最新23篇Nature研究论文（衰老过程中细胞转录组变化；mTOR信号失调；睡眠对记忆的影响；转座子与CENH3染色质整合机制）

第 637 卷第 8044 期，2025 年 1 月 2 日

“诺斯代码”

利用遗传祖先追溯历史和探索过去事件的研究面临挑战，因为许多地区的祖先相对相似，这使得区分不同的群体和人群变得困难。在本周的期刊中，Leo Speidel、Pontus Skoglund及其同事提出了一种名为Twigstats的新方法，可以高分辨率地重建祖先之间的微小差异。研究人员使用这一技术来研究早期中世纪欧洲的基因组历史。这使他们能够追踪两条与斯堪的纳维亚相关的祖先血脉在整个欧洲的扩展，以及在维京时代之前（大约750-1050年）流入斯堪的纳维亚的另一路祖先血脉。封面灵感来自维京时代的石碑上发现的蛇形雕刻，并展示了用于DNA核苷酸A、T、G和C（K）的古老福萨克符文。

Nature发表的最新研究论文：

1. 在300毫米CMOS线上制造GaAs纳米激光二极管，推动光电系统发展
2. 调控骨髓微环境，研究干细胞与免疫耐受性
3. 生物力学：上转换微力计研究体内力学动态
4. FBP1控制肝细胞衰老与癌变，是肝癌诊治新靶点
5. 研究中世纪欧洲基因组历史，揭示基因演化与迁移
6. 小鼠舌头控制依赖中脑触觉传感图谱
7. 衰老分子标记：研究衰老过程中细胞转录组变化
8.量子光子学：光子合成频率中的非阿贝尔晶格场
9. 形成冷原子条纹，研究量子物理中的相互作用
10. 单基因表达控制免疫缺陷病，提供新研究视角
11. 纳米技术：开发红外纳米传感器测量微力
12. mTOR信号失调是大脑皮层平滑症的关键机制
13. 研究冰川溪流细菌微生物组多样性
14. 研究射电暴的磁层起源，揭示宇宙极端现象
15. 揭示精子与纤毛的结构多样性，助力纤毛研究
16. 研究胶质母细胞瘤的细胞状态变化
17. 研究冰川生物量燃烧突变，探索古气候影响
18. 研究射电暴极化角变化，探讨脉冲星特征
19. 分析病原体适应性动态，为应对变异提供策略
20. 天冬氨酸信号促进肺部肿瘤转移，揭示转移机制
21. 研究转座子与CENH3染色质整合机制
22. 研究黄石玄武岩储存演化，探索地质活动过程
23. 睡眠微结构记忆重放，揭示睡眠对记忆的作用

Nature最新研究论文所属学科分类如下：

自然科学：

物理学：

制造GaAs纳米激光二极管，推动光电系统发展【1】
研究冷原子条纹与量子相互作用【9】
研究射电暴的磁层起源【14】
研究射电暴的极化角变化【18】

化学：

研究冰川溪流细菌的微生物多样性【13】
研究病原体适应性，为变异提供应对策略【19】

生物学：

研究干细胞与免疫耐受性【2】
研究体内力学动态【3】
研究FBP1与肝癌的关系【4】
研究小鼠舌头与中脑触觉传感【6】
研究衰老过程中细胞变化【7】
研究免疫缺陷病的基因控制【10】
mTOR信号失调【12】
冰川溪流细菌微生物组多样性【13】
研究胶质母细胞瘤的治疗靶点【16】
研究肺部肿瘤转移机制【20】
转座子与CENH3染色质整合机制【21】
研究睡眠对记忆的影响【23】

地球科学：

研究黄石玄武岩的储存演化【22】
研究冰川生物量燃烧与古气候【17】

材料科学：

开发红外纳米传感器【11】

人文科学：

历史学：

研究中世纪欧洲的基因组历史【5】

以下是最新Nature文章汇总信息：

【1】GaAs nano-ridge laser diodes fully fabricated in a 300-mm CMOS pilot line（在300毫米CMOS试验线上完全制造的GaAs纳米脊激光二极管）：该研究介绍了一种新的集成方法——纳米脊工程，它能够在硅基光子平台上制造电驱动的GaAs激光二极管。此项技术展示了在常见的CMOS生产线上制造激光二极管的潜力，对半导体激光器与硅光子学的结合具有重要意义，可能推动光通信、传感器和集成光电系统的发展。

【2】Bone marrow niches orchestrate stem-cell hierarchy and immune tolerance（骨髓微环境调控干细胞层次和免疫耐受性）：这项研究发现骨髓中干细胞和微环境之间未曾描述过的层次结构，这些结构对干细胞的再生潜力和免疫耐受性有重要影响。研究可能为干细胞疗法和免疫耐受相关疾病（如移植排斥反应和自体免疫病）提供新的理解。

*该研究揭示了造血干细胞（HSCs）及其骨髓微环境中的新型分层结构，这些结构决定了干细胞的再生潜力和免疫特权。研究发现，高水平一氧化氮生成的（NOhi）HSCs具有高度的免疫耐受性，能够抵抗免疫攻击，并表现出缓慢但强劲的长期再生能力。这些免疫特权显著的NOhi HSCs与具有特征性原纤毛内皮和高水平免疫检查点分子CD200的毛细血管共定位。这些毛细血管通过纤毛蛋白IFT20、CD200、内皮一氧化氮合酶和自噬信号共同调控NOhi HSCs的再生功能，进而提供免疫保护。与之不同，之前描述的骨髓微环境成分，如窦状细胞和H型血管，与免疫特权较低、再生潜力较弱的NOlow HSCs共定位。研究表明，骨髓微环境在干细胞的分层结构和免疫耐受性中发挥关键作用，并为未来的免疫治疗提供了潜在的靶点。

【3】Upconverting microgauges reveal intraluminal force dynamics in vivo（上转换微力计揭示体内管腔内力学动态）：该研究开发了一种基于纳米颗粒的微力计，用于体内力学传感。通过在秀丽隐杆线虫中应用该技术，研究了力学作用如何与神经肌肉器官中的电信号相关联。此技术对生物力学研究、神经科学和肌肉功能研究具有广泛应用价值。

*该研究介绍了一种可口服的无毒机械传感器，用于定量研究体内腔道结构的力，并应用于活体秀丽隐杆线虫的喂食研究。这些光学“微型压力计”由钇铝石榴石纳米颗粒嵌入聚苯乙烯微球中组成。通过光学显微镜和原子力显微镜的结合，研究表明，施加的力会引起发射的红绿光比率线性变化且无滞后。在使用荧光成像和非侵入性电生理技术时，研究发现成年线虫在喂食过程中产生的咬合力约为10µN，其力的时间模式与喂食器官的肌肉活动相一致。此外，所测得的咬合力与线虫撕裂细菌食物所需的赫兹接触应力范围相符。该微型压力计有潜力用于定量研究如何通过衰老、基因突变或药物治疗等因素影响神经肌肉应力，进而深入了解腔道器官的功能变化。

【4】FBP1 controls liver cancer evolution from senescent MASH hepatocytes（FBP1控制来自衰老MASH肝细胞的肝癌演化）：本研究发现，FBP1在衰老的代谢功能障碍性脂肪肝炎（MASH）肝细胞中表现升高，而在大多数肝细胞癌（HCC）中则因启动子高甲基化和蛋白降解被抑制。该发现揭示了肝癌发展的潜在分子机制，为肝癌早期诊断和治疗提供了新的靶点。

*该研究揭示了肝细胞癌（HCC）进展中的关键机制。研究发现，代谢性肝病相关脂肪性肝炎（MASH）会触发p53依赖的肝细胞衰老反应，但这种肿瘤抑制反应如何被绕过，进而促进HCC的发生，一直未被明确。研究指出，糖异生酶果糖-1,6-二磷酸酶1（FBP1）是p53的靶基因，在MASH诱导的衰老样肝细胞中表达升高，但在大多数HCC中通过启动子高甲基化和蛋白酶体降解被抑制。FBP1在代谢压力下的前恶性疾病肝细胞及HCC前体细胞中首先下降，与AKT和NRF2的促肿瘤激活相平行。通过加速FBP1和p53的降解，AKT和NRF2增强了先前衰老的HCC前体细胞的增殖和代谢活性。该研究揭示了NRF2–FBP1–AKT–p53代谢开关如何逆转衰老并促进增殖，从而推动MASH到HCC的进展，并加速DNA损伤引发的体细胞突变积累。

【5】High-resolution genomic history of early medieval Europe（早期中世纪欧洲的高分辨率基因组历史）：本研究通过一种名为Twigstats的基因谱系重建方法，提供了关于欧洲早期中世纪人群遗传历史和迁移模式的高分辨率数据。该研究有助于加深对欧洲古代人群流动性、种群间关系以及文化演变的理解。

【6】A collicular map for touch-guided tongue control（触觉引导舌头控制的中脑图谱）：研究发现小鼠的舌头控制依赖于中脑的触觉传感运动图谱，这一发现类似于其他物种中与视觉引导定向相关的中脑图谱。该研究拓展了我们对感官运动协调和触觉神经机制的理解，具有潜在的神经科学和康复医学应用。

*具体而言，该研究揭示了舌头控制的神经机制，尤其是在动态触觉引导下的舌头定位。研究利用高速视频技术观察小鼠在喝水时舌头的三维运动，并发现当水嘴位置突然变化时，小鼠能够根据舌头表面不同部位的触觉信号重新调整舌头位置以准确继续舔水。触觉引导的重新定位不受舌头感觉、前运动和运动皮层的光照失活影响，但在侧上丘（latSC）光照失活时，表现出明显的功能障碍。电生理记录显示，latSC神经元具有机械感受野，能够处理精确的触觉事件，并在舌头中心、头部中心或联合参考框架中进行编码。更重要的是，这些神经元还编码了接触前的舌头位置，支持舌头到头部坐标转化，确保准确的触觉引导。病毒追踪显示舌头的感觉输入来自舌三叉神经核，而在latSC的光学微刺激实验揭示了一个舌头定位的拓扑图。研究表明，舌头的触觉引导控制依赖于侧上丘的机械感知运动图，这类似于多物种中与视觉引导定位相关的上丘视觉运动图。

【7】Brain-wide cell-type-specific transcriptomic signatures of healthy ageing in mice（小鼠健康衰老的脑区特异性细胞转录组标志）：通过单细胞RNA测序，研究揭示了正常衰老过程中小鼠大脑各细胞类型的转录组变化。这些变化为研究衰老对大脑功能的影响以及衰老与疾病之间的相互作用提供了重要的分子标记和潜在靶点。

*具体而言，该研究通过对年轻和衰老小鼠大脑的单细胞RNA测序，提供了约120万份高质量的单细胞转录组数据，涵盖了前脑、中脑和后脑的不同区域。研究发现，通过高分辨率聚类分析，识别出847个细胞簇，其中至少14个与年龄相关，主要是胶质细胞类型。该研究还揭示了与年龄相关的基因表达特征，列出了2449个差异表达基因（age-DE genes），这些基因在不同的神经元和非神经元细胞类型中有不同的表现。研究发现，大多数与年龄相关的基因在特定细胞类型中具有独特的表达模式，但也观察到在多种细胞类型中存在共同的衰老特征，包括神经元结构和功能相关基因的表达下降，以及免疫功能、抗原呈递、炎症和细胞运动相关基因的表达上升。此外，研究还发现，脑部第三脑室周围的某些细胞类型（如 tanycytes、室管膜细胞和一些下丘脑特定神经元类型）对衰老的敏感性较高，这些细胞类型与能量稳态相关的基因有显著变化，表现出神经功能的下降和免疫反应的增强。研究结果表明，第三脑室可能是小鼠大脑衰老的关键区域。

【8】Non-Abelian lattice gauge fields in photonic synthetic frequency dimensions（光子合成频率维度中的非阿贝尔晶格规范场）：研究介绍了一种使用光子合成频率维度的非阿贝尔晶格规范场，用于在可扩展且可编程的方式中研究晶格物理。这项研究为量子物理学、拓扑量子计算和光子学等领域提供了新的研究方向。

【9】Formation of individual stripes in a mixed-dimensional cold-atom Fermi–Hubbard system（在混合维度冷原子Fermi-Hubbard系统中形成单独条纹）：该研究描述了在混合维度冷原子Fermi-Hubbard量子模拟器中观察到的单独条纹的形成。这一发现有助于深入理解高温超导材料的相图，并探讨电荷对和条纹之间的关系，推动了量子物理和凝聚态物理领域的发展。

【10】Monoallelic expression can govern penetrance of inborn errors of immunity（单等位基因表达可控制先天免疫缺陷病的表现型渗透性）：该研究揭示了选择性基因等位基因表达在先天免疫缺陷病中的作用，表明单基因遗传病的临床表现不仅与突变相关，还与转录型（'transcriptotype'）相关。该发现为理解免疫缺陷病的发病机制提供了新的视角。

【11】Infrared nanosensors of piconewton to micronewton forces（红外纳米传感器测量皮牛顿至微牛顿范围的力）：本研究开发了一种能够测量皮牛顿至微牛顿范围力的新型红外纳米传感器，利用光子雪崩过程的机械灵敏性获得卓越的力学响应。此技术在纳米技术、生物力学、传感器开发等领域具有重要应用。

【12】Dysregulation of mTOR signalling is a converging mechanism in lissencephaly（mTOR信号通路失调是大脑皮层平滑症的汇聚机制）：研究表明，mTOR通路的低激活在两种遗传不同的大脑皮层平滑症谱系障碍中起着重要作用。该研究揭示了mTOR信号失调与神经发育性疾病之间的关系，对该病的早期诊断和治疗具有潜在意义。

【13】Diversity and biogeography of the bacterial microbiome in glacier-fed streams（冰川喂养溪流中细菌微生物组的多样性和生物地理学）：通过代谢条形码技术和宏基因组学，研究调查了152条冰川喂养溪流中的细菌微生物组，提供了关于气候变化影响冰川喂养生态系统的全球参考。这项研究对气候变化下微生物生态学的发展具有重要意义。

【14】Magnetospheric origin of a fast radio burst constrained using scintillation（通过闪烁限制快速射电暴的磁层起源）：该研究通过探测快速射电暴的闪烁现象，表明其发射过程可能发生在紧凑天体的磁层内或其外部。这为理解快速射电暴的源和机制提供了新的线索，并推动了天体物理学的研究。

【15】Structural diversity of axonemes across mammalian motile cilia（哺乳动物运动性纤毛轴突膜的结构多样性）：通过冷冻电子显微镜、冷冻电子层析和蛋白质组学技术，研究揭示了哺乳动物精子鞭毛和上皮纤毛（如输卵管、脑室和呼吸道）的96纳米模块化重复结构。这为理解纤毛功能的多样性和纤毛相关疾病提供了结构性基础。

【16】Gliomagenesis mimics an injury response orchestrated by neural crest-like cells（胶质瘤发生模拟由神经脊源细胞主导的损伤反应）：研究表明，胶质母细胞瘤的小鼠模型、磁共振成像（MRI）和单细胞谱系分析揭示了从肿瘤发生到最终阶段的细胞状态变化。这为深入了解胶质瘤的发生机制和可能的治疗靶点提供了新见解。

*该研究揭示了胶质母细胞瘤早期形成的机制。研究通过条件基因删除和谱系追踪，结合磁共振成像，跟踪肿瘤小鼠模型中的肿瘤形成过程。研究发现，早期肿瘤细胞表现出神经脊层类似的基因表达特征，这些细胞在肿瘤早期数量丰富，但在晚期减少。基因组分析表明，这些神经脊层样状态是肿瘤生长过程中异质性克隆层级的一部分。通过研究正常小鼠脑部的损伤反应，研究者发现类似的细胞签名在损伤后出现，并随着时间推移消失，表明肿瘤形成过程中激活了损伤反应程序。实验进一步揭示，脑部在癌基因激活后会出现一种非恶性、类似损伤的微环境。

【17】Abrupt changes in biomass burning during the last glacial period（上一个冰期期间生物量燃烧的突变）：研究发现，野火的扩展和相关温室气体排放与上一个冰期的气候变化之间存在直接联系。这项研究为气候变化和环境历史的研究提供了新的数据支持。

【18】A pulsar-like polarization angle swing from a nearby fast radio burst（来自附近快速射电暴的类似脉冲星的极化角变化）：FRB 20221022A（由加拿大氢强度映射实验快速射电暴项目发现）在暴发过程中显示出显著的极化变化，为研究快速射电暴的源和特性提供了宝贵线索。

【19】Learning the fitness dynamics of pathogens from phylogenies（从系统发育学角度学习病原体的适应性动态）：通过一种创新的系统发育方法Phylowave，研究能够识别识别适应性增强的主要循环病原体谱系和相关的遗传变化，从而能够及时识别紧急菌株并部署有针对性的干预措施。

【20】Aspartate signalling drives lung metastasis via alternative translation（天冬氨酸信号驱动肺部转移通过替代翻译）：这篇研究探讨了肿瘤微环境中的天冬氨酸如何通过激活癌细胞中的N-甲基-D-天冬氨酸受体（NMDA受体），促进细胞程序的变化，从而增强肺部转移的侵袭性。此研究有助于揭示肿瘤转移的分子机制，并可能为开发新的抗转移治疗策略提供靶点。

*该研究揭示了肺部天冬氨酸在乳腺癌肺转移中的作用。研究发现，乳腺癌患者和小鼠的肺间质液中天冬氨酸浓度较高，这种外源性天冬氨酸激活了癌细胞中的NMDA受体，触发了一个细胞信号传导级联反应，促进了转化程序的激活，从而增强了肺转移的侵袭性。具体来说，天冬氨酸通过促进CREB依赖的脱氧高脯氨酸羟化酶（DOHH）表达，进而支持eIF5A的假尿嘧啶化作用，这一翻译后修饰对于非经典翻译起始因子的活性至关重要。该过程通过TGFβ信号通路促进肺部转移的乳腺癌细胞合成胶原蛋白。研究在乳腺癌患者的肺转移中检测到了这一机制的关键蛋白质。总之，研究发现天冬氨酸作为一种经典的生物合成代谢物，在肺部环境中作为细胞外信号分子，促进了转移瘤的侵袭性。

【21】Centrophilic retrotransposon integration via CENH3 chromatin in Arabidopsis（拟南芥中通过CENH3染色质的中心亲和性逆转录转座子整合）：该研究揭示了拟南芥中逆转录转座子如何通过特定的中心粒蛋白（CENH3）染色质区域进行整合，并探讨了这种机制在染色体的快速进化和基因组重排中的作用。研究对于理解真核生物基因组的动态变化以及染色体演化具有重要的理论价值。

【22】The progression of basaltic–rhyolitic melt storage at Yellowstone Caldera（黄石卡尔德拉玄武岩-流纹岩熔体储存的演化进程）：通过研究黄石卡尔德拉下部地壳的电阻率结构，本文提出目前黄石火山的岩浆储藏区尚不具备喷发条件，并且未来的火山活动可能会发生在黄石卡尔德拉东北部。该研究为火山学和地震学提供了有关黄石火山活动预警的最新数据。

【23】Sleep microstructure organizes memory replay（睡眠微结构组织记忆重放）：这项研究发现大脑的睡眠微结构能够在睡眠过程中多路复用不同的认知过程，从而支持持续学习。研究揭示了睡眠在记忆巩固和学习过程中所扮演的复杂角色，对神经科学、认知心理学和教育学等领域有着深远影响。

以下是本期Nature封面内容链接：
https://www.nature.com/nature/volumes