最新《自然》子刊精彩内容选读

最新《自然》子刊精彩内容选读

　　

生物通综合：

Nature—Method

Nature Methods 3, 962 - 963 (2006) doi:10.1038/nmeth1206-962b 

STEM CELLS

成体干细胞克隆遭遇效率挑战
Jesse Potash 

最近进行的研究表明，处于终期分化的细胞比成体干细胞进行克隆时的效率更高。 

虽然很多人认为，对一个完整生命个体的克隆无异于打开了潘多拉盒子，但目前在克隆方面的绝大部分尝试，仍有着很低的成功率，因为人们在很大程度上并不知晓制约克隆效率的有关机制。进行克隆时经常会使用一种称为体细胞核移植的技术（SCNT），具体过程就是将一个体细胞中的DNA提取出来，然后将其注射到一个去除了DNA的卵细胞中。通常而言，从未分化的胚胎干细胞中提取DNA进行克隆往往容易成功，而从成年生物体中提取DNA进行克隆通常成功率会大打折扣。 

即使这样，对于一些成体细胞类型进行克隆是否比使用其它种类的细胞更为有效这样的问题，很多重要的疑问仍然未得到解决。在成年生物体中有一小部分细胞，称为干细胞，它们比其它类型的成体细胞的分化程度更低。人们认为，这类成体干细胞也许比它们发育成的那些分化程度更高的细胞类型作为克隆的DNA供体更为有效。为了直接验证上述观点，美国匹兹堡大学医学院的程涛（音译）和美国康涅狄格大学的杨向中共同领导的一个研究小组，采用小鼠细胞进行了一次分列对比实验，具体过程就是把成体干细胞与分化的成体细胞进行克隆时的成功率进行比较。 

在他们的研究中，程涛及其同事使用了造血细胞系，它能制造血细胞，目前已被人们研究得很充分。造血干细胞（HSCs）是造血细胞系中研究得最为充分、最为基本的细胞类型；粒细胞则从HSCs发育而来，具有容易识别的形态特征，是一类终期分化的白细胞。目前有一种广泛应用的研究方法，依靠的是独特的表面蛋白，它可以将HSCs与粒细胞区分开来。研究者使用了这一方法，获得了高度纯化的HSCs种群和粒细胞种群。当进行平行实验时，他们发现，使用已经分化的粒细胞进行克隆的效率要远远高于使用HSCs的组别。这一结果是意想不到的，程涛对此解释说：“考虑到人们已经知道SCNT的效率很低，在这一领域的人都会假定，使用纯化的成体干细胞也许能提高效率。因此，当我们开始进行实验时，也想当然地认为使用HSCs比使用粒细胞进行克隆的效率更高。最后，获得的结果令人惊奇！” 

为了搜寻解释这种意外结果的线索，程涛的研究小组对细胞种群的转录特征进行了调查。他们发现，大量的基因，包括一些涉及到表观遗传修饰的基因，在粒细胞和HSCs中的表达是有区分的。虽然对于HSCs比粒细胞克隆成功率更低的原因，人们并不完全清楚，但程涛认为，一种可能的解释可能涉及表观遗传现象。他说：“我们推测，HSCs并不像胚胎干细胞那样，它们具有一种独特的遗传表观组成，这样它会阻止HSCs的基因组接触到卵母细胞中很多重要的再编程因子。”很显然，要完全解释清楚上述发现，仍有更多的实验需要实施。但是，程涛及其同事的工作能为应用更简易、更高效的方法搭建出一个舞台，以便实施克隆实验，这对于治疗性克隆尤其重要。程涛解释说：“在所有组织中，分化细胞比成体干细胞更为丰富。因此，也许人们为了今后的治疗性克隆，并不必要对希奇的成体干细胞进行分离，因为这显然是一种很困难的工作，但其前提是，如果从一些分化细胞中获得的SCNT起源的胚胎干细胞系，比如粒细胞，能够进一步被获得的话。” 


Nature Methods 3, 962 - 963 (2006) doi:10.1038/nmeth1206-962a 

IMAGING AND VISUALIZATION

生物膜观测变得容易起来
Irene Kaganman 

二次离子质谱分析技术和原子力显微镜法，是两种有着各自局限的成像方法。当把它们组合起来应用时，由于同时获得了高空间分辨率和丰富的化学组成信息，因此研究者距离实现描绘出生物膜结构复合体的目标就变得更近了。 

描述生物膜的最简单方式就是把它比喻为一种油脂双分子膜，但事实上它是由油脂、蛋白和糖分构成的一种复杂网络结构，人们认为这种组成对于细胞来说具有功能方面的重要意义。虽然通过X射线结晶法看清楚各种组分也是可能的，比如说观察膜受体复合体，但这些具有更高侧面分辨率的方法对于进行膜整体结构的研究是必需的。虽然荧光显微镜法经常被用来在这种分辨率下对细分标记的成份进行成像，但荧光标记的加入能改变生物膜中相对较小的组分的物理特征。 

因此，美国斯坦福大学的Steven Boxer及其同事为了测量模式生物膜的构成，求助于二次离子质谱分析技术(SIMS)，这是50年前就开发出来的一种方法。他们运用了具有高分辨率级的这种技术，即纳米级SIMS，对标记有不同的稳定同位素的双分子层所含有的两种油脂进行了分析。在这一技术中，样品经过了离子束的轰击，释放出来的二次离子被提取出来，然后应用质谱法进行测量。对应于每个同位素的二次离子的最终数据，能够用于形成一种图像，反映了双分子层中两种油脂的分布情况。 

在对纳米级SIMS数据进行分析时，Boxer的研究小组发现，在一些区域中油脂的分布情况变化很大。纳米级SIMS数据也有助于解释同一样品运用原子力显微镜(AFM)所观察到的一些异常现象。AFM这种方法，提供的是样品的“碰撞”信息。研究者应用AFM法，发现在观测区内存在着一些未知起源的结构。与纳米级SIMS数据进行对比后发现，被观察到的这些对象并非次级结构，原因是它们并不含有任何一种被标记油脂的化学签名，研究者因此能够推断，它们是一些碎片，也就是垃圾。 

综合起来考虑，运用这两种方法获得的数据为这一系统描绘了一幅更为清晰的图像。“两种方法集成起来比任何一种方法更有说服力，”Boxer说。AFM给出的是高清晰度的侧面信息，“它比质谱法现在所能或者很可能将来所能提供的成像效果要清晰很多，而且，这里观察到的形貌特征是多么得神奇啊，但这种方法无法提供任何分子层面的信息。经过各种方法改进的质谱法，包括纳米级SIMS，对于分析成分是一种理想的方法，因为它给出的是一种化学组成图。” 

正当一些成像技术的组合提供了最丰富的生物膜信息，服务膜成像的不同方法也将有助于这方面的尝试。一些研究小组现正着手开发试验方法，对生物膜组分进行非支持格式的成像。Boxer及其同事则持续开发双分子层支持系统，有望建成一个更为复杂的系统。其它的研究小组正开发一些方法，目的是把生物膜的一部分从细胞上除去，然后把它放在表面上。这恰好正是Boxer的研究小组所寻找的试验方法之一，他补充说：“如果一个人能够做得足够快，以至于分子在这一纷乱过程的时间尺度内移动得不很远，那么，希望就在于，这个人能够探究源于真实细胞的生物膜的侧面构成。从某种感觉上讲，那是一种我们梦想中的试验。它只是要求在技术方面有很多的提高。” 


Nature Methods 3, 964 - 965 (2006) doi:10.1038/nmeth1206-964b 

CELL BIOLOGY

系统生物学新专集服务入门者
Daniel Evanko 

自然出版集团推出的一本包含有网络版和印刷版的专集，对系统生物学这一领域进行了实用性的介绍。这一领域虽然前景不错，但人们对其仍有着诸多怀疑。 

随便找一个实验生物学家，问他对于系统生物学（systems biology）的看法，你不可能得到完全相同的答案。这一包含有大量数据系列的新兴领域同时有着众多的拥趸者和批评者。导致这种局面的一个可能原因是，该领域还处于幼年期，它很难实现提供更为宏观解释的诺言，对经典研究也就用途不大。另一种原因也许是它对于数学方法和计算方法的依赖性，这对于擅长于实验研究的分子生物学家来说，经常是很难掌握的。由于系统生物学的有关方法不容易被掌握，而且该领域目前对于生物学现象的理解帮助不大，这样以来，那些对于系统生物学很陌生的研究者可能因此被吓跑了。然而，人们很清楚，要理解生物学的复杂性，一种新的方法仍然是需要的。 

《系统生物学用户指南》，是由《自然综述-分子细胞生物学》和《自然-细胞生物学》共同推出的一个专集，包含有网络版和印刷版。在这里，系统生物学方面的专家重点解释了服务于分子细胞生物学的系统生物学方法的方法论原理。这些信息的服务对象是那些实验室领导者，他们想知道系统生物学真正是关于什么的，它是否能为自己的研究提供些帮助。本专集包含有九篇文章，覆盖生物物理、统计学和物理化学的模拟方法，并为模拟友好型数据的需求提供全面的分析。 

进入这一领域的最基本要求就是对于大型数据库及其数据采集要有一定的理解能力。这本用户指南提供了一个生物信息学重要资源的列表，对它们的构成和应用进行了评价，以便帮助那些潜在的用户在这里自由冲浪。如果这些信息不是被精确定义的，也不是定量的和可复制的，那对于模拟这样的目标来说则是用途不大；对于潜在的用户来说，能理解和实施数据采集和存储是重要的。 

不管数据的质量和属性如何，数据和实验噪音导致的缺陷，仍将会阻碍正常的分析效果。数学模拟一定要源自合理的数据和恰当的验证。目前有关建模的很多方法都是令人生畏的，这里对一些重要方法的分析为读者提供了对各自领域最为适合的方法的指导。 

这本用户指南的目标就是帮助系统生物学领域之外的科学家，更好地理解这种对于生物特征调查很重要的新思路，促使他们使用这种方法来处理他们的数据。对于那些想在本领域更深入地开展工作的人来说，这一在线专集提供了一个参考书列表；对于那些想寻求合作研究和找工作的人来说，专集提供有一个系统生物学专门机构的列表。如果我们仅仅依赖于简约的方式和大体上依靠直觉来进行判断的方法，我们仍然无法真正对复杂的生物学过程进行理解。生物学家有了可以走得更远的工具，他们现在仅仅缺少的是数据。

Nature—Biotechnology

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。 

Nature—Genetics

孤独症中的基因变异 

研究人员在少数孤独症患者中鉴别出一种名为SHANK3的基因变异，这一新发现发表在2007年1月出版的《自然—遗传学》上。 

每1000名孩子中大约有6名孩子会出现泛孤独症（ASD），这种疾病会影响社交和交流行为。其中约3%～6%的病例是由染色体重组引起的，即第22号染色体上部分区域的重组给患者造成了认知缺陷，该区域含有3个基因，而其中的SHANK3基因在神经突触上表达，它与孤独症的发生有关。 

Thomas Bourgeron和同事对200多位泛孤独症患者的SHANK3进行测序，发现其中有3个家族出现了变异。一个家族中的一名患者在这个基因上有严重的缺失，第二个家族中的两兄弟在这个基因上有少量的缺失；第三个家族中的一位女性患者在这个基因上有缺失，她的一个患有轻微孤独症的兄弟则有一个额外的SHANK3。 

由SHANK3编码的蛋白质与名为neuroligins的蛋白质相互作用，neuroligins蛋白质与神经信号有关。以前的研究在少数孤独症患者中发现了负责编码neuroligins的两个基因的变异，作者认为，在探寻泛孤独症的生理基础时，应更多地注意neuroligins的功能。 

一种免疫缺陷综合征的遗传基础 

严重先天型嗜中性白血球减少症(SCN)是一种免疫缺陷综合征，50多年来，科学家们一直在寻找这种疾病的遗传基础，今天，他们终于在部分这种疾病患者的体内鉴别出一种名为HAX1的基因的变异，这一最新的研究成果发表在2007年1月出版的《自然—遗传学》期刊上。

SCN由一系列症状构成，包括外围血和骨髓中嗜中性粒细胞水平的低下。因为嗜中性粒细胞是身体对付细菌的防御系统的一部分，这种疾病的患者会发展出终身性的感染病，却没有方法可治疗。1956年，科学家们发现了隐性的SCN，并将之命名为柯士文症。 

Christoph Klein和同事在3个柯士文症家族和19个不相关的SCN患者体内鉴别出基因HAX1的变异。HAX1基因是在细胞能量的生产者——线粒体中被发现的。作者指出，线粒体要正常行使功能则必须保持嗜中性粒细胞的活力。尽管SCN的隐性情况极为罕见，但他们认为拥有这种或其他形式的SCN的个人也许在促进嗜中性粒细胞生存的其他基因中也存在变异。 

Nature—Neuroscience

人类嗅觉比想象的更灵敏 

人们总以为自己的嗅觉比不上其他动物，但研究人员在2007年1月出版的《自然—神经科学》上报告说，人类有比想象更灵敏的嗅觉。

Noam Sobel和同事在草地上洒上气味痕迹，要求人类受试者发现这种痕迹并且一直跟踪到痕迹的终点。受试者戴上厚厚的眼罩、手套和耳塞，以迫使他们只依赖于嗅觉行动。研究人员吃惊地发现受试者居然能够完成任务，而且还显示与其他动物如狗跟踪气味的相同战略。 

在以后的实验中，研究人员发现这种能力部分取决于两只鼻孔对气味的处理，当受试者的一只鼻孔被堵塞时，他们跟踪气味的表现就糟糕多了。尽管在这些实验中，人类受试者跟踪气味的速度比狗等动物慢了许多，但实验表明人类跟踪气味的能力随时间而增强。 

新研究提出了这样的一个迷人的可能性，即人类的嗅觉可能比想象的更好，经过训练，人类也许能够完成以前认为只有非人类动物才能做的事情。 

Nature—Chemical Biology

治疗高雪氏病的活性药物 

高雪氏病又称葡萄糖脑苷脂沉积，它源于一种水解某种脂质的细胞的功能丧失，导致包括肝脏功能紊乱等严重问题，如葡萄糖脑苷脂不能分解而在单核巨噬细胞系统各器官中大量沉积、引起组织细胞大量增殖。一种新出现的针对这种疾病的治疗方法是增酶疗法，也就是说小分子帮助失去功能的蛋白质履行其正常功能。然而，成功确定这种小分子助手的量则依赖于了解这种酶分子的形状。 

如今，科学家们在高雪氏病患者体内鉴别出一种新的蛋白质结构，从而为这种疾病的治疗提供一种重要的线索，这一最新的研究成果发表在2007年出版的《自然—化学生物学》期刊上。 

一种名为酸—β—葡萄糖脑苷脂酶的变异能直接导致高雪氏病。Petsko和同事发现了这种酶会在两种不同的状态下存在。“惰性”结构已经被发现，但对新治疗议案的设计无用。作者现在报告说，这种酶的“活性”结构是细胞正常行使功能所必需的。 

高雪氏病是一种严重的疾病，需要不断改进治疗方法。掌握了这种酶的活性结构后，科学家们就能够设计出帮助这种蛋白质更有效行使功能的分子。 

Nature—Structural & molecular biology

链球菌的新毒性 

通过对取自肺炎球菌的碳水化合物结合单元（CBMs）的表面功能研究，Alisdair Boraston和同事发现宿主肝糖的降解是病原性细菌致病的重要因素，他们的最新成果发表在2007年1月出版的《自然—结构和分子生物学》期刊上。 

人类总是暴露在细菌中。人与细菌的关系可能是有益的、也可能是有害的，有益的是指在有利于一方时而不损害另一方，而有害的则是指以一方为代价而有利于另一方。促进人—细菌关系往一个方向或另一个方向发展的几个因素是碳水化合物的种类，包括在宿主体内表达的肝糖。 

肺炎链球菌是一种侵入性病原体，它们穿越肺部细胞，并通过在细胞间穿梭进入更深层次的组织，但这种过程不会损害通道中的所有细胞。作者用X射线结晶分析法研究了这种致病性肺炎链球菌瞄准目标的机理。他们发现，来自链球菌酶的前后排列的CBMs可能在瞄准肺细胞内肝糖的过程中发挥了作用，导致了肝糖的降低。 

这些发现表明，有可能会出现以破坏肝糖相互作用和/或降解为目标的治疗链球菌感染疾病的新方法。