2016～2017年颠覆传统认知的20项研究 （整理版）

 2017-9-11 08:45 |文章来源:科学网（版权由原作者所有）

 

1993 年诺贝尔生理学或医学奖获得者Richard J. Roberts博士曾在一篇题为“Ten Simple Rules to Win a Nobel Prize”的文章中指出，不同于物理和化学，受进化的影响，生物学总处在变化中。这种变化性使得科学家们不断得到了一些改写教科书或者颠覆传统认知的发现。这里汇集了2016～2017年“颠覆传统认知”的20项研究。

 

1# Cell：首次亲眼见证！DNA复制与我们想象的并不同

6月15日，发表在Cell杂志上题为“Independent and Stochastic Action of DNA Polymerases in the Replisome”的研究中，科学家们首次观察到了单个DNA分子的复制画面，并且获得了一些惊人的发现。研究称，DNA复制的随机性要比人们想象的多得多。

1.DNA复制基本知识

DNA双螺旋结构是由两条方向相反的链构成。复制的第一步是在解旋酶（helicase）的作用下将双螺旋结构拆成两条单链；然后，在引物酶（primase）的作用下，每条单链获得了开始复制所需的引物（primer）；接着，在DNA聚合酶的作用下，以母链为模板，以四种脱氧核苷酸为原料，合成与母链互补的子链，最终形成新的双螺旋DNA。

由于组成双螺旋的两条链方向是相反的，所以DNA聚合酶在两条链上的工作方式并不同。在其中一条前导链（leading strand）中，聚合酶可以连续移动，即连续合成，直接产生一条新的双链DNA。但另一条后随链（lagging strand）的合成是不连续的，复制过程中是先形成冈崎片段（比较短的DNA链），最后由连接酶连成完整的一条链。

传统的观点认为，前导链和后随链上的聚合酶在某种程度上是相互协调的，复制速度基本保持一致，从而保证其中一条链上的聚合酶不会领先于另一个。

2.实验设计方法

这项新的研究利用先进的成像技术，科学家们观察了大肠杆菌的DNA复制，对比了参与复制的酶在不同DNA链上的工作情况。

在实验中使用环状DNA，通过一条“短尾巴”（short tail）附着在载玻片上。当复制机器（replication machinery，DNA聚合酶）绕着环状DNA工作时，“尾巴”会变长。研究人员可以通过添加或去除化学燃料（三磷酸腺苷，ATP）来控制DNA复制的开和关。同时，他们利用结合DNA双链的荧光染料使新合成的链亮起来。最后，将整个装置放在一个流动环境下，环状DNA链能够像横幅在微风中一样地舒展开。

3.具体研究结果

当研究人员开始观察单个DNA链，他们发现了一些意想不到的东西：复制的停止是不可预测的，而且当它再次启动时，还能改变速度。

该研究的共同通讯作者、加州大学戴维斯分校的Stephen C. Kowalczykowski教授说：“速度可能会有10倍的变化。有时，后随链合成停止了，但先导链的合成却在继续增长。我们的研究证实，先导链和后随链之间并没有互相协调，它们完全是自主的。”

该研究认为，看似步骤协调的两条链复制，实际上是启动、停止、速度变化这些随机性过程导致的结果。随时间推移，任何一条链都会以一个平均速度进行复制。同时观察很多条链，可以发现它们具有相同的平均速度。

Kowalczykowski教授把这种现象比喻成高速公路上的交通状况，“有时候，车道上的车有时开得很快，超过你的车，然后，你又会超过它。但如果开得足够远，两辆车会在同一时间到达同一个地方。”

此外，研究人员还发现，解旋酶上存在“自动刹车”。当聚合酶停止时，解旋酶能继续工作。这可能会打开一段易受损伤的、松散的DNA缺口。他们的研究证明，当解旋酶与其它复制复合体（参与DNA复制的各种酶等）“步调”不一致时，它会将自己的节奏放慢约5倍，并且它会保持这样的速度，直到其它的酶追赶上来，然后自己再加速。

Kowalczykowski教授表示，这是一种真正的范式转变，不同于教科书中大量的内容。这种新的随机现象将成为思考DNA复制和其它生物学过程的新途径。

 

2# PNAS：第一个不需要引物的 DNA 聚合酶

2017年3月16日，《PNAS》在线发表了一篇题为“在深海火山病毒中发现一种不需要引物的DNA聚合酶”的论文，通讯作者是华中科技大学生命科学与技术学院教授朱斌博士。

DNA聚合酶是PCR、DNA测序等生物技术的核心工具，它负责DNA的合成，但其反应需要一段特定长度的DNA或RNA引物作为复制起始点。由中国团队与哈佛大学、日本地球海洋科技局合作完成的最新研究成果却颠覆了传统认知，首次揭示了存在于自然界、不依赖于引物的特殊聚合酶。

DNA聚合酶催化DNA合成需要满足4个条件：单链DNA模板、四种脱氧核糖核苷三磷酸底物（dNTPs）、镁（锰）离子和一段杂交于DNA模版上的引物（DNA或RNA）。朱斌解释说，“通常，体外PCR反应所需的引物是一段合成的DNA，而在体内，引物一般是指由另一类特殊聚合酶——引发酶（primase）合成的小段RNA。”

为什么DNA聚合酶需要引物？朱斌介绍，DNA聚合酶从头聚合几个最初的核苷酸并将其稳定在DNA模版上不解离，这需要其与模版的强结合，但对于已经和模版DNA结合稳定的新生DNA链，它的快速延伸却不能有如此强的结合。这两者对于一个酶活性中心来说是矛盾的。然而大自然设计了解决矛盾的两类聚合酶（DNA聚合酶、引发酶），其中DNA聚合酶具有很强的延伸性、却不能从头合成，而引发酶可以从头合成但是延伸性较差、反应慢。所以，两个酶分工合作：引发酶负责合成最初的几个到十几个核苷酸（引物），DNA聚合酶负责后续的延伸。而在体外缺乏引发酶，需要我们来合成引物供DNA聚合酶“享用”。

朱斌团队在深海火山处找到的这一存在于噬菌体中的全新DNA聚合酶却不需要引物。这是为什么，它奇妙在哪里？朱斌解答，这个酶体现了噬菌体这一最简单生命体的高效和简洁，它以一个较小的蛋白质将引发酶和DNA聚合酶的功能集于一身，表现出了自然界另一类聚合酶——DNA依赖的RNA聚合酶的特点。

据朱斌所说，这一新型聚合酶识别DNA模版上的一段特异性8核苷酸序列（显著长于引发酶的识别序列3～4个核苷酸，但比RNA聚合酶启动子要短），用脱氧核糖核苷三磷酸从头起始DNA合成（引发酶一般用核糖核苷三磷酸）。在完成最初的5核苷酸合成后，聚合酶会经历一个较大的构像变化，从起始模式转为经典DNA聚合酶的延伸模式，转换过程中会释放出较多2～5个核苷酸长度的中断产物。这一特点与RNA聚合酶释放启动子类似。因此它结合了自然界三大类聚合酶的特点。

这一聚合酶是在海洋微生物（噬菌体）中发现的。海洋里的噬菌体占海洋所有生命个体总数的90％以上，是地球上数量最大的生物类群。噬菌体的主要生命活动是复制基因组，其大部分蛋白质功能都和核酸代谢相关。

“越是简单物种，在总体上的多样性越大。大肠杆菌噬菌体T7是被研究历史最长的物种之一，它仅有五十余个蛋白质且至今仍有约一半未知其功能。”朱斌表示，“一直以来，被广泛开展研究的模式生物只有少数几种，所关注的一般是与疾病相关的几种常见细菌和病毒。从蛋白质意义上讲，我们触及的还只是冰山一角。”

研究未知蛋白最大的困难是获取大量的纯化蛋白质样品，因为大多数新发现的微生物无法在实验室大量培养，只能将其基因克隆至大肠杆菌进行异源蛋白表达，才能摸索表达纯化条件。对于从未被研究过的全新蛋白质而言，这是一个从头摸索表达纯化条件的工作，意味着会有无数次的失败。

从氨基酸组成序列以及结构生物学来看，朱斌课题组最新发现的DNA聚合酶不具有任何已知DNA聚合酶的结构特征。它的活性口袋构像与古菌的引发酶略有相似，但它没有引发酶所具有的典型锌酯结构，而且除活性口袋之外的结构在自然界中找不到任何相似蛋白质。

这一不需要引物的DNA聚合酶是否会改变传统的PCR范式？能否被应用于基因测序、核酸合成中？朱斌认为目前谈论应用为时尚早，因为一个工具酶从发现到投入应用需要经历了大量详尽的基础研究，这一最新发现的聚合酶目前只是揭示了它的几个显著特点。

3# PNAS：无需染料，DNA会自然“发光”

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美国西北大学的研究团队发现DNA会“眨眼睛”—— 自然“发光”。相关研究结果于2016年8月15日发表在PNAS杂志上。

几十年来教科书上的知识表明，活细胞内的大分子如DNA、RNA以及蛋白质本身不会发荧光，当进行大分子成像时，需依赖于荧光染料来提高对比度。如今，研究人员发现，活细胞内的大分子可在自然条件下发荧光，这为无标签、纳米级成像开辟了新的生物学途径。

为什么之前未发现这种荧光？研究人员解释，这是由于这些分子处于“黑暗状态”，在该状态下不吸光也不反射光。但是，长时间处在黑暗中并不意味着它们永远都不会发光。西北大学生物医学工程教授Backman表示， DNA和蛋白质可以在很短的时间内发荧光，然后又会静止很长一段时间。

研究人员发现，当被可见光照射时，DNA分子被激活并“发光”，在无荧光染料的情况下也能成像。与最佳且最强的染料相比，正确波长的激发，能使这些分子发出更好的光。荧光染料有可能造成成像不精确，而且影响活体细胞自然消亡速度，荧光染料成像结果是否能揭示细胞行为的真实，难以知道答案。

 

4# Nature子刊：为何构成生命蓝图的是DNA，而非RNA？

一项新研究首次显示，RNA碱基移动时整个结构会瓦解，而DNA则可以任意扭曲和改变形状来弥补化学损伤，这也解释了为何DNA是遗传信息的主要储存库，而不是RNA。相关结果于2016年8月1日发表在《Nature Structural & Molecular Biology》杂志上

1.“Watson-Crick 碱基对”和“Hoogsteen 碱基对”

这两个概念是什么意思？ 1953年，沃森和克里克首次提出了DNA双螺旋结构，并预测了A、T和C、G是如何组装，后来人们将之称为“Watson-Crick 碱基对”。现在大家对DNA双螺旋结构已经很熟悉，其中特点之一是两股DNA通过碱基之间的氢键连接起来。

因此，科学家一直在寻找证据来证实“Watson-Crick 碱基对”。1959年，生物化学家Karst Hoogsteen 设法捕获到A-T碱基的图片，发现这两个碱基构成倾斜的几何结构，两者相对旋转了180°，于是也称为“Hoogsteen 碱基对”。

此后，科学家在静止的DNA图像中也发现了“Watson-Crick 碱基对”和“Hoogsteen 碱基对”。

2.研究发现DNA双螺旋结构具有动态性

五年前，杜克大学的Hashim Al-Hashimi研究团队发现了一些从未见过的现象：DNA碱基对在不断地变形，双螺旋结构在Watson-Crick碱基对和Hoogsteen碱基之间来回变化，这增加了DNA结构的灵活性。

Hashim Al-Hashimi说，“双螺旋是一种基本结构，但令人惊讶的是科学家很晚才发现该结构属性。因此我们需要放大研究，更深地了解生命的分子基础。”他们发现，当DNA与蛋白质结合或受到化学刺激时，双螺旋结构采用Hoogsteen碱基对的连接方式，当损伤被修复或蛋白质释放后，DNA碱基对恢复到Watson-Crick的连接方式。

3.重写教科书：为何DNA是构成生命的蓝图，而不是RNA

发现DNA双螺旋结构具有动态性具有很重要的意义。如今，该研究团队又首次发现RNA不具备这种动态变化的现象，这就解开了困扰多年的谜团：为何DNA是构成生命的蓝图，而不是RNA。

RNA太过僵硬很容易破裂，而DNA可以吸收化学损伤物质并适应周围的环境，具有一定的灵活性，因此是更好的遗传信息储存库。参与研究的Huiqing Zhou说，“DNA可以通过翻转碱基和形成“Hoogsteen碱基对”来弥补DNA化学修饰带来的损伤，而如果这种修饰出现在RNA中，将破坏RNA的双螺旋结构。”杜克大学发表的新闻稿称，“这个发现可能会改写教材中关于DNA和RNA差异的描述。”

4.RNA碱基移动，会导致结构瓦解

杜克大学的Hashim Al-Hashimi研究团队通过建立DNA和RNA的双螺旋结构，利用先进的成像技术来观察两者的碱基对如何结合。

他们发现DNA通过Hoogsteen碱基对来应付损伤，而RNA在遇到此情况时会崩裂。无论在任何时间，DNA双螺旋中大约1%的碱基可变成Hoogsteen碱基对，但这种现象在RNA链中并未发现。

于是，研究人员设计了更广泛的RNA分子，以观察RNA双螺旋结构在各种情况下的变化，然而几乎未看到任何的Hoogsteen碱基对出现。

他们又迫使RNA形成Hoogsteen结构，结果发现在这种情况下RNA链会瓦解。研究小组认为，与DNA相比，RNA双螺旋结构更紧凑。若不拉伸一个碱基或不绕原子移动，RNA就不能任意翻转另一个碱基。而一旦移动，它的整个结构就会被弄乱。

当然，仍需要更多的研究来证实DNA的灵活性，以及为何DNA是遗传信息的载体而不是RNA。如果能够被证实，将帮助人们了解生命为何如此进化？这是非常酷的研究，毕竟人们一直在学习新的知识以了解构成生命的分子基础。

 

5# Genetics：X、Y染色体DNA交换比预想的频繁

2016年3月23日，《Genetics》杂志发表利桑那州立大学助理教授 Melissa Wilson Sayres引领的研究，报告了X染色体与Y染色体中的DNA交换来得比想象更加频繁。该观点与目前的科学共识截然相反，这种杂乱的交换有助于人们对人类历史多样性、健康及疾病的理解。

人类多样性取决于23对染色体中的DNA，涉及到25000个基因，每一代人及其后代的性别都是由父亲和母亲的DNA重组而成。重组发生在除了性染色体之外的任何位置，使得每个人变得独一无二。存在于性染色体中的遗传信息处于一种“堆放”状态，无法“卸下”信息，但X与Y染色体中却存在着一种特殊的拟常染色体区（PAR1和PAR2）。

研究人员说，“拟常染色体区可以重组，此外X染色体中还存在一个X-转座区或XTR，将X上的基因复制到Y染色体上。”研究人员表示，“研究人类性染色体对后代健康以及了解人类历史有重要的意义，因为我们需要理解X染色体及Y染色体的发展所决定的遗传变异。”

他们假设：X与Y染色体之间有抑制交换的严格重组边界。研究人员利用不相关的26名女性X染色体中的完整DNA信息做试验，表明X染色体中PAR1区域的遗传多样性远远大于其它区域，且在PAR1区中呈升高趋势，并非是之前认为的突然中断模式。而PAR1区以外的遗传多样性下降，整个趋势看起来像绵延起伏的山。因此他们认为，这可能是导致X染色体疾病数量增加的原因。

为了了解X与Y染色体的模型，进化生物学家追溯到哺乳动物的起源。大约在2亿年前，X染色体与Y染色体并无区别，但经过长期的分解，慢慢变得有差异。进化的结果是惊人的，男性Y染色体出现退化，失去了原先性染色体上大约90% 的基因，并能与X染色体交换信息。在性别统计研究中，显示PRA1与PRA2可以过滤，而XTR区却不能。因此，理解性染色体之间的偏差对理解由性别决定的疾病（如色盲和血友病）很重要，例如PAR1重组缺陷与克氏综合症（XXY）相关。

研究人员说，“Y染色体中决定性别的区域恰好靠近边界。由于Y染色体的结构方式，性别决定基因SYR直接靠近边界，正是由于边界是模糊的，SRY可以跳到X染色体上。”但是，SRY可以搅乱X染色体，从而导致与性染色体相关的疾病，比如SRY阳性的XX男， 被称为Chappelle 综合征。因此，在定义别人性染色体时应当十分谨慎。

很多东西可以影响性别决定，SRY是睾丸通路中的第一个开关。还有另外一个综合征——Swyer 综合征，这种患者从父代遗传了Y染色体，但SRY没有足够开启睾丸决定因子，虽然他们的性染色体为XY，但却有卵巢发育。可见X与Y之间的重组抑制是一种积极的人类进化过程。而且，24个额外的染色体坐落在PAR1及其边界区域，该区域被证明与骨生长、褪黑激素的分泌以及精神疾病相关，包括双相感情障碍。?

6# Science：无Y染色体也可繁殖后代

2016年1月29日，发表在Science杂志上题为“Twogenes substitute for the mouse Y chromosome for spermatogenesis andreproduction”的研究表明，通过转基因技术，可使无Y染色体的小鼠重拾生育能力。研究人员发现，利用其它染色体中的两个基因足以恢复无Y染色体的雄性小鼠精子的形成过程，且形成的精子通过辅助生殖技术可与卵子结合并形成胚胎。

       7# Nature：胎儿免疫系统与成人大不同

2017年6月14日，发表在Nature上的一篇题为“Human fetal dendritic cells promote prenatal T-cell immune suppression through arginase-2”的论文证实，胎儿的免疫系统比先前认为的要更加活跃，且与成人免疫系统有很大不同。该成果有望帮助研究人员更好的理解某些类型的流产以及早产儿中致命的免疫反应。同时，这一发现可能改写许多文献和教科书的观点。

Karolinska研究所的免疫学家Jakob Michaelsson说：“在一般的教科书中，你会看到，胎儿免疫系统没有响应（non-responsive）的观念仍在盛行。”事实上，胎儿的免疫系统在子宫中发育面临着一个难题： 一方面，它不得不为出生后能够攻击危险的病原体（通过将自己的细胞与“入侵者”的细胞区分开来）做好准备；另一方面，在出生之前它还需要避免攻击母亲（母亲的细胞也是“外来的”）。

为了更好地了解胎儿免疫系统的发育机制，他们对来自近100例流产（妊娠期在第14～22周进行）的组织进行了研究，发现胎儿在怀孕的第13周就有了功能性的树突状细胞。这类细胞能识别入侵者，并向其它免疫细胞发出攻击信号：即树突状细胞通常会发出信号，增加另一种免疫细胞——T细胞增殖。然后，T细胞发挥攻击入侵者的作用。

当研究人员将胎儿树突状细胞添加到成人免疫细胞混合物中时，它们激活了超出正常数量的调节性T细胞（T regulatory cells）。这类细胞能够使T细胞的生产受到控制，抑制免疫反应。这表明，树突状细胞可能会阻止胎儿对母亲的细胞产生反应。

研究还证实，在相似的培养条件下，成人树突状细胞诱导的调节性T细胞较少，杀伤性T细胞更多。此外，胎儿树突状细胞具有抑制成人树突状细胞诱导杀伤性T细胞的能力。

事实上，先前的研究曾在9周的胎儿中发现了T细胞和自然杀伤细胞。“但树突状细胞的发现尤其重要，因为这类细胞精心安排了免疫反应。没有它们，机体就无法靶向特定的外来物。”Michaelsson说。

除了对不同种类T细胞的调节作用存在差异，科学家们还发现，与成人树突状细胞相比，胎儿树突状细胞中有特有的基因被激活了，胎儿细胞产生了大量的精氨酸酶-2（arginase-2，一种分解L-精氨酸的酶），而L-精氨酸是产生TNF-α的关键组成部分。TNF-α会触发一种对抗“入侵者”（ 即炎症）的状态。而当TNF-α数量减少时，免疫系统反应的“攻击性”会降低。

“胎儿的免疫系统是完全激活、能够对做出反应的，但同时它也有内置的'刹车’。” 该研究的共同通讯作者Florent Ginhoux说。他们希望进一步探索这些功能差异，绘制出胎儿免疫系统的单细胞图谱，为早期、中期以及晚期的胎儿免疫系统提供了一个完整的注释。

加州大学旧金山分校的Mike McCune评论说：“人们越来越认识到，胎儿免疫系统并不像以往认为的那样不成熟或不起作用，相反，这类特殊的免疫系统实际上功能非常强大，且与成人免疫系统截然不同。”

不过，伦敦帝国理工学院的John Tregoning认为，绘制胎儿免疫系统的单细胞图谱是非常困难的。与出生时胎儿组织的发育时间相比，胎儿组织依然是相对早期的。考虑到获取组织样本的困难性，想要研究更后期的胎儿免疫发育充满挑战。

针对高水平的TNF-α在某些类型的流产、妊娠糖尿病和坏死性小肠结肠炎中很常见，调节arginase-2通路或许会帮助更好的理解以及治疗这些疾病，即开发用于治疗发育胎儿遗传病的干细胞疗法和基因疗法。胎儿免疫系统的一部分在发育相当早期阶段就已经'到位’了，胎儿细胞控制免疫反应的能力相当强。利用这种“超能力”有望为治疗成人自身免疫疾病带来新方法。

 

8# Nature Neuroscience：科学家揭示第六种味觉，负责感知水

人的舌头就像一个星球的表面，镶嵌着许多坑洼不平的小突起。这些小突起遍布着感受味觉的味蕾，负责感知5种基本味道：咸、酸、甜、苦、鲜，其它味觉由这五种综合而成。

2017年5月29日，一篇发表在Nature子刊《Nature Neuroscience》上题为“Thecellular mechanism for water detection in the mammalian taste system”的研究表明，哺乳动物可能还存在第六种味觉，负责感知水。这一发现有助于解释为什么哺乳动物能够从其它液体中区分出水，也为一个古老争论提供了新的线索：水是否有专属味道？它是否仅仅是产生其它味道的媒介？

一直以来，哲学家主张水没有味道。早在公元前330年，亚里士多德就认为水是无味的。反对“水有味道”的人认为，水的味道是在品尝其它食物（味道）之后产生的，例如摄取咸食后感叹水是甜的。

但是，纽约州立大学行为神经科学家Patricia Di Lorenzo表示，昆虫和两栖动物都被证实拥有感受水的神经细胞。而且，越来越多的证据表明，哺乳动物也有类似功能的细胞。几项最新的大脑研究同样揭示，人类大脑皮层存在对水特定反应的区域。

加州大学旧金山分校的神经学家Zachary Knight认为，我们对于嘴巴或者喉咙组织中关联水的受体分子、细胞机制以及神经信号通路几乎一无所知。在之前的研究中，Knight和其他科学家们已经发现，下丘脑区域的神经元负责传递口渴信号，调控动物开始/停止对水的摄取。但是，在肠道或者血液中的信号告诉大脑“水已经补充够了”之前，动物就已经停止饮水了。这意味着，大脑必须从接受到来自于舌头对水感知的信号。也就是说，水是有味道的。

为了解开谜团，加州理工学院的神经学家Yuki Oka带领团队致力于寻找感应水味的受体细胞（water-sensing taste receptor cells）。他们以小鼠为模型，借助于基因敲除技术沉默小鼠不同的味觉受体细胞（TCRs），随后让小鼠喝水，检测喝水期间起反应的受体细胞。

结果出乎意料，酸味受体细胞在接触到水时反映强烈。当缺乏酸味受体细胞时，小鼠在水和一种透彻、无味、合成的硅油之间徘徊时间较久。这意味着，除了酸，酸味受体细胞还负责感知水。

随后，研究团队采用光遗传学技术驱动小鼠喝水。他们构建了酸味受体细胞表达光敏蛋白的小鼠模型，在激光的刺激下，突变小鼠的酸味受体细胞会被激活。在小鼠经过培训会自主从水壶中喝水之后，研究团队将水壶中的水替换成一种光纤装置（能够发射蓝光）。在蓝光的刺激下，小鼠会因为味觉细胞活跃而沉醉在“喝水”的假象中。因为口渴，这些小鼠会在10分钟内舔舐“水壶”超2000次。这些小动物自然不知道这是光造成的一种错觉，所以它们会 “受骗”。尽管舌头上的受体细胞已经传递饮水的信号，但是它们不会告诉大脑何时停止喝水。

感受酸觉的味蕾如何响应水？这仍然是个谜，需要投入更多的研究。Oka猜测，当水与唾液相遇后，本来就酸、咸的唾液会改变味觉细胞的PH值，使细胞更容易活跃，感知水的味道并将信号传递至大脑。

9# eLife：科学家发现大脑中血管“与众不同”

2017年4月6日，发表在eLife杂志上题为“Purinergic regulation of vascular tone in the retrotrapezoid nucleus is specialized to support the drive to breathe”的研究发现，当身体其它部位的血管扩张时，脑干中的某些血管却在收缩。正是这些血管的“相反”行为使我们保持呼吸。

一个多世纪以来，医生和科学家们已经知道，当细胞的废物（如二氧化碳）积累起来，血管就会扩张。血管扩张使得新鲜的血液能够流通，带来氧气，并冲走酸性的二氧化碳。这一被认为是正确的认知，一直是生理课程的标准教条。

康涅狄格大学生理学家Dan Mulkey意识到，对脑干的某个部分来说，以往的认知可能并不正确。他一直致力于研究脑干中控制呼吸中的一个小区域——Retrotrapezoid Nucleus (RTN)。过去的研究表明，RTN神经元通过刺激肺部呼吸对血液中升高的二氧化碳水平做出响应。如果RTN处的血管像身体其它部位的血管一样，在二氧化碳水平升高时发生扩张，它会冲走所有重要的信号，反而阻止了RNT处的细胞发挥驱动呼吸的作用。

基于上述考虑，Mulkey及其研究小组开始调查脑干切片中的血管是如何响应二氧化碳的。结果确实如他们所料：当二氧化碳水平上升时，RTN的血管会收缩。他们还发现，皮质（大脑中褶皱的顶部）切片的血管在二氧化碳水平升高的情况下是扩张的，与身体其它部位的一样。

那么，RTN中的血管是如何知道要“与众不同”的呢？Mulkey猜测，这可能与RTN中的星形胶质细胞有关。星形胶质细胞可能释放了ATP，细胞能够利用这一小分子来相互传递信号，从而导致了RTN血管收缩。

后续研究表明，上述假设是正确的。RTN中的星形胶质细胞与身体其它部位的星形胶质细胞行为不同，当这些脑干星形胶质细胞检测到高浓度的二氧化碳时，它们会释放ATP，发信号给神经元和血管。

当研究人员人工诱导星形胶质细胞释放ATP时，得到了相同的结果。如果将RTN血管直接“泡”在ATP中，同样能导致它们收缩。此外，阻断ATP受体则抑制了血管响应二氧化碳的能力。他们在活体动物中进行实验，也得到了相同的结果。

 10# Nature：肺的新功能——造血

2017年3月22日，《 Nature》杂志上题为“Thelung is a site of platelet biogenesis and a reservoir for haematopoieticprogenitors”的研究首次揭示了肺的一项先前不为人知的功能——造血（blood production）。

一般认为肺的功能是呼吸，但美国加利福尼亚大学旧金山分校一项新研究发现，肺部还有先前不为人知的造血功能。动物实验中，小鼠体内约一半的血小板产生于肺部，更重要的是肺部还储存了大量造血祖细胞和干细胞，可恢复受损骨髓的造血功能。

研究人员用被称作“双光子活体成像”的新成像技术观察活体小鼠肺部微血管中单个细胞的活动，意外在肺部血管内发现了大量巨核细胞。巨核细胞负责产生血小板，虽然此前也曾在肺部观察到这种细胞，但通常认为它们主要存在于骨髓中。

研究人员发现，小鼠肺部血管中的巨核细胞每小时产生超过１０００万个血小板，说明小鼠血液中血小板半数以上产生于肺部，而非此前认为的主要产生于骨髓。

此外研究还发现，肺部血管外存储了大量造血干细胞和祖细胞。造血祖细胞是指造血干细胞在一定微环境和某些因素调节下，增殖、分化而成的各类血细胞的祖细胞，它们已失去多向分化能力，只能向一个或几个血细胞系定向增殖分化。

研究人员专门设计了若干肺移植实验，以研究巨核细胞、造血干细胞和祖细胞如何在小鼠骨髓和肺部之间迁移。结果发现，巨核细胞在骨髓中生成，然后迁移到肺部产生血小板，这可能由于肺部是生成血小板的理想生物反应器。小鼠体内血小板减少时，肺部储存的祖细胞可被激活生成新的巨核细胞，使血小板数量恢复。而当骨髓缺乏造血干细胞时，肺部的造血干细胞和祖细胞可以进入骨髓并修复损伤，参与不同血液细胞的生成。

 

11# 《柳叶刀》子刊：你的身体有了一个“新器官”

在过去的教科书上，人体器官是78个，不过最新的一项研究结果颠覆了传统认知。2016年11月1日，柳叶刀子刊《The Lancet Gastroenterology & Hepatology》发表题为“The mesentery: structure，function，and role in disease”的研究证实，我们身体里多了一个迄今尚未被承认的新器官“肠系膜”。

肠系膜是悬吊、固定肠管的腹膜的一部分，长在躯体左右两侧的腹膜在肠的背侧和腹侧相合，分别形成背侧肠系膜和腹侧肠系膜。腹膜的一部分，包在小肠和大肠的外面，把肠连接在腹腔的后壁上。

肠系膜可分为 小肠系膜 ，横结肠系膜，乙状结肠系膜，右结肠系膜，直肠系膜。100多年来，我们都认为连接肠道和腹部的肠系膜是由多个单独部分组成的碎片结构。然而，柳叶刀子刊《The Lancet Gastroenterology & Hepatology》最新发表的一篇综述中，利默里克大学医院的J Calvin Coffey教授及其同事概述了将肠系膜归类为器官的证据。他们发现肠系膜是一个连续的结构。

Coffey教授表示， 过去的解剖学将肠系膜当作东一块西一块的组合结构来描述是不正确的。2012年他们已经证实肠系膜根本不是组合结构，也不复杂，仅仅是一个连续结构的器官。

12# Royal Society Open Science：聪明的大脑是“嗜血”的大脑

过去人们一直认为，人类智力的进化与大脑尺寸有关，这种理解过于简单。2016年8月31日，发表在RoyalSociety Open Science上题为“Fossilskulls reveal that blood flow rate to the brain increased faster than brainvolume during human evolution”的研究发现，人类智力的进化与大脑血液供应的关系更加密切。

在进化过程中，人类大脑尺寸增加了350%，但惊人的是，大脑血流量竟增加了600%。研究人员认为，大脑血流量增加可能也是为了满足神经细胞间的连接需求。智力越高，大脑越需要不断地从血液中吸取氧气和营养物质。

 

13# BJSM：饱和脂肪并不是心血管疾病的“罪魁祸首”

长期以来，医生和公众普遍认为饮食中的饱和脂肪会阻塞动脉并导致冠心病。然而，2017年4月25日发表于British Journal of Sports Medicine上的一篇文章却提出了相反的观点。研究人员认为，饱和脂肪阻塞动脉这个概念完全是错误的。

由利斯特医院的Aseem Malhotra博士，加利福尼亚大学旧金山医学院Rita Redberg教授，JAMA内科学教授编辑Pascal Meier等共同组成的心脏病专家小组完成了这篇文章。

该研究小组的综述显示，饱和脂肪摄入与心脏病风险升高无关。预防动脉粥样硬化的发展确实十分重要，但动脉粥样硬化血栓形成才是真正的杀手，而非饱和脂肪。

根据Malhotra，Redberg和Meier的观点，通过介入途径改善病情已被一系列临床试验证明无效。试验发现，当插入支架以扩大狭窄的动脉时，心脏病发作或死亡的风险没有减轻。

专家小组认为，几十年来强调降低血浆胆固醇的重要性，就好像这本身成了一种目的，并推动一个“可降低胆固醇”和“低脂肪”食物及药物的市场。这些误解可能来自于“选择性地报告数据”。

冠状动脉心脏病是最常见的心脏病类型，在美国是主要的死亡原因。地中海饮食不仅能降低血脂，其饮食构成中的初榨橄榄油、蔬菜、油鱼和坚果富含抗炎化合物，能快速减轻炎和症冠状动脉血栓形成，从而降低心脏病风险。

心脏疾病风险的最佳预测指标包括较高的总胆固醇（TC）与高密度脂蛋白（HDL）的比值，而非低密度脂蛋白。膳食上的改变，例如用健康的高脂肪食物（包括橄榄油和坚果）代替精制碳水化合物，可以显著降低总胆固醇与高密度脂蛋白的比例。

运动在预防心脏病方面扮演重要角色，可能将预期寿命延长3.4至4.5年。仅仅每周三次以上，每天30分钟的适度活动就可以降低不爱运动的成年人的心脏病风险。此外，研究人员指出，常快走可能比跑步预防冠状动脉疾病的效果更好。

14# 2篇JCI：高盐食物，让你饿，而不是渴

通常，我们认为含盐量高的食物会让我们口渴，需要补充更多的水分。然而，来自于德国航空航天中心（DLR）、最高德尔布吕克分子医学中心（MDC）、范德堡大学的科学家团队却在一项模拟火星的研究中，得出了不一样的结论：摄取高盐食物会减少喝水量，同时，它会增加饥饿感。

2017年4月17日，《Journal of Clinical Investigation》期刊的两篇文章介绍了这一研究结果。

宇航员在长时间的太空飞行中需要节约每一滴水，而盐摄取量对于水分补充的关联会影响飞行之前食材、水资源的准备。有趣的是，这项模拟试验却得出了让研究人员意外的结果。

Natalia Rakova教授带领团队招募了10名男性志愿者参与试验。研究人员将他们分成两组，安置在两个模拟宇宙飞船的密闭空间中。第一组参与者会接受试验105天，而第二组成员需要坚持超205天。两组参与者的饮食一样，除了起初连续几周，他们会得到3种含盐量不同的食物。这一研究提供了一个环境便于精准控制、测量一个人摄取的水、盐量。

结果证实，摄取盐量增加，其尿量也会变多，而且液体中的含盐量会增加。这一点与过去的认知一致。但是，研究人员发现：这一变化与补充水分无关！因为，高盐饮食会减少喝水量，盐会引发肾脏组织启动“节约用水”的机制。

过去我们一直认为，体液循环中钠离子、氯离子会“抓住”水分子，将其带至尿液中排出体外。最新的研究却发现，盐分子会停留在尿液中，而水分子会重新流转至肝脏及身体的其它部位。

这一最新发现让埃朗根大学、范德堡大学医学中心的Jens Titze教授团队很困惑：促使水分子循环的动力是什么？

他们以小鼠为研究模型，发现尿素可能在其中发挥重要作用，尿素是控制氮元素的关键步骤。在小鼠体内，尿素在肾脏组织中富集，抵消了钠离子、氯离子对水分子的控制力。但是，合成尿素需要消耗很多能量，这一点可以解释为什么食用高盐食物的小鼠饮食量会增加。

高盐饮食并不会增加小鼠的渴感，相反，它们会增加饥饿感。接受模拟太空飞行的参与者们也在食用高盐食物后，表现出饥饿的症状。

这一研究修正了科学家对尿素生物功能的认知。研究人员表示：它不再仅仅只是废物，事实上尿素是一种非常重要的渗透剂。当身体摄入过多的盐，尿素会负责结合、运输水分子，从而确保水的再利用。

 

15# The Lancet：低盐饮食不利健康

人们通常认为，高盐饮食容易导致一些健康问题的发生，低盐饮食、水果、运动、低脂肪饮食等有利于身体健康。然而，2016年5月20日，发表在TheLancet杂志上题为“Associationsof urinary sodium excretion with cardiovascular events in individuals with andwithout hypertension: a pooled analysis of data from four studies”的研究表明，低盐饮食对心脏健康不利，颠覆了传统认知。

该研究综合了四项关于钠摄入量和心脏健康的研究，共涉及了49个国家的133000名志愿者。结果发现，对于无高血压人群，低盐饮食会增加26%的心脏病或中风风险；对于高血压人群，低盐饮食增加34%的心脏病或中风风险；而高盐饮食增加23%的心脏病或中风风险。此外，对于血压正常的人群，过量摄入食盐不会增加高血压的风险。

 

16# Cell：细胞内的核糖体不尽相同

核糖体是细胞内蛋白质生成的重要场所，被称为蛋白质“合成工厂”。当经由转录过程生成的mRNA从细胞核出来后，核糖体会与之结合，并在tRNA的协助下启动翻译过程形成蛋白质。在真核生物的进化过程中，核糖体的大小也明显增加，主要由rRNA和蛋白质构成。

很多科学家认为，这一生成蛋白质的关键车间都是相同的，它们中的每一个都可以合成机体所需要的任何一种蛋白质。然而，2017年6月1日，发表在Cell杂志题为“The Mammalian Ribo-interactome Reveals Ribosome FunctionalDiversity and Heterogeneity”的研究却提出了不一样的结论：一些核糖体存在异质性，它们合成相对固定的蛋白质。由于这些特定的核糖体能够协助细胞控制蛋白质的表达，因而或可解释一些罕见的疾病症状——可能与特定的核糖体缺陷有关。

一个哺乳动物细胞内可能含有多达1000万个核糖体。细胞需要贡献出60%的能量，以RNA和80多种不同类型的蛋白质为原材料来构建核糖体。过去的研究认为，核糖体对mRNA没有“挑剔”，无“亲疏之分”，因此它们能够合成所有蛋白质。但是，几十年来的研究已经暗示了核糖体多样性和异质性的特征。

早在2011年，斯坦福大学的分子和发育生物学家Maria Barna带领团队在《Cell》期刊发表文章揭示了一种现象：当小鼠体内的某一种核糖体蛋白质欠缺时，这类小鼠的尾巴会很短，并发育出多余的肋骨以及其他缺陷。这一发育缺陷模型表明，核糖体蛋白的缺失会导致产生与胚胎发育相关的特定蛋白质。但是，“核糖体定制化”的争论一直未有实质性进展。科学家们很难精确测量核糖体构成蛋白的水平。

5年后，Maria Barna团队打破瓶颈，再一次在《Cell》期刊发表文章揭示这一领域的重要突破。他们以小鼠胚胎干细胞为材料，借助质谱分析测量15种核糖体蛋白的浓度时发现，其中9种蛋白质是所有核糖体所共有的。但是，有30～40%的核糖体缺少另外4种蛋白质，这意味着这一类核糖体是独特的。

随后，他们对其余76种核糖体蛋白也进行了大规模分析，证实存在7种蛋白质差异，足以表明核糖体之间具有异质性，不一定是全同的。

那么，这些定制核糖体专门合成哪些类型的蛋白质呢？Barna团队采用核糖体图谱技术检测与核糖体结合的mRNAs，从而确定其蛋白产物。结果显示，异质化的蛋白质往往负责生成执行特定任务的蛋白质，例如生成专门参与发育的蛋白质。

当核糖体合成功能出现缺陷时，它会引发一些罕见症状，其临床特征统称为核糖体病变（ribosomopathies），例如Diamond-Blackfan贫血（DBA），一种先天性再生障碍性贫血症，表现为巨红细胞性贫血，但是少数患者会伴随身体其他部位的出生缺陷，例如小头症、拇指畸形或缺失。这些看起来无关联的异常很有可能是一个原因造成——胚胎发育过程中细胞携带相同的特定核糖体。

但是，加州大学圣克鲁兹分校的分子生物学家Harry Noller却对细胞进化出调控蛋白表达的特定核糖体表示怀疑。他认为：“对于细胞而言，合成核糖体成本很高。如果细胞需要调整自己的核糖体，最合理的途径是修改一个通用版本的核糖体，而不是构建新的版本。”

 

17# Cell子刊：首次发现无线粒体的真核生物

缺乏线粒体人类将无法存活，线粒体为大部分人类细胞提供能量，且长期以来被认为是其它真核生物包括动物、植物、真菌及微生物不可少的细胞器。

线粒体作为真核生物的一个特征标志，科学家曾经认为某些真核生物可能已经失去了线粒体，但仔细考察后发现这是缩小细胞器发出的假信号。然而，2016年5月12日，Cell子刊《Current Biology》上题为“AEukaryote without a Mitochondrial Organelle”的研究揭示了首个没有线粒体的真核生物，表明了真核生物生命进化分支比预想的要复杂得多。

类单鞭滴虫属（Monocercomonoides）是一种候选真核单细胞生物，长期以来研究人员认为类单鞭滴虫属的线粒体已消失。为了验证此观点，加拿大英属哥伦毕业大学的进化生物学家Anna Karnkowska课题组对来自南美洲栗鼠消化道的类单鞭滴虫属进行研究。他们对类单鞭滴虫属进行了基因组测序，结果并没有发现线粒体基因的迹象。进一步研究发现，这种生物缺乏所有线粒体功能的关键蛋白。然而真核细胞的定义是有线粒体，这个结果推翻了原来的定义。

类单鞭滴虫属无线粒体可能取决于环境。南美洲栗鼠肠道营养丰富，但氧稀缺，而氧又是线粒体供能的必须因素。或许肠道里的类单鞭滴虫属是靠酶分解来获得能量。可是，线粒体还提供另外一种细胞功能：合成各类蛋白质的辅助因子——铁和硫，是否意味着类单鞭滴虫属借助其他基因来执行相同的功能。

18# Nature：白血病细胞不靠“躲”，而靠“跑得快”

2016年10月17日，发表在Nature上的一项研究中，来自帝国理工学院、Francis Crick研究所以及墨尔本大学的科学家们揭示了白血病细胞如何从治疗中存活下来的真面目。

白血病是一种血液癌症，一些癌细胞为什么能够从最初的治疗中幸存下来？比较流行的理论认知是，它们躲在骨髓特殊的微环境（niches）中。然而，这项新研究揭示，白血病细胞并不是因为 “躲”才幸存下来。相反，研究人员在小鼠模型中发现，治疗前和治疗后的这些细胞都分散在小鼠的骨髓中，并且它们在快速地到处移动。而且，治疗后幸存的白血病细胞会比治疗前的细胞移动得更快。他们认为，白血病细胞的移动行为可能为它们幸存提供了帮助。

为了在细胞水平研究白血病，研究小组使用活体显微镜（intravital microscopy）实现对小鼠的高分辨快速成像。对患有T细胞急性白血病的小鼠，在治疗前和治疗后追踪癌细胞的运动，惊讶发现了癌细胞“跑动”的现象。他们还在人类样本中证实了这一结果。

 

19# Neuro-Oncology：癌细胞的首选能源或为脂肪

几十年来，糖被认为是脑肿瘤细胞的主要能量来源。然而，2016年6月29日，发表在Neuro-Oncology杂志上题为“Fatty acid oxidation is required for the respiration andproliferation of malignant glioma cells ”的研究发现，脑肿瘤以脂肪作为首选能源。这颠覆了长期认识，那种饿死癌细胞聚焦在糖供应方式上的治疗或将被改变。

胶质瘤是一种神经胶质细胞滋生的脑肿瘤。神经胶质细胞占总脑细胞的90%，对神经元和脑血屏障起到支持和维持的作用。神经胶质瘤主要有三种类型：星形细胞瘤、少突神经胶质瘤和胶质母细胞瘤，它们都是难以治愈的肿瘤。其中胶质母细胞瘤最常见、最激进，在美国只有30%的病例确诊后能存活两年左右。

20世纪50年代，诺贝尔奖获得者德国科学家Otto Warburg发现肿瘤通过消耗葡萄糖来生长，该过程也被称为Warburg 效应，迄今为止已在80%的癌症中发现该效应。科研人员曾表示，作为癌症分析和诊断的重要手段，正电子发射断层扫描（CT）主要通过观察细胞的葡萄糖消耗来判断肿瘤的位置。由于多数癌症均表现出以葡萄糖作为首选能源的现象，且健康的脑细胞也依赖于糖来保持功能，所以科学家们一度认为大脑中的癌细胞也遵循Warburg 效应。

然而在本研究中，研究人员发现，如果抑制脑肿瘤细胞的脂肪来源，可明显减慢肿瘤的生长速度，这意味着患者的生存率将提高。研究人员利用胶质瘤患者手术后捐赠的肿瘤组织以及小鼠模型进行研究，并给试验对象注射了脂肪酸氧化抑制剂乙莫克舍（etomoxir），结果显示该药物可以减缓肿瘤的生长，患者中位生存期延长了17%。研究人员认为该研究或可为今后脑肿瘤的临床治疗提供新的药物靶点。

本文首席研究员，英国纽卡斯尔大学神经科学家Elizabeth Stoll说：“通常情况下，提取患者的脑肿瘤细胞后培养在含血的实验室环境中，但是，当培养环境中糖含量大于脂肪时，肿瘤细胞的行为很容易发生变化，因为由于脂肪缺乏，它们将能量来源转向了糖。过去我们一直将细胞培养在血液中（包含血清），这也许是对癌细胞生长的一个误导。”为了避免该情况的发生，该研究团队将小鼠及人类脑肿瘤培养在无血清的环境中。

本研究仅基于动物模型和人类脑肿瘤细胞的试验结果，有待进一步探究。

20# Science：不止干细胞具有自我更新能力

由于绝大多数分化细胞都丧失了分裂及生成新细胞的能力，当我们的器官老化或损伤时，它们的更新通常依赖于组织中少量的干细胞。2016年1月12日，发表在Science杂志上题为“Lineage-specific enhancers activate self-renewal genes inmacrophages and embryonic stem cells”的研究发现，一种特殊的免疫细胞——人类巨噬细胞几乎能无限分裂与自我更新。

科学家们还证实，巨噬细胞是通过激活与胚胎干细胞中相似的基因网络来做到这一点的。