本周《自然》《科学》精选

　　

生物通综合：

7月27日《自然》

封面故事：锰掺杂砷化镓的扫描隧道显微镜研究 

将金属作为“掺杂物”添加进半导体中的做法，被用来调整晶体管和二极管的电子性能。一项新的研究工作，利用在原子精度上取代单个掺杂物的办法来测量它们在纳米尺度上的相互作用。在掺杂锰的砷化镓中铁磁性的发现，激发了人们对基于电子自旋的半导体的兴趣。该研究利用扫描隧道显微镜来观察锰－锰相互作用中所涉及的砷化镓的电子状态。研究人员发现，铁磁相互作用严重依赖于晶体取向，这种性质也许可被用来生长铁磁转变温度超过随机掺杂材料的定向结构。该现象还有可能导致生成用在记忆或信息处理过程中的耦合量子位。（Letter p. 436）封面图片：砷化镓表面上所观测到的锰空穴状态调控自旋状态（箭头所示）之间的磁相互作用。 

癌症与炎症之间的一个联系

人们长期寻找的癌症与炎症之间的一个联系已经被发现。由白介素-23（IL-23）（存在于很多人类肿瘤中）诱发的炎症，似乎能通过保护肿瘤不受免疫系统攻击和促进血管形成来帮助肿瘤生长。出生时没有IL-23的小鼠不会患癌症，这同体内IL-23被抗体阻断的小鼠一样，说明对待人类癌症也许可以采取一个类似的策略。

三种形式tRNA修饰酶的晶体结构

硫原子对于活细胞的生物合成机制来说有点难以对付，因为它们太活泼，需要采用特殊办法来驯服它们。现在，谷氨酸盐、赖氨酸和谷氨酸tRNA的大肠杆菌tRNA修饰酶的三种形式的晶体结构已被确定。这种酶在蛋白合成期间对限制核糖体上“三字母”密码子-反密码子摇摆起关键作用，而将硫引入到其34号残体上的尿苷上形成硫尿苷是它发挥这一功能的关键。三种不同结构，让我们看到了将目标U34的位置转移到靠近催化点的地方、同时激发提供硫元素的两个半胱氨酸残体的连续反应是怎样进行的。最后得到的“封闭的”复合物，通过形成一个催化室来将活化点与溶剂屏蔽开来的办法帮助将硫原子准确地纳入到结构中。这可能是将活泼原子放到大分子中精确位置的酶的一个普遍机制。


一种极端喜欢热酸环境的微生物

尽管环境条件极端恶劣，但深海热液喷孔仍是众多微生物的生存之地。不过此前这种环境中还少发现一种生物：地球热酸温泉中生活着喜酸生物，但尽管理论预测在硫化物沉积物中存在酸性小生境，此前从这种沉积物中分离出的所有微生物却都是喜中性的，或者最多是能耐酸的。现在， 研究人员终于从一个热液喷孔中分离出了一种极端喜欢热酸环境的微生物。它不是一种细菌，而是古生菌DHVE2（深海热液喷孔广古菌-2）家族的一个成员。它生长在pH值在3.3和 5.8之间、温度在55–75 °C的环境中。它占古生菌种群数量的比例接近15%，所以可能是这些环境中铁和硫循环中的一个主要因素。


关于流感疫情的数值模拟

关于一次潜在的流感爆发事件的流行病学数值模型表明，不存在一剂能够控制流感爆发的灵丹妙药，但将多种方法结合起来有可能减少传播，拯救很多生命。出入境控制不大可能有很大效果，限制国内旅行对控制疫情在国内的传播也几乎不起作用。这些模型预测，英国的一次疫情会在第一个病例发现之后两到三个月内达到高峰，而在四个月内结束。研究还表明，在一次疫情开始之后两个月内就需要有疫苗，这样才能对降低感染率起到较大作用。这意味着，疫苗要发挥作用就需要提前储备。


伤口电流在伤口愈合中所起的作用

在所有试验的动物中，上皮的破坏会产生一个内生的电流，涉及伤口愈合的细胞已知会对所施加的电信号产生响应。科学家对这些由伤口诱导的电流的了解已有150多年了，但在这些年中的很多年，人们对这种电流在伤口愈合中所起作用基本上是持怀疑态度的。用小鼠和组织培养所做的新的研究工作将调控细胞运动的基因和信号作用通道与伤口愈合对电流的响应联系了起来，因而有可能导致人们对这一有趣的现象有一个更积极的态度。在该发现中居中心地位的分子是phosphatidylinositol 3'-kinase-γ (PI3Kγ)和肿瘤抑制因子PTEN，它们被发现控制“愈合”细胞朝向由受伤引起的电信号的“向电性”运动。


血管内腔是怎样形成的？

上皮管是很多不同组织中的重要结构单元，这些组织包括血管体系。在这些组织中，由于人们对抑制血管生成的物质作为抗癌药物的兴趣，使得它们在药理上也是很重要的。它们精确的形成机制一直难以确定。现在，对活斑马鱼（这种鱼是透明的，因而方便研究）的血管形成所做的高分辨率延时成像研究表明，血管内腔是由细胞内液泡合并形成的，液泡合并后又融合进了胞质膜中。该研究最终为已有一个世纪之久的关于内皮空腔形成的融合模型提供了活体确认，并且最终推翻了关于血管形成的其他模型，消除了人们对细胞培养赝品的担心。

7月28日《科学》

本期专题部分：HIV/艾滋病
研究人员在本期专题部分的一篇综述中指出，一段长时间以后，人类也许能向其他灵长类那样，最终进化出对HIV或艾滋病的一定程度的抵抗力。Jonathan Heeney与荷兰和英国的同事讨论了人类的HIV，探讨了一些个体的免疫系统的小变化如何开始对抵抗该病毒的进化起一些作用。总体来说，这个过程会在进化的时间尺度上发生，但不是在较近的未来。与此同时，对这些变化的进一步了解也许能为新的治疗方法提供线索。 
专题部分还包括一篇Anthony Fauci 撰写的社论、以及获奖记者Jon Cohen撰写的有关HIV/艾滋病在拉丁美洲和加勒比的10篇报道。Cohen 在10个月的时间里去了墨西哥、中美洲和南美洲、以及加勒比海的12个国家，访问了诊所、妓院、实验室、注射吸毒场所、各国的公共卫生部门、同性恋者俱乐部、大学、贫民窟、民工聚集的铁路小站、监狱、以及许多在HIV病毒困扰下生活的人们。 
专题介绍：Learning to Live With HIV, Leslie Roberts and Jon Cohen 


小鼠大脑中的焦虑
新研究指出，小鼠的焦虑看起来至少部分地由大脑的"较高"区域中的5-羟色胺受体控制。Noelia Weisstaub和同事说，这些发现也许能帮助揭示焦虑、恐惧和抑郁的神经化学，并可能带来针对焦虑的药物靶标。研究人员显示，没有神经递质5-羟色胺受体的小鼠表现出较少的焦虑，而且在遇到新的、有潜在危险的情况下（比如在一个高架迷宫中跑或是在新环境中吃东西），表现出较少的退却。但是这些小鼠的被恐惧制约的和与抑郁有关的行为没有受到影响。在大脑皮层，而不是皮层下区域中，恢复受体功能，使小鼠恢复了正常的焦虑状态。研究人员说这也许提示了焦虑响应是在大脑负责复杂功能的部分作出的风险和威胁估计的帮助下产生的。 
报告：Cortical 5-HT2A Receptor Signaling Modulates Anxiety-Like Behaviors in Mice, Anna Selmecki, Anja Forche, and Judith Berman 


天花病毒的遗传多样性很低
新研究指出，安全实验室保存下来的天花正式消灭前历年的样品显示，天花的遗传多样性很低。Joseph Esposito和同事说，45个分离出的不同天花病毒株的DNA序列几乎是一样的。尽管有高度的类似性，但是他们的分析也提出了病毒的三个主要进化分支：西非洲、亚洲、和南美洲。通过重建这些进化分支以及确定这些毒株导致不同死亡率的蛋白差异，研究为改进诊断化验以及药物治疗提供了基础数据。 
科学特快研究文章：Genome Sequence Diversity and Clues to the Evolution of Variola (Smallpox) Virus, Joseph J. Esposito, et al. 


免疫系统的蛇咬解毒剂
新研究提出，名为肥大细胞的免疫细胞帮助保护小鼠不受某些毒蛇咬和蜜蜂蜇的危害。虽然目前最清楚的是肥大细胞在帮助产生过敏性休克、哮喘和过敏的症状上的作用，但是科学家也认识到这些细胞在免疫系统对付感染上的其他辅助作用。许多昆虫和爬行类的毒液含有能激活肥大细胞的化学物质，所以研究人员通常认为肥大细胞的作用是恶化毒蛇咬或毒虫蜇的危害。但是，Martin Metz和同事的一项新研究显示，蛇和蜜蜂的毒液对缺少肥大细胞的小鼠比对正常小鼠的害处更大。用以色列鼠毒蛇毒液做的试验提出，肥大细胞通过释放羧肽酶A提供保护作用，该酶降解毒液的一个危险成分，这给解毒研究提出了可能的新方向。蛇咬含有不同量的毒液，肥大细胞对低于或接近致命量的毒液的作用最大，文章的通讯作者Stephen Galli说。 
报告：Mast Cells Can Enhance Resistance to Snake and Honeybee Venoms, Martin Metz, et al. 


气候变化是否增加了暴风的强度？
强烈的热带暴风比如2005年的飓风卡特里纳和2006年的暴风拉里过去几个飓风季节中变得更为常见，使一些研究人员把剧烈暴风与全球气候变化导致的海水表面温度升高联系起来。在本期一篇研究评述中，Christopher Landsea和同事提出，全球热带暴风数据不够完整可靠，还不能使人们得出暴风强度的长期趋势，这使确定最近的极端暴风是否是全球变暖的结果变得比较难。研究人员说，在能够恰当评估热带暴风趋势前，首先需要解决改变卫星监控、世界各地观察站的不同操作标准、以及官方数据中存在的漏洞等问题。 
研究评述：Can We Detect Trends in Extreme Tropical Cyclones?, Christopher W. Landsea, Bruce A. Harper, Karl Hoarau, and John A. Knaff 


教机器识别图案
在大量数据中找到最重要的内在图案，比如识别一个人的面孔或笔迹，是一项巨大的计算问题，研究人员说这样的计算可以用涉及“神经网络”的方法来做。神经网络以人大脑处理信息的方法为模型，由一大批连接的能够学习识别图案的开关组成。神经网络与常规计算机不同，后者按照一组规则来解决计算问题。Geoffrey E. Hinton和Ruslan R. Salakhutdinov 设计了一个用神经网络把 “高维”数据转换为低维码的方法，有点像数据压缩。文章作者显示，他们能比用其它方法重新生成更接近原始数据的反压缩。一篇相关的研究评述指出，神经网络曾经比较热门，但近来不再那么被人注意，这项新研究也许使人们重新对其感兴趣。 
报告：Mast Cells Can Enhance Resistance to Snake and Honeybee Venoms, Martin Metz, et al. 
研究评述：New Life for Neural Networks, Garrison W. Cottrell 

（生物通：万纹）