jīng)被使用了幾個(gè)世紀(jì)，用來(lái)促進(jìn)健康，也曾被提出有抗糖尿病效應(yīng)。
Hsin-Chih Lai及同事利用一個(gè)小鼠模型來(lái)研究向用高脂肪飲食飼養(yǎng)的小鼠食物中添加靈芝的一種提取物的效應(yīng)。這樣處理過(guò)的小鼠顯示出由高脂肪飲食誘導(dǎo)的腸道微生物失衡的逆轉(zhuǎn)和體重降低，同時(shí)又保持了腸道屏障的完整性。作者還觀察到，將處理過(guò)的小鼠的糞便移植給其他肥胖的小鼠，會(huì)重現(xiàn)由靈芝提取物的消耗所造成的有益代謝效應(yīng)。這是靈芝首次被發(fā)現(xiàn)有益生和降低體重的功能。
根據(jù)本周發(fā)表在《科學(xué)報(bào)告》上的一項(xiàng)研究顯示，人類眼眶的結(jié)構(gòu)和其他猿類相比很特別，這一演化特征可能幫助擴(kuò)展了人類的周邊視力。
Eric Denion和他的研究團(tuán)隊(duì)比較了100個(gè)人類頭骨的眼眶和120個(gè)猿類頭骨的眼眶。他們發(fā)現(xiàn)人類和長(zhǎng)臂猿的眼眶與黑猩猩，倭黑猩猩，大猩猩和紅毛猩猩的相比，向前突出聚合的少的多。他們也發(fā)現(xiàn)人類的眼眶寬度大于高度，而且寬和高的比在猿類（人也是猿的一種）中最高。這些特征有助于人類獲得比其他猿類更寬廣的側(cè)向視野。
研究者發(fā)現(xiàn)眼眶的最外圍，又叫做眶外側(cè)緣（lateral orbital margin，LOM）在人類的頭骨的位置和其他非人猿類相比，更加靠后。這一點(diǎn)再加上人類眼球更靠前的的位置，減少了對(duì)于視覺(jué)的阻礙，增強(qiáng)了眼球巡視環(huán)境的能力。研究者表示這一特征可能是在選擇其他現(xiàn)代人面部特征的一個(gè)副產(chǎn)品，例如不那么突出的口鼻部。研究者還認(rèn)為，人類祖先離開了森林可能推動(dòng)了眶外側(cè)緣向后的演化，住在森林里的非人猿類需要更靠前的眶外側(cè)緣來(lái)保護(hù)他們的眼球不受到樹枝的傷害。最后，他們表示人類更靠前的眼球讓人們更容易遭受和紫外線相關(guān)的眼科疾病，例如翼狀胬肉和白內(nèi)障，但換來(lái)的好處就是視野更大。
對(duì)HIV被動(dòng)施用 “廣譜中和抗體” (bNAbs)在HIV-1感染的人化小鼠和獼猴模型中對(duì)防止HIV-1感染一直都是有效的。曾有人提出，bNAbs(被動(dòng)施用或通過(guò)病毒載體來(lái)施用)對(duì)于人類的預(yù)防和免疫治療來(lái)說(shuō)可能也是有效的。該方法的安全性和療效以前沒(méi)有在人體上進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)，但在這篇論文中，Michel Nussenzweig及同事報(bào)告了將中和抗體指向CD4結(jié)合點(diǎn)的一項(xiàng)I-期被動(dòng)免疫研究的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)這種治療方法可以瞬時(shí)降低人體的HIV病毒載量。