2013年10月《Nature》杂志精选

火星上的超级火山 Supervolcanoes within an ancient volcanic province in Arabia Terra, Mars 本期封面所示为火星上一次超级火山爆发的想象图，其中大量火山灰喷发到了大气层中（纵坐标是被夸大了的）。一些火山灰后来可能从大气层降落，形成由细密、分层岩石构成的巨大沉积层，但有些则可能悬浮在空中多年时间，强烈扰动火星的古气候。Joseph Michalski 和 Jacob Bleacher在本期Nature上报告了新的研究结果，这些结果表明：超级火山曾经存在于火星上的Arabia Terra地区，这是一个有很多由来源未知的分层岩石构成的沉积层的地区，以前并没有被认为是一个火山地貌。他们提出，火星上的古火山口也许曾被误以为是受到侵蚀的碰撞坑。如果超级火山在古火星上普遍存在，那么它对于评估火山气体排放、气候演化以及火星上分层的、碎裂的上层地壳的形成来说将具有重大意义。（doi: 10.1038/nature12482） 启动子的识别 Genomic organization of human transcription initiation complexes 在这项研究中，Bryan Venters 和 Frank Pugh采用ChIP-exo方法来以接近碱基对的分辨率在四个ENCODE人类癌细胞系中分析整个基因组中转录启动复合物的组织情况。他们获得的数据显示了超过160000转录启动复合物在活体中的组织情况，让我们了解了核心启动子主题如TATA boxes的作用、不同转录体的生成情况、以及“RNA聚合酶-II”从转录启动到暂停状态的转变。引人瞩目的是，大部分转录启动复合物产生非编码的、非多腺苷酸化的RNA，说明普遍存在的非编码转录缘起于特定启动子、并且是受到调控的。（doi: 10.1038/nature12535） 向iPS细胞的高效的、近乎完全的转变 Deterministic direct reprogramming of somatic cells to pluripotency 体细胞可以通过外源因子的表达被重新编程为具有多能性，这些外源因子一般包括Oct4、Sox2、Klf4 和Myc (OSKM)。在重新编程过程中，只有一小部分的细胞转化成“诱导多能干”(iPS) 细胞。阻止大多数细胞转变成iPS细胞的障碍物的性质尚不清楚，同时我们也不知道是否能让iPS细胞重新编程变得具有确定性和高效率。现在，Jacob Hanna及其同事发现，高效转换是可能的。他们发现，将2i/LIF生长条件和OSKM过度表达相结合，再加上使Mbd3/NuRD co-repressor中和，向多能性的确定性的、同步的重新编程就会出现。仅仅经过7天时间的OSKM诱导，几乎100%的小鼠和人类体细胞就转变成了初始的iPS细胞。（doi: 10.1038/nature12587） 单细胞Hi-C基因组分析 Single-cell Hi-C reveals cell-to-cell variability in chromosome structure 最新基因组方法如Hi-C（基于“染色体构形捕捉”，即 “chromosome conformation capture”，因三个单词的首字母都是C，所以也称为3C）能检测染色质相互作用，为细胞核中染色体的空间组织提供一个三维画面。这样获得的数据（平均在数百万个基因位点上）与单个细胞的组织并没有直接关系。Peter Fraser及其同事通过建立一个单细胞Hi-C方法填补了基因组学研究与显微镜研究之间的空白。该方法允许对一个细胞中数以千计同时存在的基因组接触点进行检测。利用该系统，同时结合有关X-染色体的一个三维结构模型，本文作者演示了染色体地域结构（territory structures）何以在不同细胞之间有所不同，尤其是区域间和跨染色体接触点。（doi:10.1038/nature12593） 男为悦己者容 Life history trade-offs at a single locus maintain sexually selected genetic variation 雄性（男性）经常采用昂贵的、华丽的装饰物，如鹿角、羽毛和跑车等，目的是吸引雌性（女性）。因为这些装饰物是如此具有优势，所以它们肯定很快就会固定化？但不是这样的，在显示性状（display trait）的尺寸大小或显眼程度上总会有一些遗传变化。这一点通常被解释为是由于涉及到多个基因或是由于在雄性性状和雌性健康之间的一种取舍。这项研究提供了第三种、也是非常简单的一种解释：生殖和生存之间的一种取舍。长着大角的索厄岛公羊在生殖方面最为成功，但也有相当大的遗传变化，其中很多公羊的角非常小。一个基因（即RXFP2）所发生的变化被发现与角的大小有很大关系。研究人员发现，虽然有大角的公羊能吸引更多配偶，但小角公羊却更长寿。有中等大小角的异质接合体（异合子）在寿命长短和生殖成功方面也是中等的。（doi:10.1038/nature12489） 应对恶性SIV感染的疫苗 Immune clearance of highly pathogenic SIV infection 有关用于“人免疫缺陷病毒”(HIV)和“猿免疫缺陷病毒”(SIV)的潜在疫苗的研究工作迄今为止基本上都没有什么成果。这项研究取得了一些进展，因为它利用了最近的一项发现：在感染后的前几个小时到几天时间里，这些病原体似乎对免疫控制或药理清除是脆弱的。用表达SIV病毒的恒河猴巨细胞病毒(RhCMV/SIV)载体接种的恒河猴，在经过阴道和静脉途径染毒后，对高致病性SIVmac239病毒形成了耐久性抵抗力。一些接种的动物将病毒复制控制了1-3年时间，没有明显证据表明有残留病毒，这提出了一个可能性：由疫苗诱导的免疫反应事实上可能已经消除了最初的感染。（doi: 10.1038/nature12519） 获得聚酮化合物的一个新路径 Vinylogous chain branching catalysed by a dedicated polyketide synthase module 聚酮化合物激酶(PKSs)是模块化酶复合物，能产生聚酮化合物，后者是一大类次级代谢产物，也成为天然产物。在这篇文章中，作者识别和定性了来自endofungal细菌Burkholderia rhizoxinica的一种新的PKS模块，它催化一个丙二酰单元向一个不饱和“硫酯”上的插烯加成， 在生长中的聚酮化合物链上产生一个分支。这种酶活性是非常不同寻常的；所有以前研究过的PKS模块都催化酰基和丙二酰单元的头尾融合，产生一个线性聚酮化合物链。这一新发现的反应提供了可以用来增加聚酮化合物天然产物结构多样性的一个简单机制。（doi: 10.1038/nature12588） 一种能够保持宏观性质的马氏体合金 Enhanced reversibility and unusual microstructure of a phase-transforming material 马氏体转变是无扩散的、固体到固体的相变，以经常会是非常有用的晶体结构变化为特征。相关应用包括医学传感器、环保电冰箱和能量转换设备。然而，重复的转变周期会造成“热滞变”（它会改变材料的性质），也会造成永久性损坏。Richard James及同事在本文中报告了由锌、金和铜组成的一种马氏体合金的研发，它能保持近乎可以重现的宏观性质，尽管在每个周期中其微观结构发生了巨大变化。在提供了一个有助于了解“滞变”对可逆马氏体相变之影响的系统的同时，这项研究也可帮助延伸此类材料在新领域的应用，比如说形状记忆合金。（doi:10.1038/nature12532） 能量子相互作用的实现及磁量子约束态的观察 Attractive photons in a quantum nonlinear medium Microscopic observation of magnon bound states and their dynamics 本期Nature上发表的两篇论文显示，能量子在非常不同的物理系统中的传播会表现出相同的、异常的动态，其中受约束的“量子对”会变成居主导地位。Ofer Firstenberg 等人实现了单个光子（即光量子，它们通常不发生相互作用）之间的相干相互作用。他们是采用一种量子非线性介质做到这一点，在其中单个光子相配成对，作为巨大粒子以强相互吸引力来运动。这一方法的潜在应用包括全光开关、确定性光量子逻辑以及光的强相关态的生成。第二篇论文是关于磁量子（在磁体中携带能量的量子）的。80多年前，Hans Bethe预测到了基本自旋波（磁量子）的约束态在一维量子磁体中的存在。此前该现象的实验观察一直难以实现，但现在Takeshi Fukuhara等人在由一个光晶格中的超冷玻色原子构成的一个体系中观察到了两个磁量子的约束态。这些结果为研究量子磁体的基本性质提供了一个新途径。在配发的一篇News and Views文章中，Sougato Bose在量子多体动态的统一背景下对这两个独立的发现进行了分析。（doi: 10.1038/nature12512 & doi: 10.1038/nature12541）   钙-54同位素被确认具有“双幻数” Evidence for a new nuclear ‘magic number’ from the level structure of 54Ca 一个原子核中的质子和中子形成相应于能级之间大间隙的不同壳层，很像一个原子中绕轨道运行的电子。在稳定的、自然出现的原子核中，被完全占据的壳层出现在质子数或中子数为2、8、20、28、50、82 或126（即所谓的“幻数”）处。在不稳定的原子核中（其中质子数和中子数有很大不平衡），新壳层会出现，其他壳层会消失，“幻数”会发生变化。利用来自RIKEN 的“放射性同位素光束工厂”产生的快速放射性射弹的质子敲出反应对富含中子的原子核钙-54（含20个质子和34个中子）所做的一项光谱研究，为证明中子数34在这一系统中是“幻数”提供了直接证据。这一结果消除了关于这样一个“幻数”之存在的长期不确定性，确定了奇异钙-54同位素的“双幻数”（中子数和质子数）性质。本期封面所示为用来测定由钙-54原子核的激发态发射出的-射线的碘化钠探测器。（doi: 10.1038/nature12522） Na+ 和 K+ 膜梯度背后的结构 Crystal structure of a Na+-bound Na+,K+-ATPase preceding the E1P state Na+/K+ 泵或 Na+、K+-ATP酶表达在所有动物细胞的胞质膜上。对每个被水解的ATP分子来说，它将三个钠离子从细胞中抽出，以交换来自细胞外介质的两个钾离子，从而建立跨越细胞膜的Na+ 和K+梯度。Ryuta Kanai等人获得了来自猪肾的这一Na+、K+-ATP酶的几个X-射线晶体结构，它处于在磷酸化中间体之前的一个状态。对Na+-结合点所做的分析，显示了这一ATP酶是怎样作为一个Na+-特异性泵发挥功能、拒绝K+ 和 Ca2+的，尽管对Na+的亲和度相当低。这些晶体结构还可解释“寡霉素”的作用机制，后者是一种抗生素，通过稳定一个磷酸化中间体状态（三个Na+离子被吸收在其中）来抑制这一ATP酶。（doi: 10.1038/nature12578） 脊椎动物颌骨和脸的演化 A Silurian placoderm with osteichthyan-like marginal jaw bones 颌的形成是脊椎动物演化中的一个关键事件，但有颌和无颌脊椎动物之间的形态差异是如此之大，以至于难以识别在这一转变过程中所涉及的具体步骤。化石记录可以提供帮助。朱敏（音译）及同事阐述了接近这一过程最后的一个步骤，在该步骤中，现代有颌脊椎动物如鲨鱼和硬骨鱼从一组被称为“盾皮鱼”的有颌、有盾皮的鱼形成。大多数“盾皮鱼”的颌都很不像现代有颌脊椎动物的颌。之后出现了“全颌鱼”（Entelognathus），它是一种“盾皮鱼”，全身有盾皮，但颌骨与现代硬骨鱼的颌骨相似：这是迄今我们可以辨别出一张脸的最为原始的已知动物。（doi: 10.1038/nature12617） 自吞作用与纤毛生成之间的关系 Functional interaction between autophagy and ciliogenesis Autophagy promotes primary ciliogenesis by removing OFD1 from centriolar satellites 初级纤毛是一种非运动性信号作用细胞器，见于胞质膜的一个特定区域，在那里它发挥两个功能：信号传导和探测环境提示如营养物水平等。本期Nature上发表的两篇互补的论文描述了纤毛生成与自吞作用之间的一个新颖联系。Zaiming Tang等人发现，在“中心粒随体”上发生的纤毛形成过程的一个负调控因子（即“oral-facial-digital syndrome 1”，缩写为OFD1）的自吞降解，促进初级纤毛的生物生成。Olatz Pampliega等人揭示了纤毛生成与自吞作用之间的一个互惠关系，发现初级纤毛是由饥饿诱导的自吞作用的激发所需的，而且自吞作用负调控纤毛生成。初级纤毛和自吞作用通道之间的“交流”也许会进而导致我们对人类纤毛疾病的认识。（doi:10.1038/nature12639 & doi: 10.1038/nature12606） 细菌脑膜炎病原体通过测宿主体温来进行防御 Temperature triggers immune evasion byNeisseria meningitidis 人类病原体“脑膜炎奈瑟菌”能引起败血病和脑膜炎，已形成了各种防御机制，其中包括一种多糖胶囊，它能帮助其在细胞外流体中存活。Christoph Tang及同事在这项研究中发现，对胶囊生物合成所需的三个基因来说，“脑膜炎奈瑟菌”中的胶囊表达是由一个RNA热传感器调控的，后者位于信使RNA的5′-未翻译区域中。作者提出，该细菌通过检测与炎症和免疫效应子的吸纳相关的温度上升来感应鼻咽粘膜的发炎状态。然后，主要采取共生方式的“脑膜炎奈瑟菌”便能够加强其自身的防御，以抵抗宿主对于“共感染病毒病原体”如流感病毒的反应。（doi: 10.1038/nature12616） 造血干细胞的层级 Platelet-biased stem cells reside at the apex of the haematopoietic stem-cell hierarchy 这篇研究论文报告了在分子上和功能上都截然不同的、为血小板特异性基因表达做好准备的一个亚组的造血干细胞 (HSCs) 的识别和分离。进一步的分析显示，专为血小板做好准备的HSCs 经常有一个“长期髓系偏向”，能自我更新和产生“淋巴偏向的HSCs”，从而将它们置于HSC层级的最高点。这一新的干细胞类群也许能为化疗和骨髓移植后增强血小板重组提供一个重要的治疗目标。（doi: 10.1038/nature12495） H7N9流感病毒的基因组历史 The genesis and source of the H7N9 influenza viruses causing human infections in China Yi Guan 及同事研究了最近在中国人群中出现的H7N9流感病毒的演化史。通过在流感爆发后不久所进行的实地监测，作者提供了若干新禽流感病毒的基因组：34个H7N7基因组、3个H7N9基因组和19个H9N2基因组、以及从在2000年和2013年间在中国南方收集到的存档分离菌种得到的197个序列。他们发现，H7病毒至少在两个独立场合可能是从鸭传给鸡的，与H9N2病毒的再分类产生了H7N9这个爆发类别以及另一个以前没有被识别出的H7N7类别。这些H7N7病毒在实验中能感染雪貂，而且虽然还没有什么证据证明这些病毒已适应了哺乳动物，但作者提出，目前的疫情威胁可能会超越H7N9病毒。（doi: 10.1038/nature12515） 将DNA甲基化与复制相联系 Uhrf1-dependent H3K23 ubiquitylation couples maintenance DNA methylation and replication “环指域蛋白”Uhrf1通过将DNA甲基转移酶Dnmt1吸纳到半甲基化的DNA点上而在复制期间在维持DNA甲基化的模式中起必不可少的作用。在这项研究中，Makoto Nakanishi及同事利用蟾蜍卵提取物在一个试管系统中重现了DNA甲基化的维持。他们发现，Uhrf1是组蛋白H3的一个E3“泛素连接酶”，H3的“泛素化”是Dnmt1向DNA复制点的吸纳所必需的。（doi: 10.1038/nature12488） 热带将首先遭受气候变化所造成的影响 The projected timing of climate departure from recent variability 对变暖的预测现在是气候模拟工作中的一项固定内容。Camilo Mora等人将这些模拟结果综合起来估计目前正在发生当中的变暖什么时候会超过历史气候可变性的边界。根据有关未来温室气体排放的假设，这种情况将会在21世纪中期到后期的某个时候发生。这一标志性事件可能会首先在热带发生，那里的历史可变性是低的，而生物多样性则最高。新的预测表明，热带那些经常在经济上有困难的地区将面临要迅速适应气候变化的生物效应的最大负担。在为这篇论文配发的一篇News & Views文章中，三位气候学家讨论了这些结果的意义。（doi: 10.1038/nature12540） 通过测量来稳定量子系统 Observing single quantum trajectories of a superconducting quantum bit 一个量子态（如一个粒子处在两个能级之间的超级位置）在与环境接触时会很快回到经典态。为了避免这种“去相干”，大部分努力通常都是将量子装置与其周围环境解耦。但也有另一种办法。Kater Murch等人发现，量子相干性能通过对环境波动的连续、准确监测来保持。他们研究了这样一个量子位：它由嵌入在一个微波腔中的一个超导装置组成，后者的波动可能会造成“去相干”。准确测量这种波动的相位或振幅的动作被发现会引导该量子位的状态沿随机轨迹变化，后者在性质上纯粹是量子性的。这项工作为在从生物系统到量子计算机的复杂环境中对量子系统进行操纵提出了一种新的控制方式，它利用的是通过测量所产生的远距离动作。（doi: 10.1038/nature12539）   科研评价体系 IMPACT: THE SEARCH FOR THE SCIENCE THAT MATTERS 每个研究资助机构都想支持重要科学研究工作，但并没有简单的公式来识别真正重要的研究工作。随着经费的减少，科学家对资源和工作机会的竞争越来越激烈，识别最好的研究工作也变得更加重要。在本期Nature上的一系列特写和观点文章中，我们分析研究工作的影响是怎样评价的，同时也提出这样的问题：今天的评价体系是否能促进最有影响的科学研究？《自然》特刊 螺旋酶Pif1促进BIR-特定性DNA合成 Migrating bubble during break-induced replication drives conservative DNA synthesis Pif1 helicase and Polδ 当DNA被同源重组修复时，在后期阶段会发生DNA合成。现在，本期Nature上发表的两篇论文确定了DNA螺旋酶Pif1在这一反应中所起的一个作用。他们发现，虽然“断裂诱导的复制” (BIR)的最初阶段在没有Pif1存在时能正常发生，但来自一个迁移中的D-环中间体的合成会受到影响。BIR过程中的复制机制涉及一个独特的气泡样复制叉，它会导致新遗传材料的保守遗传；这与“S-相复制”（S-phase replication）形成对比，后者在细胞分裂前复制基因组，而且具有固有的诱变性。（doi:10.1038/nature12584 & doi: 10.1038/nature12585） iPS细胞的活体生成 Reprogramming in vivo produces teratomas and iPS cells with totipotency features Stem cells: Reprogramming in situ Manuel Serrano 及同事首次发现，体细胞被经典“Yamanaka因子”Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc重新编程为具有多能性的过程可以在活体中实现。对从小鼠的胃、小肠、胰腺和肾脏细胞在活体中诱导生成的“诱导多能干”(iPS) 细胞所做分析显示，它们比在体外生成的iPS细胞更接近胚胎干细胞。这些活体iPS细胞还具有生成表达胚胎标记和胚胎外标记的胚胎样结构的潜力，这说明它们具有传统iPS细胞或胚胎干细胞所没有的全能特征。（doi: 10.1038/nature12586 & doi: 10.1038/nature12559） 多发性硬化的再生疗法 A regenerative approach to the treatment of multiple sclerosis Multiple sclerosis: An old drug plays a new trick Peter Schultz 及同事用大鼠“少突胶质前体细胞” (OPC) 对在体外能增强OPC分化的小分子进行了一次高吞吐量的、基于图像的筛选。利用该方法，他们识别和定性了在多发性硬化等疾病中能促进基于少突细胞的髓鞘再生的小分子。他们识别出的主要化合物是“苯托品”，一种获准用于帕金森氏症治疗的药物。“苯托品”在活体中对两个“脱髓鞘作用”疾病模型有效，同时对免疫系统没有可以测得到的影响。（doi: 10.1038/nature12647 & doi: 10.1038/nature12694） 信息素信号指示性不成熟 A juvenile mouse pheromone inhibits sexual behaviour through the vomeronasal system 啮齿类动物的社会行为是由信息素驱动的，后者向其他个体发出有关年龄、性别和生理信息的信号。在这项研究中，Stephen Liberles及同事识别出了由在性成熟前的幼鼠产生的一种新型信息素(ESP22)。ESP22是通过眼泪释放的，激发“梨鼻器”中的神经元，抑制成年雄性针对任何表达这种信号的动物的交配行为。 因此，ESP22似乎是性不成熟的一个标志，帮助控制成年小鼠的性行为。（doi: 10.1038/nature12579） 12个肿瘤类型的基因组“景观” Mutational landscape and significance across 12 major cancer types 作为“癌症基因组图谱”之Pan-Cancer项目的一部分，本文作者发表了对来自超过3000个肿瘤、代表12个肿瘤类型的点突变和小“得失位”所做的数据分析。他们的发现包括127个显著突变的基因，它们来自与癌症有已经确定的联系和新发现联系的细胞过程。他们还发现，肿瘤形成所需的驱动突变的数量是相对较小的。进一步的分析还识别出了对存活有显著影响的基因以及肿瘤发生过程中的突变事件的可能时间顺序。（doi:10.1038/nature12634 & doi: 10.1038/502306a） 葡萄糖与心律不齐之间的联系 Diabetic hyperglycaemia activates CaMKII and arrhythmias by O-linked glycosylation 在心衰竭过程中，名为“Ca2+/钙调蛋白依赖性蛋白激酶-II”(CaMKII)的酶被自主激发，从而有可能破坏离子通道的门控和钙的处理。这篇文章提出，由葡萄糖诱导的CaMKII激发在糖尿病中也许对心脏病理有贡献。作者发现，高糖会在一个特定残基上诱导CaMKII被“O-linked N-acetylglucosamine (O-GlcNAc)”共价修饰。这会激发CaMKII，增强自发钙释放事件，后者会有助于心率不齐的发生。在糖尿病患者的心脏和大脑中以及在大鼠体内发现，被O-GlcNAc修饰的CaMKII含量增加。另外，离体的灌注大鼠心脏中的心律不齐迹象会由于CaMKII失活或通过阻断O-GlcNAc修饰而被防止。（doi: 10.1038/nature12537） 关于在临床中使用omics数据的准则 Criteria for the use of omics-based predictors in clinical trials 高吞吐量的 “omics”在临床医学中的潜力是巨大的，其中肿瘤学在采用这些技术上走在前面。通过与来自这些学科的研究人员和临床工作者合作，“美国国家癌症研究所”(NCI) 做出了一个检查单，它可以被用来确定基于omics的测试是否已做好了在临床试验中指导对病患护理工作的准备。发表在这篇Perspective文章中的该检查单着重关注在样本准备、化验、数学模拟、临床试验设计、伦理问题等等方面的最佳实践。它将被用来评估由NCI资助的临床试验（在这些试验中omics测试被用来指导治疗）的经费申请。（doi: 10.1038/nature12564） 由“磁星”提供能量的超明亮超新星 Slowly fading super-luminous supernovae that are not pair-instability explosions 对最近发现的两个变暗速度慢、超明亮的超新星（被命名为PTF12dam和PS1-11ap）所做的观测，显示了相对较快的上升时间（rise time）和蓝颜色，这与“对不稳定性”（pair-instability）机制是不一致的，到目前为止被认为是对超明亮事件的最好解释。作者提出一个模型，在其中来自这些能量相当大的超新星的碎片是由磁性中子星或“磁星”提供能量的。（doi: 10.1038/nature12569 & doi: 10.1038/502310a） 采用激光频率梳的拉曼光谱 Coherent Raman spectro-imaging with laser frequency combs 光谱和显微镜方面的发展对物理学、化学和生物学都产生了深远影响。特别有价值的是能够以非破坏性和化学灵敏性方式探测复杂系统的无标记方法（label-free methods），最好还具有高的空间和时间分辨率。这种能力是由相干拉曼光谱提供的，而现在Takuro Ideguchi等人发现，相干拉曼光谱可以用两个激光频率梳实现，从而允许覆盖很宽波长的光谱能够在微秒时间尺度上、在单一探测器上以高分辨率被检测。通过进一步的系统开发，该方法预计将会提供激动人心的新机会——不仅是在光谱方面，而且还包括对生物过程等的实时显微镜观察。（doi:10.1038/nature12607 & doi: 10.1038/502307a）