2013年04月18日《自然》雜志精選

　　封面故事：非洲腔棘魚基因組已被測序

　　The African coelacanth genome provides insights into tetrapod evolution

　　本期封面照片是由Laurent Ballesta在南非的“索德瓦納灣”拍攝的一條非洲腔棘魚和一個潛水員。1938年在南非近海捕撈到一條非洲腔棘魚(Latimeria chalumnae)，當時它引起了國際關注，因為腔棘魚被認為在7000萬年前就滅絕了。現在，它的基因組已被測序。系統發育基因組分析解決了哪種肉鰭魚是陸地脊椎動物關系最近的現存親緣種的這個長期未能解決的問題——它是肺魚，而不是腔棘魚。腔棘魚的蛋白編碼基因在緩慢演化，這也許可以解釋今天的腔棘魚看起來與其3億年前的化石祖先何以相似。對基因和調控元素的變化所做研究，顯示了包括腦和鰭發育、免疫和氮排泄等在內的因素在脊椎動物對陸地生活適應過程中的重要性。

　　細菌鉀運輸蛋白得到表征

　　Gating of the TrkH ion channel by its associated RCK protein TrkA

　　The structure of the KtrAB potassium transporter

　　K+ 是很多生理過程所必需的，它必須在所有活細胞中聚集以使其能夠存活。在細菌中，K+吸收是由SKT（K+運輸因子超級家族）蛋白介導和調控的。本期Nature上兩篇論文研究來自不同“子族”(sub-families)的SKT蛋白的結構和功能。Ming Zhou及其同事發表了對由TrkH及其相關的RCK蛋白TrkA形成的復合物的電生理和結構表征研究結果。他們的研究提出了TrkA 中由ATP誘導的構形變化增強TrkH的活性的一個機制。Jo?o Morais-Cabral及其同事確定了一個Ktr K+運輸因子的X-射線晶體結構。這一KtrAB復合物的結構顯示了“二聚膜蛋白”KtrB是怎樣與“胞質八聚KtrA調控蛋白”發生相互作用的。

　　前額皮層在強迫性吸毒中所起作用

　　Rescuing cocaine-induced prefrontal cortex hypoactivity prevents compulsive cocaine seeking

　　Antonello Bonci及其同事利用一個關于強迫性使用可卡因的嚙齒類動物模型發現，對于那些表現出最想尋找藥物的行為的動物來說，它們“前邊緣皮層”（大腦中被認為與強迫性尋找藥物的行為相聯系的一個區域）的較深層中的活動水平會有持續較長時間的降低。利用光遺傳方法矯正這種“活動減退”現象可防止出現尋找可卡因的行為。另外，對“前邊緣”活動的光遺傳抑制足以驅動強迫性尋找藥物的行為。這項工作說明，“前邊緣”刺激對于強迫性吸毒者來說是一種可能的治療手段。

　　胚胎“視黃酸”的定位

　　Visualization of an endogenous retinoic acid gradient across embryonic development

　　“形態發生素”是可擴散的信號作用分子，根據細胞的濃度為其安排不同的命運。“視黃酸”是一種非典型的“形態發生素”——一種親脂性分子，而不是一種多肽。大多數“形態發生素”可以通過將它們融合到熒光標記中來在活體中觀測，但非肽“視黃酸”卻難以直接成像，而且目前仍不清楚它在胚胎中是怎樣在空間上分布的。現在，Atsushi Miyawaki及其同事研制出了基因編碼的探針，被稱為GEPRAs，它們允許在活體中對“視黃酸”濃度進行定量測定。他們發現，沿斑馬魚胚胎的前后軸線存在“視黃酸”的線性濃度梯度；同時他們也得出結論認為，這些數據支持Francis Crick 在1970年提出的有關“形態發生素”動態的源-匯模型。

　　KMO酶的結構

　　Structural basis of kynurenine 3-monooxygenase inhibition

　　犬尿氨酸通道是哺乳動物色氨酸降解的主要途徑，由色氨酸降解產生的一些代謝物在神經退化疾病中起重要作用。對名為“犬尿氨酸 3-單氧酶”(KMO)的酶的抑制，導致各種不同動物模型中與亨廷頓舞蹈癥相關的表現型的改善。這篇論文發表了KMO在自由形式和在與一種抑制因子形成復合物的形式下的結構。這項研究將為有可能用于神經退化疾病治療的抑制因子藥物的開發提供基礎。

　　復雜系統的“恢復長度”

　　Slower recovery in space before collapse of connected populations

　　復雜系統在臨界點附近的行為（這個時候一個小的變化會導致系統狀態的很大偏離）以難以預測著稱。最近的研究工作已經識別出了一些時間因素，如恢復時間以及在一些臨界點之前波動的大小和時間尺度的變化。Lei Dai等人培養出了在空間上通過最近的鄰居之間的受控擴散聯系在一起的芽殖酵母菌群，來尋找在擾動之后發生的“菌群崩潰”（population collapse）之前所存在的時空模式，而這里所說的擾動是通過引入比其周圍環境稀釋程度更大的蔗糖溶液產生的。隨著與被稀釋的斑塊的距離的增加，酵母菌群密度會增加到更接近穩定態。相聯系的菌群所要求的恢復距離在菌群接近崩潰時要大得多。這項工作引入了“恢復長度”這個概念，將其作為“恢復時間”在空間上的對應概念；而且由于具有不同質量的區域之間的邊界在自然界普遍存在，所以海洋中和陸地上的很多系統預計可能也會受到這種空間不穩定性的影響。

　　“超亮電子源”助力有機化學結構研究

　　Mapping molecular motions leading to charge delocalization with ultrabright electrons

　　現在，有可能利用超快衍射方法來直接觀察凝聚相過程中的原子運動。但是有機物（其中在發生非常多的重要化學和生物相互作用）卻是不同的。弱散射中心、熱不穩定性和比較差的導熱性能經常會在獲得有用數據之前使樣品降解。然而，最近的一個技術突破導致了一個能以低重復率工作的“超亮飛秒電子源”的問世，而現在這個電子源被Meng Gao等人用來記錄時間延遲的衍射圖案，其質量好到足以對與一種有機鹽中由光誘導的“電荷離域”相關的分子運動進行分析研究。這些發現顯示了“超亮飛秒電子源”在以探索化學和生物學上相關不穩定系統中復雜動態結構過程為目的的研究中所具有的潛力。

　　一個巨大星暴星系被發現

　　A dust-obscured massive maximum-starburst galaxy at a redshift of 6.34

　　宇宙中第一批巨大星暴星系的物理性質，能提供有關早期宇宙結構形成模式的重要線索。但是，由于發生強烈恒星形成的區域往往被包裹在塵埃中，所以在非常高的紅移處搜索這種系統一直是一大挑戰。現在，一個巨大星暴星系已在紅移值z=6.34處被發現，這個位置相當于僅在“大爆炸”之后8.8億年，當時宇宙只有其當前年齡的1/16。線發射數據顯示存在1000億個太陽質量的氣體，至少相當于宇宙重子（可見物質）質量的40%。該星系在發生一次強烈的星暴，以比銀河系中快2000倍的速度將氣體轉化成恒星。這些發現與以下理論是一致的：巨大星系是通過早期宇宙中的極端星暴形成的。

　　最早的陶器廚具是用來做魚的

　　Earliest evidence for the use of pottery

　　陶器的發展是人類所取得成就中的一個里程碑，為復雜的烹調、存儲和很多其他技術鋪平了道路。最早已知的陶匠在農業生產活動或定居生活方式形成之前很長時間就生活在東亞。至于他們用其陶器做什么過去一直都是一個猜測的問題，但現在卻是一個化學問題。對來自日本繩文時代（距今11,800–15,000年）的101件被燒過的陶罐所做的一項色譜穩定同位素研究，為將陶器用于烹調提供了最早的證據。而當時的菜單上有魚，因為從陶器碎片中提取出的脂質具有海洋和淡水生物的特點。