12月Nature子刊精选选读

12月Nature子刊精选选读

　　

生物通综合：

自然-细胞生物学 

原发肿瘤让肺部迎接入侵 

研究人员发现，通过引入指导炎症细胞和肿瘤细胞迁移的因子，原发肿瘤让肺部作好准备迎接外来者的入侵，他们将这一最新的研究成果发表在今年12月号的《自然－细胞生物学》上。许多固体肿瘤是在迁移过程中形成，这时癌细胞从原发位置扩散到身体的其它部位。迁移减少了治疗的机会和晚期癌症出现症状的时间，但对这一过程的研究还处于婴儿时期。 Sachie Hiratsuka 和同事对患肿瘤的小鼠进行了研究，发现在由原发肿瘤分泌的一系列因子的作用下，名为趋化因子的蛋白质被引入肺部。趋化因子诱导炎症细胞和肿瘤细胞迁移到肺部。原发肿瘤和迁移前组织间的圆圈扩大，促进了迁移肿瘤的侵入。中断原发肿瘤和肺部细胞间的圆环信号可有效地阻止小鼠肺部肿瘤的转移。在早期中断肿瘤细胞向转移点的迁移是一种有效的临床治疗方法，可阻止癌细胞的扩散。


自然遗传学 

分子启动骨骼的修复 

长期以来，科学家们知道骨形态发生蛋白质BMP2是促进骨骼生长的蛋白质家族中的一员，但如今研究人员发现，只有在BMP蛋白质绝对存在的情况下，身体才能对自然修复骨骼的需要做出反应，这一最新的研究成果发表在12月出版的《自然－遗传学》上。 Vicki Rosen和同事去除了小鼠体内专门负责前肢发育的蛋白质BMP2的编码基因。这些小鼠出生时没有出现可观察到的不正常情况，但在13周大时，所有的小鼠在接受检查时都发现了骨密度的减少和自然发生的前肢骨折的现象。而且，尽管骨折部分仍有骨骼再生表征的祖细胞的存在，但这一部分没有出现任何正常的康复反应。这些祖细胞是表达BMP2的受体，但在BMP2缺少的前肢体中它们没有分化。 


在实验室中观察细菌的进化 

得益于完整的基因组序列，科学家们能够在实验室时间范围内观察细菌的进化，这是12月号的《自然－遗传学》期刊上的一篇论文报告的。对细菌进化的实验研究历时多年，但是鉴别出导致可观察到的细菌生长特征变化的遗传变化却非常困难，而且费时费力。采用NimbleGen系统公司最近研制的一种新方法，Bernhard Palsson和同事能够快速、经济地测出基因组序列。他们在介质中培育了一种大肠埃菌属，甘油是其中主要的碳和能量来源。研究人员在44天的时间里培育出近660代细胞，从5个种群中分离出单个的细菌。完整的基因组序列让他们能够在实验结束时分离出来的细胞和开始使用的菌种之中鉴别出9个不同的序列。在大肠埃菌属生物学中，部分变异比较容易理解，比如负责编码甘油激酶的基因的变异，这种激酶在甘油断裂的第一步中起催化作用。但以前的研究没有发现其它变异在甘油的新陈代谢中也发挥了作用，暗示这种细菌在面对环境变化时的复杂反应。新方法有望提高我们在遗传水平对细菌和有适度基因组的生物进化认识。 


自然-免疫学 

保护母亲免遭胎儿免疫识别
 
研究人员在12月号的《自然－免疫学》上报告说，在胚胎形成过程中表达的一种蛋白质可能会保护母亲免遭来自胚胎细胞的免疫调节攻击。这个名为Zfp608的蛋白质能够关闭Rag基因的表达，Rag基因与胎儿免疫细胞的发育和功能有关。 ZORI小鼠是一种有遗传缺陷的小鼠，这种小鼠的免疫系统受到了损害。通过对ZORI小鼠进行仔细研究，Thomas Aune和同事鉴别出Zfp608蛋白质。这种小鼠在胸腺内产生的免疫细胞T淋巴细胞的数量减少了。正常情况下，小鼠在胚胎期表达Zfp608，但这种表达在出生后就立即中止了。相反，ZORI小鼠出生后在继续在胸腺内表达Zfp608，而Zfp608的持续表达与胸腺免疫细胞发育的缺失有关。 Aune和同事发现，Zfp608抑制了Rag基因在胸腺细胞内的表达，这解释了在 ZORI小鼠体内发现的T淋巴细胞发育的缺失。他们推测， Zfp608在胚胎中的适时表达在胚胎免疫细胞的发育过程中发挥了保护作用，因为这些细胞有可能被识别并攻击母亲的组织，对母亲和尚未出生的孩子造成伤害。 

 
发烧的好处 

发烧是对免疫系统的促进，这是12月号的《自然－免疫学》上的一篇论文所报告的。Sharon Evans 和同事指出，类似于发烧的小鼠体温的升高能增加淋巴结中所征集的免疫细胞数量，这些细胞在此接受教育和武装，以鉴别和消失侵入的病原菌。淋巴结是免疫系统的发电站。来自附近组织的细胞和颗粒进入淋巴结并向淋巴细胞发出警告，免疫细胞通过血管进入淋巴结，之后出现在侵犯者面前。 Evans的小组报告说，这些细胞上出现的发烧被称为“高内皮小静脉细胞”，其功能是作为血源细胞和淋巴结之间的守门人。发烧还能增加高内皮小静脉细胞表面上的粘附分子数量，导致更有效的淋巴细胞进入淋巴结。淋巴结因免疫细胞数量的增加而肿胀，在腮腺炎中可以观察到这种现象，一般认为这就是感染的表现。因此，如果你在感冒发烧时通过药物降低体温时，请记住发烧实际上有益于健康。 

自然-材料 

纳米颗粒一箭双雕
 
核磁共振仪可用于给血管成像，而附近的红外辐射则可用来消灭恶性细胞，研究人员在12月出版的《自然-材料学》中报告说，有可能将这两种功能集成在一套系统中。 Hongjie Dai和同事设计了集成这两种功能的纳米微型系统，这个系统还有两个优点：可溶于水和无毒。这个纳米系统由铁-钴合金外包一层石墨碳构成。铁-钴核心具有超强磁性，因此，与常用的钆造影剂相比，更低剂量的铁-钴纳米颗粒可得到更高清晰度的磁共振成像。石墨碳外壳还有另外一层意义，它能保护铁-钴核心更稳定更强壮。这个纳米颗粒的表面也功能化为可溶于充满水的身体，延长了成像的时间。而且，这个颗粒能吸收邻近的红外光。作者声称，这种现象可用于局部加热，激发一种治疗效果，比如杀死癌细胞。 


自然-神经科学 

一种意想不到的生理疼痛 

研究人员在12月号的《自然-神经科学》上报告：一种自然产生的疼痛缓释剂可能会加剧而不是缓解另一种特殊的生理疼痛。作者在论文中指出，内源性阿片(Endogenous Opioid )是一种激活鸦片或吗啡受体的小蛋白质，但它通过激活不同类型的受体而产生这种效果。强啡肽(Dynorphin A)是一种内生性阿片，通常情况下它在鸦片受体内发挥抑制慢性疼痛的作用。Josephine Lai和同事对强啡肽进行了研究。在类似于神经损伤的部分慢性疼痛症患者体内有高水平的强啡肽，但与其它内源性阿片不同的是，强啡肽实际上会加剧疼痛。作者解释了这种令人困扰的现象：强啡肽也能激活脊髓中缓激肽受体，这种受体能导致对疼痛的超敏感性。一种能抑制缓激肽受体的药物能抵御神经性的疼痛，但它只能在强啡肽水平提高时才会这种发挥作用。在强啡肽的作用下，缺失强啡肽受体的小鼠没有表现出疼痛的加剧。这些新发现指出，在将新的阿片药物应用于疼痛治疗前，应仔细评估它们对缓激肽受体和鸦片受体的作用。新发现也许有助于开发一种全新的治疗慢性疼痛的药物。 


大麻怎样损伤记忆？

四氢大麻酚（Tetrahydrocannabinoid：THC）是大麻中的一种活性成分，海马区是大脑中与记忆有重要关系的区域。研究人员在12月号的《自然-神经科学》期刊上说，THC能干扰小鼠大脑海马区域中神经细胞间的协同作用，并认为这也许能解释毒品为何会损害记忆。 Gy?rgy Buzsaki和同事记录了小鼠海马区中多种神经细胞的活动。正常情况下，这种区域中神经细胞会形成团簇，以每秒4-10次的速度激发动能或神经脉冲。但当研究人员将THC或相关的合成药物注射进海马区地后，这种协同作用被破坏了。这种药物没有改变动能产生的数量，而是改变了它们同时发生的趋势。在这种药物的作用下，小鼠的记忆水平低于正常水平，研究人员由此推测，神经细胞的同时放电对海马区功能的正常行使很重要。 


阿尔茨海默氏症潜在疗法面临问题 

髓鞘是围绕着神经细胞的绝缘性脂肪，它能确保神经脉冲信号中迅速而有效地到达目的地。研究人员在12月号的《自然－神经科学》期刊上报告说，一种在阿尔茨海默氏症中产生毒蛋白质的酶对髓鞘来说却至关重要。新发现意味着以BACE1酶为靶标的阿尔茨海默氏症治疗方法可能会产生严重的副作用。 Riqiang Yan和同事对删除了BACE1基因的小鼠进行研究，以确定这种酶被剔除后的效果。他们发现这种小鼠从大脑到脊柱的神经细胞的髓磷脂外层度变薄了，而且这种情况一直持续到成年。作者表明，通常情况下BACE1通过激活神经胶质细胞生长因子NRG行使功能，NRG参与了髓磷脂的启动。行为测试也显示，这些小鼠对疼痛的忍受底线和握力水平都降低了，这些是髓磷脂消溶的典型特征。尽管抑制BACE1也许能够减少阿尔茨海默氏症患者大脑中淀粉前体蛋白转化为斑块的速度，但如果将之作为一种治疗技术，应用时需十分小心。 


精神分裂症的遗传风险 

研究人员在12月号的《自然－神经科学》上报告说，某个与精神分裂症相关的基因变异与精神问题症状和认识缺陷的发生也有关系。精神分裂症最显著的特征是出现错觉和幻觉，但在全部的症状出现之前是适度的精神问题行为和随之而来的认知问题。在10年多的时间里，Jeremy Hall和同事对亲属中有精神分裂症患者的年轻人进行了研究，这些人发生精神分裂症的风险比普遍人更高。研究人员对比了这些人中发生和没有发生精神分裂症的人之间的不同。以前的研究显示，神经调节基因（neuregulin1 ，NRG1）与精神分裂症的发生有关，Hall和同事报告说，与没有携带变异者相比，拥有变异NRG1的人发生精神分裂症的风险更大，而且智商更低。而且通过功能性核磁共振造影，他们发现拥有这种高风险变异NRG1的人在大脑的额叶和颞叶部位的活动更慢了。这项研究还推测，精神分裂症患者的行为和神经系统前体对这种疾病的发生也很有关系。还需要做进一步的研究探测大脑活动的减少与遗传变异和认识功能不良间的自然关系。 

《自然—方法学》 

重新定义受体的组织方式 

有关某种关键性的细胞表面受体是如何自组织的，已经有了一套广为接受的模式，但研究人员在12月号的《自然—方法学》中对这种模式提出严重质疑。 位于我们细胞膜内的大量蛋白质调节着身体的绝大部分基本生物学功能。来自食物和空气中的味道和气味与这些蛋白质结合，诱发感觉细胞的特别反应并将这些反应送给大脑。一种名为G蛋白质双联受体的蛋白质调节着体内的许多关键生物过程，如细胞间的交流，因此成为许多治疗药物的靶标。科学家们认为这些受体就像站立在孤独的前哨墙壁上的单个哨兵一样发挥作用。每个受体从外面寻找信号并将之传递给墙壁内无数其他的同伴，让每个同伴都能作出恰当反应。 

20世纪90年代，有证据显示这些受体并不像孤独的哨兵一样发挥作用，而且是成双成对地传递外部的每个信号。但很难确证每个哨兵究竟是单独行动还是协同作用。 Simon Davis和同事对用于验证这些细胞膜受体组织方式的基础实验进行了改造，目的是让结果更加明确。在测试了几种不同细胞膜受体的组织方式后，他们发现至少部分受体只是偶尔协同作用，它们之间并没有成双结对。 本期《自然—方法学》的一篇新闻和观点文章对G双联蛋白受体组织模式的变化进行了评价，并呼吁重新评估这类双聚体的研究报告。 

《自然—物理学》

 X射线成像创新纪录 

拍摄一个微米尺度大小的棍棒形态的X射线图像只用了25飞秒的时间，这项破纪录的工作是由Henry Chapman和同事完成的，这一研究成果发表在12月号的《自然—物理学》上。新技术比传统闪光照相的速度快了约10万亿倍，X射线图像铭刻在以60000摄氏度高温蒸发而成的金属薄膜上。 这些图像是利用自由电子激光产生的辐射而形成的，这些自由电子激光是今年初在德国的电子同步辐射装置DESY上开始运行的。这个漂亮的技艺是对一种新技术的重要原理求证，从而使得利用传统的同步加速器光源对分子般大小的物质的原子结构进行成像成为可能。 

从结构生物学到纳米技术领域，自由电子激光代表了一个激动人心的发展。这些激光产生出强烈、超短的X射线爆，从而可以测量单个有机分子的结构，而不再像传统的X射线分析时需要将分子晶体化。尽管新工作中还没有展示原子尺度的分辨率，但是，当新一代的能量更强的自由电子光源出现后，这个目标很快就能实现。目前，美国斯坦福线型中心正在建造第四代光源——直线型加速器同调光源LCLS。 
（生物通：万纹）