什么?肺是造血器官?

肺属于呼吸系统,这个常识恐怕小学生都清楚。不过,前两日发表在Nature 上的论文却给出了一个可能吓人一跳的结论:肺可能是一个重要的造血器官。美国加州大学旧金山分校(UCSF)的Mark R. Looney教授等人通过实验发现,小鼠骨髓生成的大量巨核细胞会流向肺,这些巨核细胞会在肺部释放大量血小板(近1千万个血小板每小时),占血液中血小板生成总量的近一半。而血小板是血液的重要组分,在止血、血栓形成和炎症反应中起到关键作用。图片来源:Nature / UCSF另外更让人惊讶的是,研究人员确定在肺的血管外空间中存在成熟和未成熟的巨核细胞与造血祖细胞种群。在血小板减少和骨髓中干细胞相对缺乏的条件下,这些“存储”在肺中的祖细胞可以从肺部迁移出来,进入骨髓修复其造血能力,恢复血小板数量,并为多种造血谱系作出贡献。这样看来,肺就像是造血系统中的“备份系统”,一旦骨髓不能正常工作,备份系统就放出“存储”的造血细胞,“重启”造血系统。Looney教授表示,“这项研究明确了肺的功能其实比我们想象的要复杂的多,除了呼吸,也是血液系统的重要成员。”这一成果或许能给血液病治疗带来更多的启发。不过,Looney教授等人的研究对象是小鼠,结果是否适用于人类,还需进一步研究。这也是Looney教授等人接下来的研究目标之一,他们还会进一步研究肺与血液系统中的其他器官如何相互作用,以及在一些血液疾病中肺所承担的角色。http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature21706.html http://www.ucsf.edu/news/2017/03/406111/surprising-new-role-lungs-making-blood

失落的反应:Cell封面文章确认地球生命起源的“代谢化石”

地球上的生命从何而来?面对这一论题,不同宗教不同学派都曾提出诸多假想。最近,美国波士顿大学对生命起源问题取得了新的研究突破。在笔者展开阐明之前,请诸君脑洞大开,尽情想象(PS:肯定不是从垃圾堆里捡来的,也不是充话费送的)。图片来自网络生命如何起源,在诸多神话故事和宗教典籍中都有记载,例如《山海经》中的女娲造人和《圣经》中的上帝创造万物,这些是最早出现的神创论。随着人类对自身和世界认识的进步,人们又提出了宇宙生命论以及自然发生论,前者认为生命来自宇宙,而后者认为生物可以由非生物产生,所谓“肉腐出虫,鱼枯生蠹”。随着自然科学的研究愈发深入,人们开始意识到化学在生命起源中的关键作用,也逐渐演变成化学起源说。这一假说认为,地球上的生命经历了漫长的时间,由非生命物质通过极其复杂的化学过程逐步演变而成,大致可以描述为:无机小分子→有机小分子→有机大分子→多分子体系→原始生命。化学起源说为很多学者接受,获得了广泛支持,但也存在一些不好解决的问题。比如,生命体内的遗传物质核酸以及能量代谢的关键分子三磷酸腺苷(ATP)都含有磷酸基团,而地球上的磷酸盐主要存在于一些稳定的岩石和矿物中,对于简单的原始生命形式来说并不容易获得。这又演变成了一个“先有鸡还是先有蛋”的问题:较为复杂的原始生命形式要想合成关键的核酸和ATP,需要先有容易获得的磷酸来源;而要想容易地从稳定的岩石和矿物中获得这些磷酸盐,又要先有较为复杂的原始生命形式来支持。众多的争论和假设中,有一个很有意思,既然找不到一个合理的途径将磷酸盐引入原始生物圈中,那就绕开磷酸盐这个难题,是否存在一种可能,在依赖磷酸的复杂生命形式出现之前,就已经存在某种原始生命形式,可以不依靠磷酸盐而生存?这一假说虽然能解决上面那个“鸡与蛋”难题,但到目前为止还缺乏系统的证据。最近,美国波士顿大学的Daniel Segrѐ教授团队通过系统生物学的研究方法证实了在磷酸盐引入生物体之前存在其他代谢途径,以硫元素为基础的多种催化与供能过程,而这种元素早在上亿年前便大量存在于海洋与地壳之中。其研究成果以封面文章的形式发表于Cell 上。图片来源:Cell乍一看张封面图,一堆火柴,和生命起源有什么关系?这里简单解释一下,在我们现在以磷为原料的安全火柴诞生之前,早期火柴的重要原料就是硫磺。Cell用火柴这种由硫到磷的进化,来隐喻生命由硫到磷的起源过程。(看看,不好好学化学,搞不好连个生命科学顶刊的封面图都看不懂……)文章概要示意图。图片来源:Cell说来硫元素是生物早期代谢过程的核心元素这一假说并非新鲜事,早在20世纪初期就有德国生物化学家Günter Wächtershäuser提出硫化铁或硫化镍可以催化深海火山中碳元素的固定反应。然而受当时技术条件的限制,对于硫参与的代谢过程还缺乏直接依据及数据支持加以证实。于是Daniel Segrѐ等人基于该课题组建立的模型和算法,利用系统生物学理论对生态系统中可能存在的生物化学反应进行全面分析。他们首先去掉了所有与磷酸盐及磷元素有关的反应和代谢物,然后以八种生命初期容易获得的化合物(水、二氧化碳、硫化氢、氨等,不含磷酸盐,见下图)为初始种子集,利用网络扩展算法来模拟基于这些物质发生的所有可能的代谢过程和代谢产物。结果表示,这个扩展后的代谢网络中包含相互高度联系的315种化学反应以及260种代谢产物,其中不乏许多生命活动过程所必须的反应和物质,如氨基酸生物合成、丙酮酸代谢、三羧酸循环(TCA)等。不依赖于磷酸盐存在的代谢网络。图片来源:Cell除此之外,统计分析显示这一网络的大部分酶含有铁-硫簇和过渡金属辅酶,为“现代生物化学起源于地球矿物化学”提供了有力证明。他们还指出,这一代谢网络中的硫酯可能会起到类似磷酸基团在现代生物代谢反应中的作用,解决原始生命形式的生化反应中的能量瓶颈问题,这为生命起源初期维持原始生命形式正常的生存与繁衍奠定了基础,直至磷酸盐得以进入代谢网络中实现生命体的逐步进化。就像是古生物学家找到生物进化路线上某种关键的化石一样,Segrѐ等人这一研究结果,找到了生命起源过程中的“代谢化石”,连接上了含磷酸基团原始生命形式与简单分子之间失落的那一环。原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此阅读原文):Remnants of an Ancient Metabolism without Phosphate  Cell, 2017, 168, 1126, DOI: 10.1016/j.cell.2017.02.001

“坏运气”成癌症主因?Science 论文再引争议

目前的医学教科书通常将癌症的发生归因于两个主要因素:遗传和环境。但这种说法无法解释为什么人体一些器官发生癌症的几率远大于另一些,比如统计数据显示大肠癌发病率要比十二指肠癌发病率高数十倍。2015年,约翰霍普金斯大学的数学家Cristian Tomasetti和癌症遗传学家Bert Vogelstein在Science 发表论文,发现癌症风险与组织中干细胞的含量以及分裂次数存在很强的相关性,细胞分裂过程中随机发生的DNA复制错误是癌症发生的重要因素。他们推测,三分之二的癌症发生与这种“坏运气”有关。此文一出,引起了学术界的广泛争议,有人质疑他们的研究数据覆盖度不够广,有人认为他们的结论没有考虑癌症之间的差异,如此等等。近期,Tomasetti和Vogelstein再次在Science 发表论文,这次他们的数据覆盖范围扩大到从69个国家收集的数十种癌症的海量数据。结果与上次差不多,大部分癌症的发病率还是与干细胞分裂次数存在很强的相关性,而与环境无关。他们还分析了与癌症相关基因突变的原因,发现5%促癌突变归咎于遗传因素,29%归咎于环境因素,而66%促癌突变要归咎于细胞分裂期间随机出现的DNA复制错误(下图)。虽然作者强调,他们的结论不是有些人理解的“66%的癌症病例都由这种‘坏运气’突变造成”,但这一结果一样再次引起火爆争论。图片来源:Science有人认为,作者们将癌症作为一个整体来研究,这相当的非主流,不同癌症的病因相差很远。另外,把不知道的突变原因统统归咎于“坏运气”并不合适,因为现在看起来是随机发生的DNA复制错误,也许在未来的研究中就没那么随机了。也有人认为,虽然促癌突变会发生,但不一定会发展成癌细胞,要累积到一定程度才可以,作者的结论有点危言耸听。作者们认为他们的研究成果并不代表积极健康的生活方式就没用了,他们希望能够让大家更关注癌症的早期检测和早期干预,来减少癌症导致的死亡。运气好坏无法预测,但早发现早治疗,可确实降低癌症死亡率。http://science.sciencemag.org/content/347/6217/78http://science.sciencemag.org/content/355/6331/1330http://www.sciencemag.org/news/2017/03/debate-reignites-over-contributions-bad-luck-mutations-cancer

抗衰老的征程中,人类走到了哪一步?

当你在药店转悠或上网搜索,很容易就能看到那些写着“缓解衰老问题”或“重新焕发细胞活力”这类词句的广告。抵抗时间、延缓衰老甚至长生不老确实是人类一直梦寐以求的神技。800年前,一群炼金术士就曾尝试用炼金术实现永葆青春。而今日许许多多所谓的抗衰老产品不过是炼金术的现代版本。它们都能轻松挣到大钱,却没有任何科学依据。人类努力了几百年,还是没有找到“不老仙丹”。曾经出现过一些危害远大于收益的方法,比如直接向人体注射生长激素等。也有一些看似有效实则充满争议的产品,典型代表就是红酒中的白藜芦醇。利物浦大学(University of Liverpool)的衰老问题学者Joao Pedro De Magalhaes形容白藜芦醇是“令人失望的科学成果”。即便如此,白藜芦醇仍然催生了每年近五千万美金的市场。由此可见,抗衰老产品有多么强烈的市场需求。正常来说,市场需要什么,资本就流入什么,强大的利益诱惑和资金支持往往能加速一些产品的诞生。但这一规律暂时不适用于抗衰老领域。这是什么呢?简单来说,因为衰老是极端复杂的生物学现象。它与成千上万的基因有关,生活方式也会改变衰老的进程。甚至,每当科学家发现生物学的新领域时,总能把它们与衰老联系起来。再加上统计(衰老是几十年的缓慢过程,监测十分困难)和资金(几十年的临床测试跨度将耗费数万亿美金)上的压力,抗衰老研究基本只能停留在实验室也就不奇怪了。尽管面对如此多的挑战,不过延缓衰老、延长寿命还是有希望的。科学家正在寻找能让衰老细胞重新年轻的方法,有几种老药(如二甲双胍)已经进入候选名单。谷歌等财大气粗的玩家也纷纷入局。大数据和机器学习能够极大发挥基因组学的作用,因而有望成为人类抗击衰老的重要武器。美国华盛顿大学衰老问题专家Matt Kaeberlein博士曾在Science 上刊文指出,在发展中国家,衰老和年龄增长会使死亡风险快速增加。过去几个世纪中,现代医学使人类寿命几乎延长了一倍。不过一个不容乐观的事实是,我们虽然活得更久了,但多出来的寿命并非都是健康状态。尽管那些老年易发疾病,如癌症和心血管疾病,得到了更好的治疗,但对于在细胞和分子水平了解疾病发生原因的研究则进展缓慢,人类还不能在这些疾病发生之前阻止它们。照顾老年人是各个国家都必须面对的严峻挑战。社会和家庭都为养老问题投入巨大。而根据世界卫生组织的统计和预测,60岁以上人群的增长率比其他年龄段都要快,到2050年,全球将有五分之一人口是老年人,是目前老年人口数量的两倍。因此,用科学方法帮助老年人生活得更加健康更长久,解决人口老龄化问题显得迫在眉睫。当然,我们首先要回答好一个基本的问题:人为什么会衰老?图片来源:Rodney Bursiel | The Daily Shot我们为什么会衰老?伦敦大学学院(University College London)健康老龄研究所主任Linda Partridge认为:“衰老是个奇怪的事情。如果大自然已经进化出一副健康、非常有用的躯体,它应该容易维护才对。但为什么地球上生命还在不断经历生老病死的轮回呢?事实上整个20世纪,科学家都在努力理解进化使我们衰老的原因。”巴克研究所(the Buck Institute)的Judy Campisi解释道:“进化可能没有考虑到人类会衰老。要知道,文明社会以前,许多人还没衰老就已经死于暴力、饥饿和传染病,他们连得癌症的机会都没有。因此进化赋予人类的某些特质,能够让年轻的身体保持活力,有利于繁衍后代。而对衰老的身体则成了一种负担。例如较高的血钙浓度能加快年轻猎手的骨骼愈合,使他们尽快能重新打猎。但年纪大了,血液中的钙会沉积堵塞血管。同样的东西,对30岁的人和60岁的人来说意义完全不同。” Campisi是首个细胞衰老标记物—— β-半乳糖苷酶的发现者。虽然衰老是个复杂的过程,但某些单独的因素可能起到更重要的作用。科学家已经发现突变特定的基因,能够明显延长蠕虫、果蝇和老鼠的寿命。如果简单地突变基因能够起到延长寿命的效果,那用药物分子调节那些基因表达的蛋白也应该能起到同样的作用。一时间,复杂的衰老进程居然有望可以“简单”地操控,许多人都深受鼓舞。但也有人坚持认为不应该过分简化衰老过程。其实健康的生命体系无不维持着精妙的平衡。端粒就是个很好的例子。端粒能够在各种突变风险中保护DNA。生命衰老时,端粒就会越来越短,保护能力越来越差。于是,那些激活重建端粒酶的药物就被曾被寄予厚望。但后续的研究则让人失望,科学家发现,端粒延长可能会使细胞癌变。衰老和癌变就像是生命的两个极端,我们当然不能从一边走向另一边。图片来源:Getty Images破解衰老的复杂性麦吉尔大学(McGill University)的Hekimi博士认为,直到目前为止,人类还没有弄明白衰老的分子基础,所做的努力基本上都是改善衰老后的症状。但他和许多业内同行都相信,衰老开始于基因损伤。时光流逝,我们的端粒越来越短,DNA直接暴露于诱发突变的化学物质,基因修复机制无法正常运行,病毒的DNA整合进我们的基因中为非作歹,产生更严重的损伤。甚至连DNA折叠成染色体的过程都会受影响。衰老或许是基因和细胞一起出现问题的结果。对细胞来说,衰老是指停止分裂但还没有死亡。这些衰老细胞会向周围的细胞发出分子信号,告诉邻居们现在的状况。这个过程非常复杂,且伴随着多个平行的相互作用。就像人类社会一样,适当比例的衰老成员对年轻个体是有益的,但“老年人”太多就有问题了。衰老细胞会分泌促进年轻细胞修复的分子。但随着时间推移,人体有越来越多的细胞开始衰老,这些原本有益的分子开始变得有害,它们使细胞产生炎症。这些衰老细胞释放的化学物质能诱发一系列老年病,如心脏病和多种类型的癌症。Campisi认为:“问题是我们对衰老细胞做些什么?我们不必让体内的衰老细胞全部消失,只是不希望它们越积越多。”具有超强自愈能力的金刚狼都有老去的一天。图片来源:Marvel治疗衰老的“淘金热”衰老备受关注,寻找可靠的“返老还童药”自然非常火热。伊拉斯姆特大学(Erasmus University)医学中心的Peter L. J. de Keizer博士专注于细胞穿透肽,他希望这些多肽分子能够定期清理老年人体内的衰老细胞。其他被研究者看中的分子还包括黄酮类化合物、小干扰RNA和抗癌药物达沙替尼。创业公司也竞相开拓这个领域的研究和市场。Unity Biotechnology公司致力于用一种名为ABT-263的化合物清除肾脏、眼睛、动脉和关节中的衰老细胞。魏兹曼科学研究所(Weizmann Institute for Science)也用一种类似的分子ABT-737进行着衰老治疗研究。2016年,他们报道称ABT-737可以清除衰老的小鼠皮肤细胞,并能促进毛囊干细胞的分化(Nat. Commun., 2016, DOI: 10.1038/ncomms11190)。要知道脱发困扰着世界上半数的中老年男士,这可是个庞大的市场。Campisi认为这个领域大有可为:“老年人为了维持健康,可能要同时服用多种药物。如果清除衰老细胞的药物最终能成功,他们只需要吃一片药就够了。而且还不用天天吃药,只需在衰老细胞积累够多时吃就够了。”当然,也有研究者不走“清除衰老细胞”的路子,而是希望用基因编辑的方法治疗衰老。2016年,Belmonte和同事激活了四种维持干细胞多能性的基因,在细胞水平上改变了衰老信号。他们将这种方法用在小鼠上,衰老的小鼠重新开始生长肌肉,恢复胰脏和脾脏的功能,还长出了新的皮肤(Cell, 2016, DOI: 10.1016/j.cell.2016.11.052)。这些小鼠自然也活得更久了一点。除了药物治疗,也有研究者从身体系统角度试图解决衰老问题。有研究表明,让一些生物禁食(如苍蝇、蠕虫、酵母菌和小鼠),限制热量摄入,能够延长它们的寿命(点击阅读相关)。人类限制热量摄入可以预防糖尿病、高血压和心血管疾病,但这会使免疫系统在面对病原体时不能“火力全开”。最近几年引发不小轰动的“联体小鼠血液交换”实验,将年轻小鼠的血液注入衰老小鼠体内,能使衰老小鼠恢复活力(点击阅读相关)。研究人员正努力寻找真正起作用的血液成分。临床大挑战众所周知,所有临床药物在上市之前都要经过相关部门的严格审批,例如美国的FDA和中国的CFDA。2015年一篇评论提到,抗衰老药物面临的最大挑战是,FDA并不把衰老列入疾病范畴,因此也不存在“治愈”衰老一说。让FDA信服的证据大概只有某种药真的能显著延长人的寿命。但临床试验过程将历时漫长、耗资巨大(Oncotarget, 2015, DOI: 10.18632/oncotarget.3173)。拿一个从未经过FDA和市场验证的药物做抗衰老的临床试验风险太大。如果是验证某种畅销药对衰老的作用,就相对容易一点。二甲双胍正是这样一种老药。自上世纪50年代,2型糖尿病药物二甲双胍就被认为可以抵抗衰老。卡迪夫大学(Cardiff University)的Craig Currie及其同事分析了二甲双胍大量的临床数据,于2014年报道称,坚持服用二甲双胍的2型糖尿病患者活得比没有糖尿病也没有服用二甲双胍的人群还长(Diabetes Obes. Metab., 2014, DOI: 10.1111/dom.12354)。这一结果吸引了很多研究者投入到二甲双胍抗衰老的研究中。雷帕霉素则是另一个典型的例子。上世纪80年代,雷帕霉素首次发现于复活节岛上的土壤细菌中。后来它重要用于器官移植中的免疫抑制剂和抗癌药物。最近几年,人们意识到雷帕霉素还有延迟小鼠寿命的功能。关于雷帕霉素最著名的研究成果应该数诺华公司2014年发表的一篇报道(Sci. Trans. Med., 2014, DOI:10.1126/scitranslmed.3009892,点击阅读相关),研究者证明了雷帕霉素的类似物RAD001可以使老年人的免疫系统重新焕发活力。服用RAD001的老年人,再被注射流感疫苗,能够产生更多的抗体。而一般的老年人,由于免疫系统的老化,对外来抗原(包括疫苗)往往不那么敏感。另一方面,在个性化医疗方兴未艾的今天,抗衰老研究也必然会与之结合,毕竟每个人的基因不同,面对的衰老问题也必然有所不同。在真正有效的抗衰老药物诞生之前,适度锻炼和健康饮食可能才是保持年轻的最佳手段。本文编译自:http://pubs.acs.org/doi/10.1021/cen-09510-cover1(本文由氘氘斋供稿)

Nature Nanotech.:华中科技大学甘泉教授及合作者在分子编码组装研究方面的重要进展

生物分子机器广泛地存在于生物体的各种生理活动中,并发挥至关重要的作用。从分子层次上仿生,构筑人工分子机器的研究,有助于人们从微观角度认识生物体系,同时也开启了分子制造的大门。精妙的生物分子机器,如DNA、核糖体等通过编码、解码操作,实现生命的延续。非生物分子间是否也能够进行类似的信息传递与表达,是否能够对非天然分子进行编码操作,从而构筑人工编码分子体系?华中科技大学化学与化工学院甘泉教授(点击查看介绍)在仿生分子编码组装研究中取得重要进展,利用一类含有多作用位点的线性分子作为密码模板,通过动态组装方式,指导人工螺旋分子有序堆叠,实现了对人工多螺旋分子的编码组装。这一研究结果发表在近期的Nature Nanotechnology 杂志上(Nature Nanotech., 2017, DOI: 10.1038/nnano.2017.15)。该论文工作是由甘泉教授与欧洲化学生物学研究所Ivan Huc研究员等人共同完成。在前期研究中,他们发现一类芳香酰胺寡聚物通过分子内氢键诱导折叠形成单螺旋、多螺旋超分子聚集体结构(Angew. Chem. Int. Ed., 2008, 47, 1715-1718)。这些螺旋折叠体由于具有一个纳米空腔,通过分子间氢键及疏水作用,能够通过解折叠和再折叠的方式缠绕到线型客体分子上,形成一类可拆卸式的分子马达(Science, 2011, 331, 1172-1175)。在构筑过程中,螺旋分子的长度需要与线型分子的络合点匹配,才能达到最佳结合。这些结果为设计研究分子编码组装行为奠定了坚实的基础。碱基互补配对原则是实现生物分子编码的基石。为了建立人工分子间的对应关系,他们设计合成了一系列长度、类型不同的螺旋和线性分子,通过正交核磁滴定实验,确定了它们之间的配对关系。在此基础上,一条含有多作用位点的线性分子可以作为密码模板,相应的螺旋分子能够自发地动态缠绕在对应的作用位点上,形成有序堆叠。对线性分子进行编码,分子信息则由螺旋分子的堆积堆叠方式得以表达。研究的难点之一是如何读取复杂的螺旋堆叠信息。研究人员通过在线性分子上引入手性基团并严格控制作用位点之间的距离,由于分子间的相互作用,缠绕的螺旋分子显现出一致的手性构象,从而使得堆叠信息的表达更加简洁,读取更加容易。生物遗传信息分子的密码只采用了五种碱基作为密码子,且仅以氢键为作用力,而人工分子密码不受此限制。生物密码是通过核苷链逐步编辑完成的,而人工分子密码是一步动态组装的过程。这些区别为人工分子密码的设计提供了更多的可能。该研究工作证实了人工分子同样能够进行信息的交流传递,进行编码操作,研究结果为探索设计新型仿生分子体系、为突破自然进化限制,构建人工生命系统提供了平台。甘泉教授于2014年12月加盟华中科技大学化学与化工学院,入选中组部第十一批“青年千人”计划。曾在法国科学院、英国剑桥大学从事研究工作,长期致力于仿生分子的合成及性质研究,先后在Science, Nature Nanotechnology, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.等国际期刊上发表论文。该论文作者为:Quan Gan, Xiang Wang, Brice Kauffmann, Frédéric Rosu, Yann Ferrand, Ivan Huc原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Translation of rod-like template sequences into homochiral assemblies of stacked helical oligomersNature Nanotech., 2017, DOI: 10.1038/nnano.2017.15导师介绍甘泉http://www.x-mol.com/university/faculty/10758

Science:挠痒会传染?大脑有答案

有没有过这样的体验?看到别的小伙伴挠痒痒,或者仅仅看到描述“痒”的文字,我们也莫名地感到浑身发痒,甚至情不自禁地要挠一挠……图片来源:《大话西游》挠痒会像打哈欠那样传染,这在人类和猴子等高度社会化的动物群体中并不是什么新鲜的发现,科学家将这种行为称为“社会性传染行为”(socially contagious behaviors)。不过这种奇葩行为的背后机理却一直扑朔迷离。有人推测,我们在看到别人挠痒或者打哈欠时做出相似的行为是出于“共情”(empathy,心理学术语,指认同和理解其他个体处境和感受的能力),不过该假说尚未被学界完全接受,支持和反对的证据都不少。在人类和猴子这种高等灵长类动物中,要直接对传染性挠痒行为进行神经环路以及分子水平的深入研究,实在并不容易。因而研究人员把目光投向了人类的哺乳动物近亲——啮齿类动物。虽然啮齿类动物早已是研究神经环路的理想模式动物,挠痒痒它们也会笑(点击阅读详细),但是科学家们并不知道“挠痒会传染”这种现象在它们之中是否存在。最近,美国华盛顿大学医学院痒觉研究中心的陈宙峰和第四军医大学唐都医院疼痛生物医学研究所的于耀清等科学家在Science发表文章,首次报道了小鼠中“挠痒会传染”同样存在,而且在分子和神经环路层面精细地解析了“挠痒会传染”的原因,为理解这种社会性传染行为的神经环路机制提供了新的证据。小鼠也具有传染性挠痒行为。图片来源:Science研究人员将装有正常小鼠的笼子放在装着患有慢性瘙痒症小鼠的笼子旁边,它们之前从未谋面,然后进行小鼠的行为学观察。结果显示,在看到患病小鼠不自主挠痒之后,正常小鼠会显著地增加抓挠自己的几率。为了验证该行为仅仅是基于视觉感知而非嗅觉或听觉等其他感知,研究人员让小鼠们“看电影”,仅仅观看视频中的小伙伴挠痒,也得到了类似的结果(有木有突然觉得“鼠目寸光”是对鼠辈一种深深的误解?)。此前的研究已经表明了小鼠们与人类一样,也会对认识的小伙伴产生共情。对于屏幕中出现的小鼠,它们此前完全不认识,因而研究人员利用这一巧妙的实验排除了小鼠的传染性挠痒行为与共情的情感认知之间的关系。通过观看视频中的小鼠挠痒,也可诱发正常小鼠的传染性挠痒行为。图片来源:Science接下来,研究人员通过免疫组化染色方法检测c-Fos即早基因的表达情况用以表明神经活动的变化,确定了在小鼠出现传染性挠痒时,其大脑有少数几个区域的神经活动增加。其中,位于小鼠下丘脑的视交叉上核(SCN)活动增加最为显著,与对照相比足足有两倍的增加。因为已经知道SCN是调节昼夜节律的中枢,通过直接或间接接受眼睛感知到的光信号控制“生物钟”。基于此,研究人员推测SCN可能是介导传染性挠痒行为的初始传递环路之一。小鼠呈现传染性挠痒时视交叉上核被强烈激活。图片来源:ScienceSCN的神经元能够分泌胃泌素释放肽(gastrin-releasing peptide,GRP),它对昼夜节律的光调节具有重要作用。另外,在此插播一句,同样来自陈宙峰实验室2007年发表在Nature上的工作就揭示了GRP在痒觉从皮肤传递到脊髓中的重要作用,是世界上首个被发现的痒基因,此项研究结果首次将痒觉与痛觉区分开来,表明痒不是微微的痛,具有划时代意义(Nature, 2007, 448, 700-703)。研究人员发现,在传染性挠痒后,小鼠SCN中的GRP含量显著降低了。因而,他们推测GRP可能参与了传染性挠痒的信息传递。果然,在GRP或者胃泌素释放肽受体(gastrin-releasing peptide receptor,GRPR)敲除的小鼠中,小鼠在看到它的小伙伴挠痒时便不再跟着挠痒了。当SCN中的GRP或者GRPR神经元被损毁后,传染性挠痒行为同样几乎完全消失了。反过来,研究人员直接微量注入GRP到小鼠的SCN,能够绕过视觉输入,诱发小鼠长达一个小时的疯狂挠痒(心痛小鼠几秒钟……)。同样地,光遗传激活GRP神经元也能直接诱发挠痒行为,并且挠痒强度还具有光强度刺激的剂量依赖性。光遗传激活小鼠视交叉上核的GRP神经元直接诱发挠痒行为。图片来源:Science下丘脑SCN神经环路的发现增加了人们对其功能的新认识。此项研究不仅开创了痒觉研究的新方向,也为模仿、共情、视觉信息处理等非常意思的研究方向提供了重要的参考。研究人员希望将来能够进一步挖掘参与传染性挠痒的相关神经环路。当然,目前还并不清楚人类是否也使用了完全一样的机制,不过据研究人员推测,我们可能不仅在传染性挠痒方面与小鼠类似,在其他社会性传染行为方面也可能具有相仿机制。同为哺乳动物,很多行为在进化上还是高度保守的!知其然固然可喜,知其所以然就需要百尺竿头更进一步。现在已经知道了“挠痒会传染”的大脑机制,但是这种在进化上保守的行为对我们自身有何益处呢?科学上的“如何(How)”相对容易回答,而“为什么(Why)”则往往难以找到确切的答案。一个假设是:群体中的一个成员做出了某种行为后,这种传染性使得其他成员也能够在行动上抢得先机。比如在社会群体中,动物个体如果能在寄生虫叮咬前就做出挠痒行为,或者在大脑温度过高前就做出打哈欠的动作,那么它就更有优势生存下去。在生存面前,进化的力量可谓是巧夺天工,而且还自然而然地融入动物们不经意的动作中!原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Molecular and neural basis of contagious itch behavior in mice Science, 2017, 355, 1072, DOI: 10.1126/science.aak9748(本文由雨之清晨供稿)

2016年度“中国生命科学领域十大进展”公布

图片来源:中国新闻网中国科协生命科学学会联合体16日公布2016年度“中国生命科学领域十大进展”评选结果。入选的十大进展分别是:1.植物分枝激素独脚金内酯的感知机制;2.线粒体呼吸链超级复合物的结构与功能;3.组蛋白甲基化修饰在早期胚胎发育中的建立与调控;4.基于胆固醇代谢调控的肿瘤免疫治疗新方法;5.内源性干细胞介导功能性晶状体再生治疗婴幼儿白内障;6.活性RAG型转座子的发现揭示抗体V(D)J重组的起源;7.植物雌雄配子体识别的分子机制;8.精子tsRNAs可作为记忆载体介导获得性性状跨代遗传;9.MECP2转基因猴的类自闭症行为表征与种系传递;10.埃博拉病毒入侵机制研究。http://news.hexun.com/2017-03-16/188520571.html

华大基因拟登陆创业板,或成基因领域腾讯

图片来源:腾讯网作为国内基因测序行业龙头,华大基因的上市计划一直备受市场关注。而在华大基因的股东榜上,不乏深创投、软银等大众熟悉的身影。近日有消息传出,华大基因拟登陆深交所创业板上市交易。华大基因本次发行前总股本36000万股,本次发行的股票数量不低于4000万股,且发行数量占公司发行后总股本的比例不低于10%。其中,公司公开发行新股数量不低于4000万股,公司现有股东转让老股数量不超过1000万股。招股说明书(申报稿)显示,华大基因2016年营业收入为17.11亿元,营业利润为3.82亿元,归属于母公司的净利润为3.33亿元。华大基因2015年营业收入为13.19亿元,营业利润为3.04亿元,归属于母公司的净利润为2.62亿元。有业内人士表示,尽管华大基因在营收和利润规模方面比腾讯相差甚远,不过鉴于社会对基因领域的高关注度,一旦华大基因上市,有可能会成为市场一个热点、基因领域的“腾讯”。http://www.cs.com.cn/ssgs/gsxw/201703/t20170315_5207386.html

日本利用iPS细胞和ES细胞制成可吸收营养并蠕动的微型小肠

日本国立成育医疗研究中心等组成的研究小组,利用人类胚胎干细胞(ES细胞)和多功能干细胞(iPS细胞),培育出1厘米左右的小肠,并观察到其成功吸收营养的动作。这是世界上第一次成功做到上皮组织、肌肉、神经等协同联动。小肠具有从食物中吸收营养、排送废物,以及避免被细菌感染的免疫功能。在此之前,人们利用ES细胞和iPS细胞已经成功培育了具有吸收营养能力的上皮部分,但是没能做到与肌肉、神经等联合起来,再现肠道蠕动。为了将细胞培养成立体化的组织,研究小组将ES细胞置于拥有格子状微小圆型接触面的培养器皿中,再加入许多促进生长的蛋白质,进行培养。一个月后,形成了约800个圆柱状的组织;再经一个月后,形成了“微肠”;对“微肠”进行研究后,发现其做出了通过收缩将食物向外排送的“蠕动”,并且对蛋白质进行了吸收;接着,将该组织移植到老鼠肾脏,发现两个月后该组织依然存活。研究小组利用人类的iPS细胞也成功制作了同样的组织。http://www.most.gov.cn/gnwkjdt/201703/t20170314_131958.htm

生物存储,DNA表示太能“装”

人们着眼于生物存储技术以前,磁盘、光盘等存储设备一直占据着存储市场的主体。1946年第一台电子数字计算机ENIAC的问世,标志着人类进入了一个崭新的信息革命时代。随着计算机磁存储设备的出现,信息的存储速度与容量日渐得到大幅度改善。一块铝制的圆片,表面涂上磁性介质,便可以在电磁效应作用下,通过一系列二进制字符串来完成存储与表达。而光盘作为光存储介质的代表,同样可以通过数字编码信息将其保存于光盘的表面凹槽中。这些设备一定程度上解决了大量信息的存储问题,然而它们存储能力的增长速度却远远跟不上人类创造新数据的速度。据报道,仅过去两年,人们创造的数据就比此前历史上的所有的数据加在一起还要多。随着数据量的飞速增长,人们迫切需要一种新的存储介质,它理应具有更高的信息存储密度从而节省存储空间,而且结构稳定,其中的数据日久经年也不会发生丢失。而要满足以上两点,似乎没有任何一种存储介质可以比得上DNA。图1. DNA结构示意图。图片来源:Sergey Volkov / iStockphotoDNA这一具有双螺旋结构的物质保存着物种的遗传信息,因此也可以看作是一种特殊的数据载体。将各种信息背后的大串1和0数据转换成DNA的四个基本核苷酸:腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T),就能实现信息的存储。理论上,DNA存储的信息密度比现有的磁盘或光盘存储技术高好几百万倍。而且DNA不会像磁盘和光盘那样随着时间的推移发生降解,保存得当的话可以经历成千上万年而不丢失一丁点数据。不要把这个想法当作天方夜谭,实际上,已经有科学家在尝试用DNA来存储数据了。哈佛大学遗传学家George Church等在2012年用DNA片段装下了一本5.2万字的书(Science, 2012, 337, 1628);微软的工程师和美国华盛顿大学的科学家在2016年用DNA存储数码图片(点击阅读相关)。然而DNA存储数据现阶段在实际应用中还存在诸多困难。最直接的问题是成本,DNA进行编码存储和读取的过程十分昂贵,商业化应用还需从长计议。另一方面,现有的编码方案效率较低,DNA的实际存储能力仅实现了约理论值的一半,且在读取数据进行检索时常常发生数据遗失,稳定性并不理想。近日,纽约基因组研究中心的Yaniv Erlich与Dina Zielinski在这方面的研究取得了进一步突破,他们在Science报道了一种可靠高效的DNA存储策略——DNA Fountain,大幅提升DNA的存储能力,接近其理论极限(图2)。图2. 不同科学家在DNA存储方面的努力。图片来源:ScienceDNA具有A、T、G、C四种核苷酸,理想状态下,每个核苷酸的信息存储量可以达到2个比特(1字节=8比特),但考虑到存储中的读写错误以及额外的索引信息等等因素,科学家估计实际情况下DNA存储的理论容量是1.8比特/核苷酸,而目前为止最好的结果是1.14比特/核苷酸(Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 2552-2555)。Erlich和Zielinski相信他们可以更接近上述DNA存储能力的理论极限。他们找了六个数据文件作为样品,包括一个完整的计算机操作系统、一个计算机病毒、一部电影等,共2.14 MB(图3A),并将这些文件转换为0和1的二进制字符串,再压缩成一个主文件,然后将这些数据拆分为二进制代码的短字符串。他们还使用“喷泉码”(fountain codes)设计了一种“DNA Fountain”算法(图4),将这些短字符串随机地打包成所谓的云滴,进行额外的标记后,以正确的顺序进行重新组合,最终得到了72,000个DNA链的数字列表,每个链包含200个碱基(图3B)。图3. DNA存储的实验过程。图片来源:Science图4. DNA Fountain编码策略。图片来源:ScienceYaniv Erlich又将这些列表发送给Twist Bioscience中心,根据碱基的顺序合成DNA链。收到合成样品后,他们利用现代DNA测序技术,将测序结果输入计算机中,并根据此前设定的编码方式解码得到二进制数据,随后根据标记重新组装成六个原始的数据文件。他们发现这种方法表现的十分出色,不仅得到的文件没有发生任何错误,还能通过聚合酶链反应(PCR)复制得到大量的无错误副本。经过测算,这种DNA Fountain策略下,每个核苷酸可以存储1.57比特的数据,相比此前结果大幅度提升,整体存储量达到理论极限的86%(图3)。如果从重量角度来衡量,这种策略下存储密度最高可实现1克DNA存储21.5万TB的数据,这些数据量在目前需要数十万块大容量硬盘才能装下,比过去的记录提高了至少两个数量级。加州大学洛杉矶分校的生物化学家Kosuri对这一结果给出了高度的评价,他认为这一研究有力证实了人们利用DNA作为存储介质来存储数据是完全可行的。不过,DNA存储要想走向实用,依然还有关键问题没有解决。Erlich和Zielinski的实验中,合成DNA用来存储这仅仅2.14 MB数据就花费近7000美元,读取这些数据又另外花费了2000美元;而且,仅仅合成就花费了近两周的时间。想象一下,在电脑上点击一下“存储”按钮,十几天后才弹出提示框“保存成功!”,然后还提示需要缴费上千美元……随着DNA合成、测序的成本不断下降,存储与读取的成本也会随之下降,但实现这一过程仍旧有很长的路要走。除此之外,相比于其它形式的数据存储,DNA的存储和读取速度相对较慢,该方法对于需要紧急处理的数据则不太奏效。为此,人们仍旧需要做出进一步努力来不断完善DNA的存储过程。原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):DNA Fountain enables a robust and efficient storage architectureScience, 2017, 355, 950-954, DOI: 10.1126/science.aaj2038部分内容编译自:http://www.sciencemag.org/news/2017/03/dna-could-store-all-worlds-data-one-room

石墨烯高级玩法:高度特异性杀伤癌细胞

尽管科学技术飞速发展,癌症检测方法及治疗方法都有迅猛的进展,但是癌症仍然是目前死亡率最高的疾病之一,其中的血液相关癌症(如白血病等)死亡率极高。目前癌症的常见治疗方法之一便是化疗,但是化疗存在一系列问题,如药物会在正常组织中富集、肿瘤药物浓度达不到有效浓度、系统毒性、无法监测疗效及产生多药耐药性等。其中对正常组织的毒副作用是一个最主要的问题,直接关乎病人的生存质量。纳米材料由于可以增加药物肿瘤富集、减少药物对正常组织的毒性,在肿瘤诊疗领域发挥着越来越重要的作用,其中石墨烯基材料在药物递送、肿瘤诊断、组织工程及基因转染等领域运用广泛。这不,最新研究又给石墨烯材料增加了一个新功能:直接抗癌!来自法国斯特拉斯堡大学的Alberto Bianco教授、西班牙卡斯蒂利亚拉曼查大学的Ester Vázquez教授和意大利萨萨里大学的Lucia G. Delogu教授等人发现少层石墨烯(few-layer graphene, FLG)分散物对人体原代单核细胞具有特异性的高毒性,可以诱导单核肿瘤细胞坏死,因此可能是一种潜在抗肿瘤纳米药物,相关研究成果最近发表在Angew. Chem. Int. Ed. 上。目前常用的石墨烯基材料是氧化石墨烯,而石墨烯由于难以分散于水溶液或细胞培养基中,在生物医学领域应用相对较少。2011年,Ester Vázquez教授课题组发展了一种使用三聚氰胺、通过球磨法制备FLG的方法,这种方法制备出的3-4层的FLG在水中分散性很好,浓度可达0.1 mg/mL。本文中作者采用热重分析、拉曼光谱、透射电镜等方法对制备的FLG进行了表征,证明这种FLG氧含量低、纯度高、可以在水中稳定存在,大部分FLG的水平尺寸都在500-750 nm之间。图1. FLG表征:A) 热重分析;B) 归一化拉曼光谱;C) FLGZA在细胞培养基中的TEM图像;D) FLG粒径分布。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.随后,研究人员研究了FLG对一系列原代免疫细胞的毒性,通过将不同浓度(0.5-75 µg/mL)的FLG与人体原代免疫细胞(PBMCs,T、B、NK、DC及单核细胞)共培养24 h,并用流式细胞术进行分析,发现FLG可以高度特异性地杀伤单核细胞,但是对其他T、B、NK及DC细胞几乎无毒性。通过深入研究,他们发现FLG既不会激活单核细胞也不会活化T细胞,而是会导致单核细胞坏死,当以50 µg/mL的浓度与细胞共培养1、4、24 h后,单核细胞坏死比例依次上升到29%、36.5%及71.3%;通过基因组分析,研究人员发现FLG可以与TLR2相互作用,最终激活TNFα及TNFR家族蛋白,导致单核细胞坏死。图2. FLG特异性杀伤单核细胞。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.据此,研究人员推测FLG应该可以特异性杀伤单核细胞癌细胞,可能用于治疗急性髓样白血病(AML)和慢性骨髓单核细胞白血病(CMML)等。随后研究人员从AML和CMML患者血液中取出了PBMCs,将FLG与之共同培养,同时采用临床常用于治疗AML和CMML的化疗药物依托泊苷与PBMCs共培养,以此比较FLG和依托泊苷杀伤癌细胞的特异性。结果发现依托泊苷不仅会杀伤癌细胞,也会导致T、B及NK细胞大量死亡,而FLG则可特异性杀伤单核细胞癌细胞,而对其他免疫细胞无明显杀伤作用。同时给小鼠系统注射FLG也未发现FLG对机体有明显的毒副作用。图3. 不同浓度FLG对AML和CMML病人的PBMCs的杀伤作用(CD14阳性为单核细胞,CD14阴性为其他免疫细胞)。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.由于现有抗癌药物主要通过诱导细胞凋亡而杀伤癌细胞,癌细胞对这种作用机理常常产生耐药性,导致疗效不佳。而FLG不仅对单核细胞癌细胞具有特异性杀伤作用,而且还是通过诱导细胞坏死进行癌细胞杀伤。因此,FLG是一种潜在的安全有效的对抗白血病的纳米抗癌材料,这拓宽了石墨烯材料的应用范围。原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Few‐Layer Graphene Kills Selectively Tumor Cells from Myelomonocytic Leukemia PatientsAngew. Chem. Int. Ed., 2017, DOI: 10.1002/anie.201700078(本文由瀚海供稿)X-MOL医药领域学术讨论QQ群(450658255)

Science:什么样的人更“招蚊子”?疟疾感染者!

什么样的人更“招蚊子”?朋友圈里流行着形形色色不靠谱的说法,有拿血型说事的,有拿星座说事的,甚至还有拿外貌特征说事的……目前学术界普遍认为,人类以及其他哺乳动物通过呼吸以及皮肤释放出的二氧化碳,是招呼饥饿蚊子进餐的信号之一。冈比亚按蚊,疟疾的主要传播媒介之一。图片来源:CDC / James Gathany说到蚊子就要说到疟疾。世界卫生组织发布的《2016年世界疟疾报告》显示:2015年全世界有2.12亿疟疾新病例和42.9万例死亡(其中大部分是5岁以下的儿童);而目前预防疟疾感染最有效的方法就是使用药浸蚊帐或喷洒杀虫剂灭蚊。疟疾的病原体疟原虫主要由按蚊叮咬传播,而且科学家们还发现,疟疾携带者的血液对蚊子有更强的吸引力,不过这一“招蚊子”现象背后的机制尚不明确。最近,瑞典斯德哥尔摩大学的Ingrid Faye等科学家发现在恶性疟原虫(Plasmodium falciparum)体内会产生一种代谢产物(E )-4-羟基-3-甲基-2-丁烯焦磷酸酯(HMBPP),这种物质会诱导人类血红细胞增加二氧化碳、醛类和单萜类的释放,不仅能更吸引蚊子叮咬,还能刺激蚊子的“胃口”,吸更多的血。另外,HMBPP还会调控蚊子的一些基因转录,但不影响它们的生存和繁殖能力。该研究结果发表在Science 上。疟疾的传染过程中,蚊子和人类都是宿主,疟原虫在蚊子体内进行有性繁殖,在人体内进行无性增殖,任何一环都不能缺少(见下图)。疟原虫生活史。图片来源:NIH / Wikipedia一般认为,疟疾感染者更容易“招蚊子”与其散发的特定气味是有关联的,研究者发现这些可能归因于HMBPP这种物质。他们设计了一个有趣的觅食倾向实验,让雌性冈比亚按蚊(Anopheles gambiae)一只只的飞过Y型薄膜支管,一边是含有HMBPP血红细胞(hmbRBCs),一边是未添加HMBPP的正常血红细胞(RBCs),然后统计雌蚊在两可情况下的选择。结果表明,95%的雌蚊会倾向于含有HMBPP血红细胞。但这种明显的倾向性,在不含血细胞的血清以及葡萄糖溶液中却观察不到。这说明HMBPP想要“招蚊子”,要依靠人血红细胞(下图A)。除此之外,添加HMBPP之后,蚊子的“食量”增加了几乎一倍,与滋养体(trophozoite,疟原虫的一种形态)感染的血红细胞(tiRBCs)及配子体(gametocyte,疟原虫的另一种形态)感染的血红细胞(giRBCs)效果相当(下图B)。hmbRBCs的觅食实验。图片来源:Science研究者还设计实验来比较giRBCs与hmbRBCs对蚊子的吸引力。以giRBCs的上清液为待测样品,通过一系列的稀释,与含不同HMBPP浓度的hmbRBCs进行比较。结果显示,未稀释的giRBCs上清液与10 μM的HMBPP效果相当,而且就算浓度更低一些,也能对蚊子产生明显的吸引力。giRBCs上清液与HMBPP浓度的比较。图片来源:Science既然普遍认为蚊子是凭借气味来选择食物,那么HMBPP会让血红细胞释放什么样的气味分子呢?该小组进一步对hmbRBCs、giRBCs以及空白血红细胞释放的气体分子进行了考察。首先测试的是学界公认的“招蚊分子”二氧化碳,结果表明,hmbRBCs悬浊液释放到气体收纳器中二氧化碳的量要比空白血红细胞的悬浊液增加了16%,这一提高看似不多,但足以提升对蚊子的吸引力。但是,仅有二氧化碳加上正常血红细胞,对蚊子的吸引力还是无法与hmbRBCs相比,这说明还有其他的挥发成分在起作用。该小组同时利用固相微萃取以及气质联用等手段对hmbRBCs悬浊液释放的气体成分进行了分析,发现相比于空白血红细胞悬浊液,其醛类成分(C8-C10)增加了1.7-5.2倍,单萜类成分(α-与β-蒎烯、柠檬烯)增加了1.2-1.6倍。如果按照自然的比例配制这些挥发性有机成分的混合物,再加入二氧化碳,正常血红细胞对蚊子的吸引力就可以变得与hmbRBCs相当,而且效果与该混合物的剂量相关。使用这种混合物,无论加不加二氧化碳,都对蚊子有很强的吸引力。这些结果充分说明这些醛类和单萜类分子对吸引蚊子也起到了关键作用。此外,研究者还发现HMBPP能改变对蚊子体内的基因转录,疟原虫得以更有效地增殖,但蚊子整体的生存和繁殖能力却不受影响。可以这样理解,疟原虫让人类(宿主之一)释放信号分子吸引蚊子(宿主之二),让蚊子有更大几率吸到感染疟原虫的血液,并且刺激蚊子多吸。疟原虫进入蚊子体内之后,分泌的化合物还能调控蚊子体内的基因转录,提高蚊子体内疟原虫的增殖能力,同时不伤害蚊子这一重要传播媒介的生存及繁殖能力。在此,笔者要感叹一句,为了生存,疟原虫真可称得上是“机关算尽”。不过,就像是Faye博士在接受采访时说的那样,尽管这一机制很精妙,“我们只要越来越多地了解这种寄生虫以及它的传播方式,找到彻底击败疟疾的方法就会越来越容易。”比如,目前用于灭蚊的杀虫剂大多有毒,有环境问题而且容易引发抗药性,而这一研究发现的化合物组合可以用来生产引诱剂,让雌蚊子们自投罗网,提高杀灭效率。原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):A key malaria metabolite modulates vector blood seeking, feeding, and susceptibility to infectionScience, 2017, DOI: 10.1126/science.aah4563

中美倡议启动“地球生物基因组计划”

图片来源:Api China在美国斯密森尼生物多样性基因组学项目组与中国华大基因公司近日联合主办的生物基因组学会议(BioGenomics2017)闭幕论坛上,加州大学戴维斯分校基因组学家哈瑞斯·莱文等人和华大基因生物学家张国捷等组成的科研团队联合倡议,全球科学家合作开启另一项与人类基因组计划(HGP)类似的项目——地球生物基因组计划(EBP),对地球上所有真核生物进行测序。据悉,EBP计划大约两年前第一次提出,将着重对包括所有植物、动物和单细胞生物在内的真核生物群体进行测序。倡议团队估计,得益于测序技术的进步和成本下降,可能只需10年时间以及与HGP相当的费用(约27亿美元),就能完成对全部真核生物的测序。项目倡议人员表示,EBP已经取得良好开端,好几个测序项目已经启动,包括为1万种脊椎动物进行基因组测序的基因组10K项目、破译5000种节肢动物基因组的i5K项目、为1万多种禽类物种测序基因组的B10K项目等。http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2017-02/28/content_363157.htm?div=-1

蛋白质动态学研究的核磁共振新方法:溶液顺磁弛豫增强

核磁共振能够在接近生理环境的溶液状态下对蛋白质的动态结构进行解析和研究。在这个新型冷冻电镜技术横空出世的后结构生物学时代,溶液核磁共振是从动态学角度连接蛋白质结构和功能的重要桥梁。近日,中国科学院武汉物理与数学研究所的唐淳(点击查看介绍)研究员带领的生物大分子动态学研究团队,通过发展一种免标记的顺磁核磁技术,建立了蛋白质动态学研究的新方法。俗话说“生命在于运动”。作为生命组成的基本单元,蛋白质也是处于不断运动的动态过程中。蛋白质只有通过运动才能执行特定的生物学功能,对蛋白质结构动态变化的了解是认知其功能的关键。然而,受到研究手段的制约,对蛋白质动态学的研究目前远远落后于结构研究。顺磁弛豫增强的核磁共振方法能够获得与距离的六次方成反比的结构信息,能敏感的捕获蛋白质的动态特性,但是传统的顺磁弛豫增强方法需要在蛋白质上标记顺磁探针,操作难度大。唐淳研究员团队设计合成了一种小分子探针(已获得国家发明专利授权),不需要在蛋白质上进行标记,直接将分子探针加入到蛋白质溶液中即可。当小分子与蛋白质发生弹性碰撞,由于距离远近的不同,接近蛋白质表面的氨基酸就会感受到比蛋白质内部的氨基酸较大的弛豫增强效应。这样小分子探针就成为了一个客观的“观察者”,可以准确、便捷的获得蛋白质的溶液结构信息。当蛋白质在溶液中不停的改变结构,对于每一种结构,小小的“观察者”能到达的蛋白质的部位略有不同,所造成的弛豫增强也不尽相同。基于这一原理,结合全原子分子动力学模拟采样和蒙特卡洛模拟退火方法,唐淳研究员团队所发展的新方法就能够再现蛋白质在溶液中的动态结构分布。这一成果近期发表在《德国应化》上,文章的第一作者是中国科学院武汉物理与数学研究所副研究员龚洲。该论文作者为:Zhou Gong, Xin-Hua Gu, Da-Chuan Guo, Jin Wang, Chun Tang原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Protein Structural Ensembles Visualized by Solvent Paramagnetic Relaxation EnhancementAngew. Chem. Int. Ed., 2017, 19, 1002-1006, DOI: 10.1002/anie.201609830导师介绍唐淳http://www.x-mol.com/university/faculty/23499

新型纳米光转换系统实现机体深层组织的精确光控细胞行为

光遗传学(Optogenetics)是当前神经科学研究领域最先进的技术之一,这种技术利用基因学的方法在大脑的神经细胞膜上修饰一种光敏通道蛋白,通过光来控制通道蛋白的开放和关闭并形成动作电位,从而精确的控制神经细胞的兴奋和抑制。目前,常用的光控技术都是基于紫外光或可见光来活化光敏通道蛋白,然而,这类光容易被生物体内的诸如血红蛋白,黄素,黑色素等物质吸收,进而降低其组织穿透深度并可能会引起机体的光损伤。近日,新加坡南洋理工大学邢本刚教授课题组和厦门大学刘刚教授课题组合作,在基于深层组织中精确光控调节靶细胞光敏通道蛋白的研究领域取得重要进展,相关成果以封面文章的形式发表在国际顶级化学学术期刊《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed., 2017, DOI: 10.1002/anie.201612142)上。基于近红外光具有深层组织穿透性的特点,该研究团队提出了一种近红外光远程精准调控靶细胞表面光敏离子通道蛋白的新策略。他们设计了一种新型的纳米光转换器——稀土上转换荧光纳米粒子(UCNs),这种特殊的材料能够将近红外光(808 nm)转化为可见区的蓝光(480 nm),从而有效的激活靶细胞膜上的光敏离子通道蛋白(channelrhodopsin-2)。为了实现对靶细胞精准有效的选择性调控,他们利用细胞内更为简单高效的糖代谢途径,让靶细胞摄取含有叠氮基团的甘露糖,从而在细胞膜上的糖蛋白末端表达出叠氮基团修饰的唾液酸受体,并成功的把UCNs定位在靶细胞的表面。实验结果表明,在808 nm近红外光照射下,UCNs发出很强的蓝光可以高效调控细胞表面光敏离子通道蛋白的开启和关闭,引起离子的进入并形成光电流。进一步的研究表明,这种近红外光控的方法不仅可以精确调节钙离子的进入量,还能够有效的调控靶细胞的生理功能(比如凋亡的发生)。同时,以斑马鱼为模型的动物实验也成功证明了这种近红外光控技术不仅能够在活体内对靶细胞光敏离子通道蛋白的功能实现精准有效的控制,还具有良好的组织穿透深度。该研究成果有望作为新一代的光遗传学技术,为人们深入理解相关疾病的病理生理机制和精准有效的临床治疗提供新的线索。该项研究工作得到了新加坡南洋理工大学启动基金和国家自然科学基金等项目的支持。该论文作者为:Xiangzhao Ai, Linna Lyu, Yang Zhang, Yanxia Tang, Jing Mu, Fang Liu, Yixi Zhou, Zhenghong Zuo, Gang Liu, Bengang Xing原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Remote Regulation of Membrane Channel Activity by Site-Specific Localization of Lanthanide-Doped Upconversion NanocrystalsAngew. Chem. Int. Ed., 2017, DOI: 10.1002/anie.201612142X-MOL材料领域学术讨论QQ群(338590714)

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