Nature一周论文导读｜2024年8月29日

审校 小勺 小冰 小象

制版 阿金

（导读 阿金）基因表达或者信号转导活动测量通常通过在时间框架内破坏生物样本或活体成像生物样本来实现。本研究报告了一套替代性范式：增强子驱动的基因组记录多路复用中的转录活动（ENGRAM），可将上述生物活动稳定记录到基因组上。基于信号依赖的先导编辑 RNA（pegRNAs）生成并介导将信号特异的条纹码（符号）插入基因组编码的记录单元。研究人员借助该策略实现数十至上百个顺式调控元件的多路复用记录，并保持了高保真度、灵敏度和可复现性。[论文详细信息]

（导读 才生）T 系急性淋巴细胞白血病（T-ALL）是高风险肿瘤，目前尚未得到完全的基因组表征。本研究绘制出 1300 多名 T-ALL 儿童、青少年和年轻人机体的整个基因组特征，发现大约 60% 驱动 T-ALL 癌细胞的遗传改变都是非编码的改变，其中有很多都是增强子扰动事件。研究人员还观察到了 T-ALL 患者机体中基因改变类型和患者预后之间的明确关联。该结构有助于更好地理解疾病生物学背后的机制，也有望帮助开发治疗疾病的新型创新性疗法。[相关报道：儿童 T 细胞急性淋巴细胞白血病的多组学分析]

（导读 严冰冰）本文探究安慰剂效应的神经机制，训练小鼠建立对疼痛缓解的预期，产生安慰剂样的镇痛作用。这种安慰剂效应由喙部前扣带回（rACC）向脑桥核（Pn）的投射介导；在体钙成像和离体脑片电生理记录发现对疼痛缓解的预期可激活 rACC→Pn 神经元，促进神经递质传递，且 Pn 神经元转录组表现出阿片类受体富集。抑制 rACC→Pn 通路可干扰安慰剂镇痛效果、降低疼痛阈值，而激活该通路可在没有安慰剂时促进镇痛。最后，在预期得到疼痛缓解时，浦肯野细胞的活动特征与 rACC→Pn 神经元类似，提示小脑可能参与疼痛的认知调控过程。上述结果提示，靶向前额叶皮层-脑桥-小脑通路有助于治疗疼痛。[相关报道：揭开“安慰剂效应”的奥妙！最新《自然》发现安慰剂镇痛的神经环路]

（导读 才生）小鼠小肠基因在肠隐窝-肠绒毛轴中的基因表达表现出空间异质性，但是在人体中是否存在类似的空间异质性尚不清楚。本研究通过空间转录组学、空间蛋白质组学以及单分子荧光原位杂交实验全面构建了人类成体近端小肠空间表达图谱，发现多种肠道细胞特异性细胞表达，并对对小肠隐窝绒毛基因表达特征进行了可视化验证。该结果有助于详细理解成年人小肠生理学。[相关报道：人类近端小肠空间表达图谱]

（导读 才生）线粒体内膜嵴作为独立的生物能量单位，经历快速和短暂的重塑，但这种分隔组织的意义尚不清楚。本研究利用超分辨率显微镜发现了线粒体修复所依赖的一种新循环机制：线粒体可以回收局部损伤，去除被称为嵴的受损褶皱，嵴中含有产生能量所需的蛋白质和分子。结果表明这一机制的发现可以为线粒体功能障碍的诊断和治疗提供新目标。[相关报道：精准修复受损线粒体，《自然》研究发现新机制]

（导读 阿金）了解甲烷的来源与沉积对微生物学、生物地球化学、气候科学等诸多领域都有重要意义。本研究报告了来自陆地温泉泉古菌门（Thermoproteota）内一微生物类群 Methanomethylicia 成员：热蛋白菌门 Candidatus Methanosuratincola verstraetei 菌株 LCB70 的培养成果，证明这类嗜热古菌通过甲基还原氢营养甲烷生成的方式生长。而低温电子断层扫描揭示了 Ca. M. verstraetei 是拥有古菌与化学受体阵列的球状细胞，可形成细胞间“桥梁”以连接两到三个具有连续细胞质与S层的细胞。结果表明这类微生物可能对不同缺氧栖息地内的碳循环发挥重要作用。[论文详细信息]

（导读 领研网）产甲烷古菌在地球生命起源进化、全球气候变化和碳素循环中起着重要作用。本研究利用自主研发的鸡尾酒分离法，首次分离获得佛斯特拉门古菌纯培养物（LWZ-6），并证实了该古菌具有氢依赖代谢甲基类物质产甲烷的生理功能，但不具有发酵生长能力。该结果将为研究全球碳循环机理和低碳技术研发提供新型生物资源基础。[论文详细信息]

（导读 领研网）癌症的发生与众多因素有关，从分子层面可能来自各种基因突变或者基因损伤。本研究发现肠道内部原本和谐共处的肠道菌群竟然会成为促癌帮凶，它们将特定外界污染物代谢后，会产生出新的促癌物质散播到组织中，提升癌症发生风险。通过关注膀胱癌的发生过程，发现肠道是促癌氧化代谢产物 BCPN 最大的生产基地，多种不同的肠道菌亚群对 BBN 的氧化有促进作用。该结果揭示了肠道微生物在癌症发展过程中的作用，以及环境分子在进入体内后致癌的一条全新通路。[相关报道：“坏人”在内部，肠道菌这次坏事了！《自然》发现它们能加工促癌分子，远程诱发癌症]

（导读 才生）太空飞行会诱导宇航员体内发生分子、细胞以及生理变化，挑战人体生物医学。本研究报告了人类生物学“空间组学和医学图谱”（SOMA），发现 SpaceX 的“灵感 4 号”任务进行的短期低地轨道太空飞行带来广泛的分子变化，其中一些与长期飞行的效果一致，包括细胞因子水平升高、端粒延长，以及免疫激活、DNA 受损反应和氧化应激的基因表达改变。[论文详细信息]

（导读 才生）本研究报告了 SpaceX 灵感 4 号的数据，4 名平民宇航员在地球上空 590 公里飞行了 3 天，这一位置高于国际空间站。这项任务采用了新的太空飞行硬件和诊断设备。结果发现，短期任务没有给机组人员带来重大健康风险，并且还描述了人体在解剖学、细胞、生理和认知层面适应宇宙飞行的最初阶段。[论文详细信息]

（导读 领研网）借助尖端的成像技术能在细胞内部以单分子的分辨率看清生物分子复杂和动态的相互作用过程。本研究结合先进的单分子操作工具和可视化工具捕捉到 DNA 损伤修复的生物过程：通过“范可尼修复途径”（FA 途径），参与其中的关键修复蛋白——钳状 D2-I 蛋白并没有直接识别 DNA 双链中“黏”在一起的交联点，而是始终在自由地双向滑动，直到遇上障碍物“滑不动”了才停止。结果表明触发 D2-I 复合物停止滑动并夹在 DNA 上启动修复的原来不是交联的 DNA 本身，而是由于交联而停滞的复制叉内的 DNA 结构。[相关报道：细胞里也有现场解说和慢动作回放了！《自然》新研究，看清 DNA 损伤修复的过程]

（导读 领研网）肌肉的发力通过肌纤维收缩来实现，这需要运动神经元对骨骼肌进行控制。对于人类来说，控制骨骼肌收缩的能力并不是一出生就有的。本研究使用冷冻电镜技术获得了肌肉乙酰胆碱受体（AChR）分别在与乙酰胆碱（Ach）结合或不结合时的高分辨率三维结构：从同一个胚胎组织样本中可以同时看到两种版本的 AchR：一种是未成熟的胚胎版本，一种是在成熟神经肌肉接头中的版本。该结果有助于把两种肌肉 AchR 的结构差异与它们的功能差异关联起来。[相关报道：理解肌肉力量的来源，《自然》新研究破解肌肉收缩之谜]

（导读 领研网）所有大质量星系的核心都包含一个超大质量黑洞，这些黑洞吸积产生的反馈常被认为对建立大质量星系的静止发挥关键作用。本研究表明揭示了星系中心黑洞的质量是调制星系中原子氢气体含量的最关键的物理量：中心黑洞质量越高的星系其原子氢气体含量越低。而不同类型的星系却遵循同样的冷气体含量-黑洞质量关系。结果表明冷气体含量-黑洞质量关系为研究星系形成演化提供了全新框架。[论文详细信息]

（导读 小天）目前观测到 24 起快速射电暴（FRB）事件，但只有 FRB1211102 一直在重复发射中。本研究报告 FRB 121102 由一颗被强磁场包围的中子星引起，这个磁场可能是由巨大的黑洞吞噬物质或星云或超新星遗迹内的磁化风产生的。FRB 121102 不仅为天文学家提供了一个更好理解射电暴的机会，也有助于深入了解宇宙中的中子星和磁场。[论文详细信息]

（导读 小天）根据透射光谱对行星大气的探测，科学家认为行星大气明暗交界区域是均质的。本研究报告了系外行星 WASP-39b 的精准轨道参数测量，发现其大气明暗交界区域是非均质的，夜晚的明暗交界区域温度高于早上的区域温度，其碳/氧比率与太阳的一致。通用的行星大气循环模型预测温度差异高峰出现在多云早上的明暗交界区域以及晴朗夜晚的交界区域。[论文详细信息]

（导读 领研网）自 20 世纪 60 年代末以来，飞越地球两极的航天器探测到有一股粒子流从地球大气层流向太空。这股粒子流被称作“极地风”，并且被认为可能是一种尚未发现的电场在起作用。本研究成功测量了地球范围内的电场，该电场控制着极地电离层的结构，可以使电离层高度提升两倍多。该结果有助于了解地球电场是如何随时间的推移，塑造我们的星球以及其他星球的。[相关报道：NASA 测到了寻找已久的地球电场]

（导读 领研网）大气环流模式（GCM）通过描述地球陆地、海洋和大气间的一系列物理过程，预测它们如何影响天气和气候。本研究报告了首个能够生成准确集合预报的机器学习模式：NeuralGCM，该模式将传统基于物理规律的模式与机器学习相结合，可以生成中期和短期的天气预报，以及更长期的气候模拟。通过与真实世界数据及其他预报结果进行了对比， NeuralGCM 对 1~15 天预报的准确率能够与欧洲中期天气预报中心的结果相媲美。[相关报道：新 AI 可准确预测天气和长期气候趋势]

（导读 领研网）笼目晶格是一种特殊的六角晶格，理论预测磁性三角（或六角）晶格体系中有可能实现非常规超导电性。本研究首次合成、表征了新型铬基笼目晶格反铁磁体 CsCr₃Sb₅，并通过压力调控，磁有序或密度波序被逐渐抑制，直至出现超导电性。新发现的铬基笼目超导体 CsCr₃Sb₅ 的 T_c/TF 估算值与典型非常规超导体相当。该结果将有助于解决非常规超导机理问题。[论文详细信息]

（导读 领研网）二维材料可以通过栅压和堆叠改变材料性质。本研究引入了一种采用微机电系统（MEMS）的二维材料单片平台，具有可以动态调控转角并进行原位光学测量。该平台由紧凑且经济高效的微机电结构组成，能够精确地控制两层二维材料之间的距离，可以进行包括接近、旋转和加压等动作。研究人员在转角六方氮化硼（h-BN）的非线性光学磁化率中创建合成拓扑奇点，证明了这项技术的强大功能。该成果有助于加速对堆叠二维材料丰富相空间及其应用的探索。[相关报道：哈佛/伯克利最新 Nature 关注 MEMS 动态转角二维材料]

（导读 领研网）随着自旋电子学的发展，反铁磁材料因其在高密度和超快信息设备中的潜力而引起了广泛关注。本研究提出一种通过扭曲二维反铁磁材料 CrSBr 双层来构建全反铁磁性隧道结的策略：通过扭曲两个 CrSBr 单层，研究人源在零场下实现了超过 700% 的非易失性隧道磁阻比率。   研究还发现，与未扭曲的隧道结相比，扭曲隧道结的 TMR 对温度的依赖性显著减弱。该结果表明通过调整二维反铁磁材料的层间扭曲角度，可以有效解决反铁磁材料在自旋电子器件中应用的磁滞损耗问题。[相关报道：五院院士，再发 Nature 论文在自旋电子器件应用中实现突破]

（导读 阿金）在宇宙起源之初，创造出的物质与反物质之间数量的不对称导致如今我们所熟悉的以物质为主的世界，而这种不对称的起源依旧未知。本研究首次在相对论重离子金碰撞过程中观察到一种全新的反物质超核：反超氢-4，由一个反质子、两个反中子和一个反 Lambda 超子组成。研究人员还测量了反超氢-4 的寿命，将其与正粒子超氢-4 做了比较，验证了物质与反物质之间的对称性。该结果为理解反物质的生成机制提供新思路。[相关报道：科学家观测到迄今最重反物质超核]

（导读 领研网）本研究报告了小分子氢键供体（HBD）催化剂通过重现酶采用的几何预组织原理来加速对映选择性 Michaelis-Arbuzov 反应的 S_N2 步骤。机理和计算结果表明，HBD降低了氯亲核试剂的反应性，但通过将磷鎓阳离子和氯阴离子重组为准备进入 S_N2 过渡态的几何结构，加速了决定速率的脱烷基化步骤。这种新的对映选择性 Arbuzov 反应可高对映选择性地获得一系列 H-膦酸酯，以进行多种衍生化。[论文详细信息]

（导读 领研网）在所有飞行昆虫中，甲虫的翅膀机制最为复杂，虽然对甲虫翅膀折纸式的翅膀折叠已经有大量研究，人们仍不甚了解它们如何展开和缩回后翅。本研究结合高速摄像机和动态相似的飞行机器人，观察到犀金龟在展开和缩回翅膀时使用了被动机制，包括其鞘翅，并以此为基础制作了一个模仿甲虫翅膀被动展开与缩回的微型机器人。该结果有助于改进需在有限或杂乱空间中运作的小型机器人的能力。[相关报道：甲虫翅膀机制启发机器人设计]