本期《科学》《自然》精选

本期《科学》《自然》精选

　　

生物通综合：

11月9日《Nature》

封面故事：成年视网膜能够结合新的光受体细胞

光受体损失会在很多视网膜疾病中导致不可逆转的失明。试图通过向成年视网膜中移植大脑或视网膜干细胞来修复这种损伤的努力基本上都失败了，没有生成新的光受体，也几乎没有迹象表明移植的细胞能与视网膜神经元连接或恢复视力。现在，用小鼠做的一个实验表明，成年视网膜能够结合新的光受体细胞，前提是移植的细胞是处于某个特定发育阶段的专一的视杆前体细胞，是由转录因子Nrl（在本期封面照片中心位置所示细胞中标记为绿色，视网膜色素显示为红色）的表达定义的。这项研究为从胚胎或成年干细胞生成适合移植的细胞铺平了道路。这些发现还向一个被人们普遍接受的假设提出了挑战，该假设认为，未分异的细胞最适合CNS修复。

纤毛虫基因组完成测序

全基因组复制是极其强大的演化力量，而人们非常关注的是，这些事件中复制的基因发生了什么。现在，纤毛虫Paramecium tetraurelia的基因组序列已经测序完成，它的近4万个基因（它是一个基因非常丰富的基因组）表明，至少有三个连续的全基因组复制。由于基因顺序在Paramecium中保持得特别好，所以有可能对在每个事件中所复制的基因进行识别，从而为在复制之后不同时间的基因损失情况提供一个完整的画面。

Rhomboid蛋白的晶体结构已被确定

Rhomboid伽马分泌酶和相关膜蛋白专在膜内发挥作用：很多信号蛋白经过膜内蛋白水解而处于活性状态，而其他一些信号蛋白则转化成溶解性较差的、淀粉质的多肽片段。现在，Rhomboid的晶体结构已被确定，该结构显示了它是怎样利用来自膜外的水分子来解理嵌入在膜中的蛋白基质的。催化类似反应的其他蛋白也可能有这一机制。它们当中的一个，即Presenilin，所发生的突变与家族性阿尔茨海默氏症有关。

C3b的X-射线结构

本期Nature上三篇论文报告了对C3b所做的首次X-射线结构分析（C3b是人补体C3的活性形式）。 补体系统是由血清蛋白和细胞表面受体构成的一个家族，能够识别病原体，并释放针对它们的免疫反应。C3蛋白的动力来源是一个硫酯基团：当被激发时，它与病原体上的一个受体结合，并将其标记为摧毁目标。主体细胞中还有类似的硫酯，所以C3硫酯必须受到严格控制。了解C3b活性形式的结构，是朝设计操控补体系统的治疗方法的目标所迈出的一步。研究人员已经发现，补体系统的不正确激发，与包括关节炎、哮喘、红斑狼疮、自免疫心脏病和多发性硬化等疾病有关。

Wza蛋白的三维结构

很多细菌都有一个外部的多糖囊，用来帮助它们在表面上寄生。作为寄主和病原体之间的一个接触点，这种多糖囊是疫苗和其他疗法的一个潜在作用目标。现在，研究人员确定了一种名为Wza的、负责将囊中的多糖从细菌里面向外转移的蛋白的三维结构。多数Wza处在里面的胞质膜和外面的细胞膜或外周胞质之间的空间中。该蛋白含有一个很大的中央空腔，多糖穿过这个空腔来输送。

四足动物耳和四肢的演化起源

从水中向陆地的演化转变是人们一直都感兴趣的问题，最近与这种转变有关的过渡性化石在加拿大的发现以及将以前被划分为鱼类的化石重新解释为四足动物（或近似于四足动物的动物）的研究结果，进一步激发了人们的这种兴趣。但陆地生命的历史还要更为久远一些。来自澳大利亚泥盆纪地层的、距今已有3.8亿年但却保存极为完好的Gogonasus鱼的化石，在很多方面都像鱼，但其耳和鳍却出乎意料地发达。所以，四足动物耳和四肢骨架的一些特征现在可以从鱼类那里找到根源了。

11月10日《Science》

发现老年黄斑病变致病基因：HTRA1

来自美国犹他州大学医学院Moran眼科中心（Moran Eye Center），Eccles人类遗传学协会（Eccles Institute of Human Genetics），以及中国四川大学医学院和四川省人民医院等处的研究人员（第一作者为同属于以上单位的Zhenglin Yang）定位了老年黄斑病变（Age-related Macular Degeneration，简称AMD）在人类染色体10q26上的精确基因，这将有助于发展AMD的诊断和治疗。这一研究成果以“Science Express”发表在10月《Science》在线上，同期出版的《Science》周刊一篇来自耶鲁大学流行病与公共健康系，以及香港大学眼科与可视科学系的文章也报道了这个使患湿型AMD风险大为增加的单核苷酸多态性 (SNP)。

老年黄斑病变（Age-related Macular Degeneration，简称AMD）是一种可遗传的视网膜退化病变，患者的黄斑点退化导致中央视觉受损，这种眼疾多55岁左右发病，是老年和高龄人士致盲的主要成因之一。AMD有两种类型：湿型和乾型，其中湿型AMD危害最严重。

AMD部分的致病原因部分是由于继承了易感基因，这方面的研究已经发现AMD基因定位在染色体0q26上，但是精确的基因至今仍然未被识别。

在第一篇文章中，Yang等人对来自犹他州高加索人（白种人）的581个AMD病例和309个正常对照进行了基因分型，发现一个在HTRA1启动子区域的单核苷酸多态性rs11200638最有可能引起AMD在10q26的突变，并且确定人口患病比例为49.3%。同时他们也发现这个HTRA1基因编码一个分泌的热休克丝氨酸蛋白酶，进一步淋巴细胞和视网膜色素上皮细胞也表明这个SNP与HTRA1 mRNA和蛋白的过度表达有关。另外一篇文章中，研究人员通过对一个华人人口群进行分析，同样也在在HTRA1基因中找到了这个使患湿型AMD风险大为增加的SNP（P <10-11），并且认为这是影响湿型AMD的主要遗传因子。

这些研究都为进一步诊断和治疗AMD提供了重要信息，这个突变也有可能成为今后治疗的靶位点。

　

海胆基因组测序结果公布

休斯敦贝勒医学院(Baylor College of Medicine，BCM-HGSC)人类基因组测序中心主持的海胆基因组测序计划（Sea Urchin Genome Sequencing Project ,SUGSP)协会，于11月9日宣布完成对紫海胆（Strongylocentrotus purpuratus）基因组的破译、分析工作。结果刊登于11月10日Science杂志。

棘皮动物门大约出现于5.4亿年以前，代表成员包括海胆、海星、海参等。在2.5亿年前二叠纪末期的第三次物种大灭绝后，现代海胆逐步成为棘皮动物门的霸主。棘皮动物是后口动物，它们的原肠胚孔形成肛门，而口部是后来形成的。它们有特殊的五体对称步管结构。由于棘皮动物的胚胎形成方式和脊索动物一样，所以样子虽然看起来原始，但实际上是包括人在内的脊索动物的近亲。因此海胆引起基因组测序人员的重视。

鉴于海胆的进化地位，对海胆基因组测序是生物学领域的一块处女地，此次测序工作填补了基因组测序上的一个空白。研究人员说：“我们了解到人类祖先和昆虫祖先分道扬镳以后的进化事件。”将海胆基因组与人类基因组比对，能够找出哪些人类基因是后进化得来的，哪些基因较为古老，哪些在后口动物祖先出现之后进化较慢，哪些基因在自然选择压力下快速进化，这些信息有助于将来弄清人类每个基因的历史，设计出线虫、人类等动物共同祖先的图谱。

研究人员以加州紫色海胆样本，确定其2万3300个基因。“研究显示，海胆与人类相似的基因、生物学途径比我们预计的还要多好多，”美国国立卫生研究员人类基因组协会主任Francis Collins说，“将海胆基因组与人类基因组、其它模式生物基因组进行比对，能够为研究人类自身基因组结构和功能提供新的线索。”
研究发现：

1 海胆与人类有许多相似基因，但是人类基因数量比较多，提示在海胆与人类分道扬镳后,脊椎动物在进化过程中至少出现过两次全基因组复制。

2 人类有固有性免疫系统和获得性免疫系统。海胆只有很少的获得性免疫系统的基因，但其固有性免疫识别受体比动物的要复杂许多。这些受体基因包括222个Toll样受体、200多个NACHT区富亮氨酸重复蛋白（NACHT domain–leucine-rich repeat proteins，与核苷酸结合寡聚物形成功能域（nucleotide-binding oligomerization domain，NOD）和脊椎动物的NALP蛋白相似）组成的超家族、大量富含半胱氨酸的蛋白（cysteine-rich proteins，CRP）。免疫和造血调节蛋白的类似物先前只在脊索动物发现过，或者这些蛋白的基因只出现于有颚脊椎动物的获得性免疫系统中。这些结果强调了受体的动态利用、免疫识别的复杂性也许是后口动物的基本结构，预示了两侧对称祖先的特征。

3 海胆是胚胎发育研究的模式生物。研究人员利用高通量tiling arrays对胚胎期一直到原常胚期S. purpuratus所表达的全部蛋白的特征进行分析，发现只有一小部分细胞的表达量很低的基因才能够完成全部拼接。至少11，000－12，000基因作用于胚胎发生，用于编码转录因子、信号蛋白和一些经典的细胞骨架蛋白、代谢蛋白。只有一小部分基因用于编码免疫系统蛋白和感受器蛋白。在基因之间的区域中发现了成千上万种小的功能未知的不对称转录本（ranscript）。研究人员在对基因组注释过程中利用这些tiling array数据修正、鉴别几千个基因模型。

4 海胆外表简单，没有耳朵，也没有眼睛，但是其管足（tube foot）上有视觉蛋白，似乎也发挥作用。研究人员说没有想到相同的视觉蛋白，在人类和海胆却分部于结构如此不同的器官上。

“海胆测序向我们揭示了地球生命的潜在信息，”研究人员说，“在生命周期中，相似的基因和蛋白通过作用于不同的途径、不同的数量、不同的时间，使得地球物种如此多样。”

海胆基因组序列测出
研究人员测出了又一个生物学最爱用的模式动物-紫海胆Strongylocentrotus purpuratus -的基因组。海胆属于棘皮动物门，有些能活100年以上，它们比模式动物果蝇和线虫与人类的关系更近，这两个动物的基因组早已被测出。100年前，海胆曾帮助科学家了解受精过程以及发展了基于染色体的遗传理论。近年来，海胆研究曾给出动物发育中第一个基因调节网路。
这个海胆基因组是测出的第一个棘皮动物的基因组，这类动物是包括脊椎动物在内的脊索动物的最近的亲戚。棘皮动物和脊索动物都属于后口动物，而果蝇和线虫则属于原口动物。George Weinstock和同事报告了海胆S. purpuratus的基因组的测序，并分析了这个814Mb长的序列，它编码了大约23,300的基因，包括许多过去被认为脊椎动物才有的、或后口动物没有的基因。在一篇相关的研究评述中，Eric Davidson写道，来自这个基因组序列的重要深入了解之一是，“后口动物工具箱”的定义，也就是只有这类动物才有的基因集合。比较海胆和脊椎动物的基因组应该使我们对人类自己的基因组有更好的了解。本期这个专题部分的其他4篇文章探索了该基因组为发育、进化、免疫、基因调节、以及其他问题的提供的早期情况。
专题介绍：The Glorious Sea Urchin, Barbara R. Jasny and Beverly A. Purnell

牙齿化石讲的故事
工具被认为帮助人类祖先得以生存，因为工具使饮食多样化。Matt Sponheimer和同事用来自一个早期祖先傍人“罗百氏”(Paranthropus robustus)的牙齿珐琅质确定出这个生活在大约180万年千的祖先有多样化的饮食，包括预料中的植物和意料之外的动物。研究人员分析了来南非Swartkrans的傍人“罗百氏”的4颗臼齿的珐琅质，他们用的是不毁坏化石的激光烧蚀稳定同位素分析，因为植物中的碳同位素被食用者吸收到组织中，所以可以用这个技术。这些祖先在多大程度上吃植物（表现为碳-3）、在多大程度上吃动物（表现为碳-4）能通过牙齿化石的这些同位素的含量发现。Stanley H. Ambrose的研究评述探讨了这一发现，对工具在帮助人类祖先多样化他们的食物上的重要性提出了疑问。
报告：Isotopic Evidence for Dietary Variability in the Early Hominin Paranthropus robustus, Matt Sponheimer, et al.

脂质基因突变也许与秃顶有关
新发现找到了人类秃顶的嫌疑基因LIPH。Anastasiya Kazantseva和同事对在俄罗斯、东欧、以及美国的来自俄罗斯伏尔加-乌拉尔地区的两个人群的35万人进行了筛选，他们在有遗传性秃顶的家族中找到该基因的一个突变以及一种头发生长缺陷，但没有发现其他健康问题。LIPH 基因编码脂酶H，这个酶被认为负责调节脂质信号分子生产。LIPH 基因是否与普通人群中更常见的秃顶有关现在还不清楚。
报告：Human Hair Growth Deficiency Is Linked to a Genetic Defect in the Phospholipase Gene LIPH, Anastasiya Kazantseva, et al.

免疫之外的大范围流行病的预防计划
Stephen S. Morse 和同事在本期政策论坛中指出，为了更好地对付下一个大范围流行的流感，在新疫苗能够生产出来之前，应该更多地强调用非药物的干预来保护公众。对付大范围流行流感的战略以免疫为基石，但是文章作者说，即使在最好的情况下，至少需要6个月的时间来研制疫苗。抗病毒制品是一个备用方案。自从1918年世界范围的大流感杀死了3000万到4000万人以来，最先进的流感药物干预并没有多大的进展。文章作者呼吁需要更多的研究来了解在疫苗被研制出来以前如何保护人群，并指出美国疾病控制和预防中心已经接受这个方面的研究申请。他们还建议把现有的数据提供给个人，比如将生病的家人隔离在关门的房间里。商业和建筑商应该用现有的工业卫生数据，这方面的最新数据来自反恐怖的研究。在下一个大范围流行的流感发生之前，应该共享最佳实践做好准备。
政策论坛：Next Flu Pandemic: What to Do Until the Vaccine Arrives?, Stephen S. Morse, Richard L. Garwin, and Paula J. Olsiewski

钾通道如何让钾离子、不让钠离子通过
与高档俱乐部类似，细胞有一个迎接合意客人和排除讨厌客人的系统。新研究为细胞的这个系统如何工作提供了线索。钾离子通道对神经细胞的兴奋兴很重要，钾离子通道像是看门人，把合意客人钾离子接进来，把讨厌的小一点的钠离子排除在外。Francis Valiyaveetil和同事合成了一个带有修饰的钾通道，这个修饰影响了通道把自己收紧的能力。他们显示，钾离子通道的选择性是用两种方法实现的。在钾出现时，细胞膜上的孔保持打开与畅通状态，但是在钾离子浓度低的情况下，孔收缩，从而排除钠离子。而且，在畅通的状态，孔壁上多个专门针对钾的结合点。
简报：Ion Selectivity in a Semisynthetic K+ Channel Locked in the Conductive Conformation, Francis I. Valiyaveetil, Manuel Leonetti, Tom W. Muir, and Roderick MacKinnon

用等离子制造半导体纳米管
一个新的两个步骤的处理能把金属的单壁纳米管从一个半导体和金属纳米管的混合中分离出来，是剩下的纳米管具有纯的半导体性质。Guangyu Zhang和同事所用的单壁碳纳米管的直径只有十亿分之三米。这么小的尺寸和它们增强的性能是这些纳米管成为下一代微型电子器件的关键。在这个实验中，材料科学家制造了单壁碳纳米管，制造过程产生一个金属和半导体纳米管的混合。研究人员用一个400摄氏度的甲烷等离子体将金属纳米管选择性的蚀刻成气体，剩下了半导体纳米管，然后把这些纳米管加热到600摄氏度退火。红外显微镜显示这些处理过的纳米管很干净，而且表现出半导体纳米管的性质。
报告：Selective Etching of Metallic Carbon Nanotubes by Gas-Phase Reaction, Guangyu Zhang, et al.