2012年4月《Nature》杂志精选

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“视杯”是怎样形成的？

器官生成依靠很多细胞相互作用的协调来产生形成发育中的、组织所需的、集体性的细胞行为。Yoshiki Sasai及其同事建立了一个“三维细胞培养系统”，浮动的小鼠胚胎干细胞团能够成功地将它们自己组织到一个与“视杯”（一种袋状结构，在胚胎生成过程中发育成视网膜的内层和外层）相似的分层结构中。在进一步的3D培养中，这个“视杯”形成如在出生后的眼睛中所看到的那样完全分层的视网膜组织。这种方法对于视网膜修复的干细胞疗法也许有重要意义。本期封面所示“视杯”是从在试管中形成的一个“视杯”的多光子图像生成的。

纤维蛋白原结构的病理研究

Group A Streptococcus（GAS）是一种广泛存在的细菌病原体，既会造成温和的感染，也会造成有高死亡率的严重入侵性疾病，如“链球菌中毒休克综合症”。M1蛋白（最具入侵性的GAS的一种主要毒性因子）能造成血管泄漏和组织损伤；这些病理依赖于其与宿主纤维蛋白原的相互作用和嗜中性粒细胞随后的激发。现在，X射线晶体学研究显示了这一过程的结构基础。M1蛋白将四个纤维蛋白原分子组织到一个特定的十字架一样的结构中，该结构支持一个M1-纤维蛋白原网络，类似一种纤维蛋白血栓。这一网络是嗜中性粒细胞的激发所必需的。M1中需要一个构形变化才能结合纤维蛋白原，这说明M1中的纤维蛋白原结合点对免疫监视是隐藏的。这项工作表明，M1-纤维蛋白原复合物在“链球菌中毒休克综合征”的治疗中是一个潜在治疗目标。

肠内菌丛与心脏病的联系

Stanley Hazen及其同事发现，肠内菌丛能通过代谢食物中的一种磷脂来影响心血管疾病。他们用定向“代谢组学”方法来识别血浆中的代谢物，其水平能预测接受心脏评估的研究对象日后发生非致命性心脏病、中风或死亡的风险。食物中卵磷脂三种代谢物（胆碱、甜菜碱和trimethylamine N-oxide，即TMAO）在血浆中的水平与心血管病发病风险的增加有关。肠内菌丛已知在由胆碱形成TMAO中起一定作用。另外，用易患动脉粥样硬化的小鼠所做实验表明，食物中的胆碱能增强巨噬泡沫细胞形成和病灶形成，但如果肠内菌丛没有抗生素时却不会这样。这项工作为动脉粥样硬化心脏病提出了新的诊断和治疗方法。

金刚石一样的石墨烯晶体管

石墨烯（只有单个原子厚度的层状碳）有在高频微电子器件中应用的希望。现在，来自位于纽约的“IBM托马斯·华生研究中心”的一个小组发现，一种像金刚石一样的碳（它在半导体行业已经众所周知）特别适合用做石墨烯半导体器件的基质。石墨烯是通过“化学蒸汽沉积”（CVD）方法在一个铜薄膜基质上生长的，然后被转移到一个金刚石一样的碳晶圆上。这种方法被用来生成一种高性能石墨烯晶体管，它在40纳米的“门长度”（迄今所报告的最短长度）上具有155千兆赫的截止频率。这个体系不仅实现了CVD-石墨烯晶体管迄今最高的运行速度，而且也是迄今在任何石墨烯材料上所演示过的最小的、行为良好的晶体管。

肿瘤的单细胞分析

肿瘤已知在遗传上是异质性的，但要在单细胞层面上来解剖这种异质性却有困难。现在，将全基因组放大方法与对通过荧光激发的细胞分拣（cell sorting）分离出的单核的测序结合在一起的一项研究工作，揭示了来自两个患者的乳腺癌的种群结构。在二者当中，肿瘤生长都是通过断续的克隆表达实现的，几乎没有持久的中间体，这与关于肿瘤进展的很多渐进模型形成对比。这种类型的单细胞测序在其成本降低之后，对于癌症预后及阶段确定很可能具有临床意义。

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植物怎样应对热压力

重复性元素如“反转录转座子”（移动基因元素，分别构成人类和玉米基因组的40%和60%）的转录正常情况下是受到抑制的，以防止它们在整个基因组中失控地扩散。Ito等人发现，拟南芥植物中的热压力诱导ONSEN逆转录因子的转录。ONSEN的积累被“小干涉RNA”（siRNAs）抑制。在没有siRNAs的情况下，新的ONSEN插入出现在后代中，在分化过程中已经发生了转座。这些结果表明，被siRNAs抑制的压力留有一个记忆，从而为防止植物面对环境压力时发生隔代反转录转座提供了一种方式。

多样化生态系统适应性更强

近年来的研究表明，生物多样性的保护可以提高一个生态系统保留养分和保持生产力的能力。这些研究论文已被证明是有争议的，部分是由于缺乏直接证据来用一个机制解释该现象。现在，在涉及对模型河流系统中的藻类数量进行操纵的实验中，Bradley Cardinale提出这样一个机制。氮营养物的吸收量响应于河流生境及扰动体系中所发生的变化，而随物种丰富度呈线性增加。但当小生境结构被通过实验手段消除时，这种关系便消失了。这表明，有更多物种的生境与物种数量较少的生境相比，能更好利用一个环境中的小生境机会，从而使多样化更大的生态系统能够获得有生物活性的资源（如氮）的更大份额。

铜和铂催化剂的最新进展

均相铜和铂催化剂被用来合成包括药物、商业化学品及聚合物在内的一系列有机分子。在这些催化剂的活性、选择性和范围方面所实现的改进，有可能提高它们的用途，减少化学反应的环境影响。在这篇Review文章中，Amanda Hickman 和 Melanie Sanford总结了对一个子类的催化剂进行研究的有机金属化学家所取得的最新进展。这个子类的催化剂通过在+3或+4氧化态含有铂或在+3氧化态含有铜的一个中间体来发挥催化作用。

初级量子网络的首次实现

遵循“量子隐形传输”原理的量子网络，构成分布式量子计算架构和量子通信的骨干。这篇论文报告了一个初级的量子网络，它有两个基于束缚在不同实验室的光腔中的单个原子的量子节点。这是这种初级量子网络的首次实现。该方法演示了一个全尺寸量子网络的全部必要成分，从这个意义上来说它尤其令人鼓舞。

Teneurin蛋白在轴突定向中的作用

我们在分子层面上对脑中连线方式的认识，主要是关于在轴突引导和大规模树枝状发育中所涉及的蛋白。现在，在本期Nature上所发表的两篇论文中，Liqun Luo及其同事发现，Teneurin大型跨膜蛋白家族的两个成员控制神经定向的最终步骤。分别关注果蝇嗅觉系统和神经肌肉接点的这两篇论文指出，Teneurin蛋白以亲同种抗原的方式跨越突触间隙发生相互作用，以确保在发育中的神经元之间能够实现正确的匹配。

裂殖酵母的MCC的晶体结构已被确定

复制的染色体在有丝分裂过程中所产生的两个子细胞之间的平均分配，取决于“纺锤体组装检验点”（SAC）的活性；在所有姊妹染色单体都已附着到双极有丝分裂纺锤体上之前，SAC会使细胞周期一直处于暂停状态。SAC的功能是由“有丝分裂检验点复合物”（MCC）施加的。现在，来自裂殖酵母的MCC的晶体结构已被确定，显示了它与“后期促进复合物”（即启动染色体分离的泛素“连接酶”）之间发生相互作用的分子基础。

人类活动所产生的气溶胶影响气候变化

北大西洋海洋表面温度的变化，对全球很多地方的气候都有深远影响。大西洋海洋表面温度在数十年时间尺度上的变化长期被认为是由海洋内部动态决定的，但Booth等人在此提出证据表明，由人类产生的气溶胶（主要来自化石燃料和生物质的燃烧）是20世纪北大西洋气候变化的一个主要驱动因素。他们利用一个复杂的地球系统气候模型表明，从1860年到2005年，由人类活动所产生的气溶胶排放严重影响了大西洋数十年时间尺度上的海洋表面温度变化，因此也严重影响了与大西洋海洋表面温度变化有关的气候过程和事件，如干旱和热带气旋。

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细菌鞭毛马达的反直觉调整能力

趋化过程（趋化性）是细菌用来响应某种化学刺激而进行运动的过程，是由一种鞭毛回转马达驱动的，这种马达在一个狭窄的操作范围内对细胞内水平上的信号作用蛋白CheY-P极为敏感。然而，稳定态的CheY—P浓度在细胞与细胞之间有一个很大的变化，这促使人们猜测大肠杆菌是否有可能以足够大的精确性控制其稳定态CheY—P浓度，以便在需要时使用该鞭毛马达。Howard Berg及其同事为这一矛盾找到了一个答案。这种细菌似乎是以一种反直觉的方式来避免该问题的，即不断调整马达中CheY—P目标蛋白的数量。这种在一个控制过程的输出端进行的适应性调整是违反“良好工程实践”原理的，但对很多生物机器来说很可能是普遍的。

温度对植物开花时间的影响

植物生长和发育受温度变化的影响。在这项研究中，Wigge及其同事研究植物怎样响应温度的上升来控制它们繁殖的时间。他们提供了一个上升的温度能够直接激发模型植物拟南芥开花的机制。开花时间是作物的一个重要特征，在机制上对温度上升怎样影响这一过程的认识对于减轻气候变化的效应将会有重要意义。

用“竞争ChIP”方法研究转录因子动态

传统的“染色质免疫沉淀”（ChIP）实验测量DNA上的转录因子占据情况，但在给定位点上却不能很好预测转录因子的功能。在这项研究中，研究人员利用该方法的一种被称为“竞争ChIP”的变通形式（它能对DNA-蛋白相互作用的动态作出反应）测量了酵母转录因子Rap1在整个基因组中的结合动态。他们发现了一系列不同的驻留时间，其中较慢的Rap1动态与转录激发耦合在一起，较快的动态与低表达水平耦合在一起。因此，对于传统ChIP分析来说，看似相同的DNA-结合事件也可能会导致相反的功能后果。

动物身体彩色图案揭秘

动物身体上复杂彩色图案（如贝壳、热带鱼和豹子身上的图案）的形成，对发育生物学家来说是一个经典谜题。大多数试图解释图案信息的工作都是理论上的，着重于反应—扩散机制，按照这样的机制，可扩散性本地激发因子（形态发生素）与长距离抑制因子之间的互动被假设产生稳定的图案。但此前一直没有形态发生素或抑制因子的候选对象被识别出来。现在，Sean Carroll及其同事以果蝇Drosophila guttifera翅膀上的圆点图案为模型发现，翅膀上的斑点是由无翼形态发生素诱导的，这种果蝇翅膀上精致的斑点图案很可能是通过在新的地方选择无翼形态发生素的表达而从更简单的图案形成的。在本期封面的合成图片中，左翼所示为这种果蝇16个与条纹相关的点及4个条纹间的阴影；右侧图案将条纹点与条纹间阴影顺势调控元素的活性融合在这种果蝇的一只双转基因个体蛹期翅膀中。

胰腺α-细胞可以自发变成β-细胞

胰腺中产生胰岛素的β-细胞寿命长，在其生命周期中几乎不复制，但在受伤时或有代谢需求时则会复制。对β-细胞几乎被完全去除的一个转基因小鼠模型所作研究表明，成年α-细胞（正常情况下负责产生肽荷尔蒙升血糖素）可以被自发地重新编程为β-细胞。关于胰腺细胞弹性的这一意外发现，让我们看到了糖尿病的可能治疗方法：要么通过差异化环境在体外生成细胞；要么在体内诱导细胞再生。而且，关于选择性杀死细胞及非选择性地全部杀死细胞的新模型的建立，可能会显示其他器官中以前未被识别出的细胞弹性。

“热海王星”GJ 436b的大气组成

在红外波段所做的新的观测工作，首次显示了编号为Gliese 436b(GJ 436b)的一颗“热海王星”太阳系外行星的大气组成。GJ 436b是一颗M矮星的一个伴星，其大气中有高浓度的一氧化碳。水和痕量二氧化碳也存在，但预计在一个以氢为主的大气层中作为主导性含碳形式的甲烷的浓度却要比对一颗处在热化学平衡状态的行星所预测的结果小10万倍。可能的破坏性影响包括垂直混合作用及甲烷的聚合。这些测量结果是当该行星在一个很短的、只有2.64天的轨道上经过其母星后面时用斯皮策太空望远镜在6个波长中获得的。

经典精确度极限的突破

原子干涉仪依靠粒子的波性来工作，用在从确定引力常数到定义时间标准等各种不同的超高精度测量中。干涉仪的精度一般受限于由实验中所用原子的有限数量所造成的经典统计（方法的局限性）。本期Nature上两篇论文，介绍了玻色—爱因斯坦凝聚态（BECs）中的“自旋挤压”在使测量结果比经典统计所允许的程度更精确方面所具有的潜力。利用一个特制玻色—爱因斯坦凝聚态作为对一台干涉仪的输入，Gross等人打破了经典的精确度极限。在第二项研究中，Riedel等人通过控制与一个依赖于状态的势能之间的弹性碰撞间的相互作用，在一个约束到一个“原子芯片”上的BEC中创造出了类似的“自旋挤压”。对在一个芯片上的多颗粒纠缠的这种演示，让我们看到了基于芯片的便携式原子钟的前景，这样的原子钟也能突破经典的精确度极限。

让液体出现超冷状态的一种方法

液体中局部原子排列与晶体中的序列有实质性差别。但当与一个晶体接触时，液体中相邻原子能模仿其序列，经常触发液体的固化。这种“种子效应”是人们所熟悉的，如当水接近冰点时所出现的那样以及在晶体成核中所出现的那样。比较意外的是本期Nature上所介绍的一个关于相反效应的发现：如果一个表面的原子结构与相接触液相的结构相似，那么该液体不是结晶，而是在远低于其融点时仍保持为液体，这样便实现了超冷状态。这个现象过去在金—硅共晶液滴中观察到过，这些液滴与金原子按五角形分层排列在一个硅基质上。这一发现对于关于凝固问题的基础研究及对于相变的实用控制都有意义。例如，经常用来获得超冷状态的“无容器”方法，也许就可以通过用一种按二十面体排列的表面来涂覆容器而避免。

李斯特菌的感染机制

在感染过程中，食源性病原体“单核细胞增生李斯特菌”能利用宿主细胞的大量功能，包括涉及泛素化和磷酸化的、专门修饰关键蛋白活性的转录后修饰。致病细菌对被称为“SUMOylation”的泛素样修饰（真核细胞中一个重要过程）的效应在很大程度上仍不清楚。现在，对被“单核细胞增生李斯特菌”感染的人类细胞和对一个小鼠模型所作的一项研究表明，其毒性因子listeriolysin O(LLO)通过触发Ubc9（“SUMOylation”机制中一种必要的酶）的降解诱导细胞中被SUMO化的蛋白水平下降。这项工作说明，李斯特菌（可能还包括其他病原体）通过降低关键调控蛋白的“SUMOylation”水平来抑制宿主对感染的反应。

tau蛋白纠结是敌是友？

人们主要以脑组织尸检获得的证据，认为tau蛋白的异常纤维性沉积（该蛋白在正常发挥功能时其作用是稳定微管）在阿尔茨海默氏症和tau-相关额颞痴呆症中引起细胞凋亡和神经退化。现在，对过度表达一种人类tau基因的转基因小鼠中的这些神经纤维纠结所作的活体多光子成像研究，显示了一个大相径庭的情形。半胱天冬酶激发（细胞凋亡的一个已知标志）是所观察到的第一个异常，发生在纠结形成之前数小时至数天。有纠结的神经细胞不是遭受死亡，而是好像寿命还很长，同时半胱天冬酶活性降低。因此真实情况可能是这样的：引起神经退化的是可溶性tau，而不是纤维性tau。就以破坏纠结为目标的药物在对抗神经退化中的价值而言，这项工作的意义在很大程度上解释了取决于神经纤维纠结是一种保护性因子、与疾病无关，还是与慢速作用的神经毒性相关。