通过重编程恢复年轻的表观遗传信息和视力

 

Nature封面：折返时间。Nature杂志第7836期封面文章报道了在视网膜神经节细胞内表达3个山中（Yamanaka）转录因子，能将它们重编程到一个更年轻的表观遗传状态，并将眼内神经细胞的时钟往回拨。研究者发现，这些转录因子恢复了组织内年轻的DNA甲基化模式及其转录组。这能让视神经受损的小鼠重新生长出轴突，青光眼小鼠模型和老年小鼠的视力丧失被逆转。结果表明，哺乳动物组织内保留了一份年轻信息的记录，部分由DNA甲基化编码，获得这些信息可以改善组织功能，并有望逆转衰老效应。

 

人类癌细胞系转移图

 

Nature封面：研究人员根据MetMap分析结果创建了花瓣图，展示了癌细胞的转移模式。Nature杂志第7837期封面文章报道了MetMap，一个用来确定人类癌细胞系转移潜能的条形码系统，系统的建立来自对代表21种实体瘤的500个左右细胞系的分析。大部分的癌症死亡病例都与肿瘤在体内的转移扩散有关，但是关于这个过程背后的基础生物学机制，还存在很大的认知空白。研究人员使用该图评估了乳腺癌的脑转移，发现这个过程与脂质代谢的变化有关，这一点或许能作为未来的治疗靶标。

 

神秘的恐龙前种群填补了翼龙起源空白

 

Nature封面：一种名为“Ixalerpeton polesinensis”的兔蜥艺术示意图。Nature杂志第7838期封面文章报道了兔蜥（lagerpetid）这种身形细长的生物很有可能是翼龙的姐妹类群。翼龙是第一种演化出动力飞行能力的脊椎动物，但是要追溯翼龙精确的演化起源一直很有难度。研究人员通过对骨骼残骸进行微计算机断层扫描和3D重建，确定了兔蜥与翼龙共有的独特特征，比如内耳形状。虽然从陆栖脊椎动物到飞行脊椎动物的具体过渡依然未知，但Martin Ezcurra团队收集的证据照亮了理解翼龙解剖学特征的第一步。

 

2020年度《自然》十大人物

 

Nature封面：2020年度《自然》十大人物。Nature杂志第7839期封面文章反映的是2020年最大的事件：新冠肺炎（COVID-19）大流行和新冠肺炎疫苗的研发。2020年是不同寻常的一年，回顾过去艰辛的12个月，《自然》挑选出了10位影响2020年科学进程的人物。全球社会不遗余力地研究、抗击新冠病毒（SARS-CoV-2），最后以前所未有的速度研发出了候选疫苗，等待监管机构批准使用，希望疫苗能够帮助全球走出新冠肺炎疫情。《自然》编辑们挑选出的2020年度十大人物既不是奖励也不是排名，只是讲述他们引人入胜的故事，反映出科学中的关键事件。

 

高镍单晶阴极研究

 

Science封面：充入高压的微米级阴极晶体中滑动现象示意图。Science杂志第6522期封面文章报道了如何使富含镍的单晶阴极坚固高效。美国能源部太平洋西北国家实验室的科学家使用高镍含量的单晶材料作为阴极，实现了性能“兼得”。研究人员通过使用高性能单晶作为模型材料，观察了高镍阴极的变化，研究电压如何触发单晶从原子级到微米级的结构变化及其对阴极电化学性能的影响。结果表明，在单晶富镍阴极中观察到沿（003）平面的可逆晶格滑动和微裂纹。论文开发了一种扩散引起的应力模型，以了解平面滑移的起源，并提出了稳定高镍阴极的方法。

 

希望之光

 

Science封面：2020年度突破。Science杂志第6523期封面文章报道的是一篇特约作者乔恩·科恩（Jon Cohen）关于新冠肺炎疫苗进展的个人文章。随着2020年新冠肺炎大流行，科学家们被动员起来开发和测试了数十种针对新型冠状病毒的候选疫苗。许多研究者旨在刺激针对病毒突出的尖峰蛋白的抗体，这使得它能够感染人类细胞。如果疫苗能够训练身体产生抗体，并在与受体结合的精确位置锁定针头，它就可能“中和”病毒。在创纪录的时间里，几种疫苗显示出了强有力的效力证据，给饱受困扰的世界带来新希望。

 

控制内部不均匀性的纳米尺度以增强脱盐膜中水传输

 

Science封面：反渗透膜的三维纳米结构（金）。Science杂志第6524期封面文章报道了控制膜的纳米结构是咸水淡化的关键。生物膜可以获得非常高的渗透性，同时保持理想的选择性，这是依赖于膜蛋白来实现的。科学家将这种设计策略应用于脱盐膜，通过合成与研究一系列聚酰胺脱盐膜，表现出不断增加的透水性和活性层厚度，并具有恒定的氯化钠选择性。透射电镜测量确定纳米级三维聚酰胺密度图，并预测透水性能。密度波动不利于水的传输，只有系统控制好纳米级聚酰胺不均匀性，才能在不牺牲脱盐膜盐选择性前提下，实现最大化渗透水。

 

微管蛋白糖基化控制轴突动力蛋白活性、鞭毛搏动和男性生育力

 

Science封面：一只缺乏糖基化的老鼠精子在转圈。Science杂志第6525期封面文章报道了微管蛋白糖基化控制精子运动机制。研究人员发现微管蛋白的一种特殊的称为糖基化（glycylation）的酶修饰是让精子保持直线游动的关键，对这种修饰进行干扰可能是人类某些形式的男性不育症的根源。糖基化是微管蛋白的翻译后修饰，主要存在于纤毛和鞭毛中，有助于协调驱动鞭毛跳动的轴突动力蛋白马达。缺乏糖基化导致鞭毛异常跳动，导致圆形而不是直精子游泳。这反过来严重影响了男性的生育能力。

 

驯化下早期物种形成的基因组调控机制

 

中国科学院昆明动物研究所张亚平院士团队与合作者利用欧洲大白猪与东亚民猪杂交群体，构建了F2通过F1继承F0基因组序列的精细图谱，通过分析F2代个体中的大白与民猪来源的基因互作，研究了在驯化下早期物种形成的基因组调控机制。相关成果发表于Molecular Biology and Evolution。研究揭示了F2基因组内的DMI数量存在显著的性别差异，以及从F1到F2的同性别/跨性别传递差异。大白猪和民猪基因组间不兼容互作基因主要富集于血管生成、雄激素受体信号和T细胞受体信号通路，提示生殖隔离进化可能与生长发育与免疫等方面的选择作用相关。

 

神经肽调控蜜蜂劳动分工新机制

 

中国农业科学院蜜蜂研究所蜜蜂蛋白质组学创新团队韩宾等为研究动物行为的可塑性，从神经肽调节生理反应阈值的角度揭示了工蜂劳动分工的神经调控机制。相关成果发表于eLife。研究发现，对特定刺激的反应阈值差异是决定工蜂劳动分工的关键，速激肽信号通路在调节反应阈值中发挥关键作用。此外，利用神经肽注射和RNA干扰证明速激肽能够特异性地调控工蜂与其行为特异性相关的反应阈值，而对与任务无关的刺激没有影响。研究同时发现，速激肽信号在调控中华蜜蜂与意大利蜜蜂采集和哺育行为差异中发挥重要作用。研究结果为深入理解蜜蜂社会行为的神经调控提供了新的理论依据。

 

猪调控元件鉴定研究进展

 

华中农业大学赵书红/李新云教授团队公布了目前涵盖品种信息和组织类型最广的猪基因组调控元件精细图谱，为猪经济性状形成机制的解析和基因组育种效率的提升提供了新思路和靶点。相关成果发表于Nature Communications。该研究鉴定出超过22万个猪基因组调控元件和3316个猪基因组新转录本，并进一步解析了猪基因组的超级增强子、活性启动子等调控元件特征，阐明了猪基因组调控元件的组织特异性及其三维空间结构对基因表达调控的影响。该研究通过整合调控元件、三维基因组及全基因组关联分析（GWAS）信息，解析了猪重要性状GWAS位点在调控元件周围的分布特征，鉴定了一批具有潜在调控功能的重要SNP。

 

染色质活性的发育动态变化基本模式

 

中国科学院遗传与发育生物学研究所杜茁研究员等利用4D活体成像、细胞谱系追踪和单细胞表达定量分析等方法，量化了整合至基因组100余个不同位置的同一报告基因在700多个身份明确胚胎细胞的表达，并基于此绘制了线虫早期胚胎细胞的染色质活性图谱。相关成果发表于Molecular Systems Biology。文章提供了一种“基于结果”的染色质活性研究策略，理论上可通过选择合适的报告基因，动态追踪染色质活性在任何位点和任何细胞的动态变化。同时，在单细胞精度和基因组层次揭示的染色质活性的“发散”、“汇聚”和“预设型”动态变化模式，也为从多个维度系统理解多细胞生物细胞谱系分化的染色质调控奠定了基础。

 

大型湿地水鸟“行为生态学”研究进展

 

中国科学院东北地理与农业生态研究所郑海峰研究员等人针对当前大型濒危水鸟研究存在的不足，引入卫星追踪技术，详细跟踪记录了3巢东方白鹳幼鸟在湿地繁殖斑块内的“行为生态学特征”。相关成果发表于Global Ecology and Conservation。幼鸟白天的活动强度显著高于夜晚，日出（4:00）与日落（19:00）前后出现活动高峰。幼鸟活动位点呈现明显的空间聚集性，形成了空间热点区，不同个体在热点区之间的活动路径具有独特分布模式。家域范围随着幼鸟成长逐渐扩大，离巢前的后期为其前期的30倍；前期家域核心区在巢穴附近，后期家域核心区范围向外扩展。

 

水稻害虫褐飞虱中发现过氧化物酶可减轻抗药性引起的适合度代价

 

中山大学生命科学学院张文庆教授团队发现水稻害虫褐飞虱的过氧化物酶基因可作为修饰基因减轻吡虫啉抗药性引起的褐飞虱适合度代价。相关成果发表于PLoS Biology。害虫一直以来严重威胁着人类的农业生产活动和健康，对害虫的防治大量依赖化学农药，然而农药滥用导致了害虫抗药性的快速进化。文章通过对褐飞虱的吡虫啉高抗性个体和相对敏感个体进行基因组重测序，发现该基因启动子存在一个潜在的修饰等位基因（T65549）。水稻害虫褐飞虱基于P450产生的农药代谢抗性可引起ROS水平增加的适合度代价，而NlPrx基因突变导致的表达上调可显著减轻该适合度代价。文章阐明了在昆虫中适合度代价修饰基因的分子机理。

 

昆虫免疫防御新机制

 

中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员王四宝研究组利用“跨界RNA干扰”（cross-kingdom RNAi）机制沉默真菌毒力基因的表达，对抗真菌侵染的免疫防御新机制。相关成果发表于PNAS。昆虫是地球上最繁盛、种类最多、分布最广的生物类群之一，是地球生态系统中不可或缺的组成部分。昆虫在与自然界各类病原体长期攻防与博弈的过程中，进化形成了一套复杂高效的防御系统对抗病原菌感染。该研究发现了一种全新的昆虫免疫防御机制，并对应用遗传手段逆转昆虫miRNA效应因子干扰真菌毒力基因表达提供了新方法，为真菌杀虫剂的遗传改良提供了新策略。

 

乌龟胚胎行为热调节的分子温度计

 

中国科学院动物研究所杜卫国研究员等人与中国科学院昆明动物所、东北林业大学的科研人员合作，发现乌龟胚胎的行为热调节是依赖于温度门控瞬时电位受体TRPA1和TRPV1精巧的功能平衡，揭示了爬行动物胚胎时期独特的温度感知分子机制。相关成果发表于Current Biology。该研究测定了乌龟胚胎及其背根神经节中初级感受神经元的温度阈值，发现与胚胎热偏好温度阈值一致的两类热敏神经元，表明在初级感觉神经元中至少存在两个分子感受器。研究进一步发现辣椒素和4-氨基联苯胺盐酸盐（4-A）是乌龟TRPA1的特异性激活剂，TCS5861528（TCS）是特异性抑制剂；辣椒素和辣椒平则是TRPV1的特异性激活和抑制剂。