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生物学

Biology

【封面故事】Acoustic reporter genes for noninvasive imaging of microorganisms in mammalian hosts

通过声学报告基因对哺乳动物宿主体内微生物进行无创成像

Mikhail G. Shapiro, Raymond W. Bourdeau, et al.

图片来源： Barth van Rossum/Caltech

（导读 郭怿暄）基于光学的成像技术难以对哺乳动物深层组织中的微生物定位。本研究在细菌中导入声学报告基因，使其表达纳米级的充气蛋白质，利用超声波实现了可穿透深层组织，并具有高空间分辨率的无创成像。实验证明该基因可在大肠杆菌和伤寒沙门氏菌中表达，并在胃肠道和肿瘤内部准确定位。这一技术将促进哺乳动物微生物研究，以及细胞水平的诊断和治疗手段的开发。

Cyclin D–CDK4 kinase destabilizes PD-L1 via cullin 3–SPOP to control cancer immune surveillance

Cyclin D-CDK4 激酶通过 Cullin 3-SPOP 降低 PD-L1 稳定性以调控癌症免疫监视

魏文毅（哈佛大学医学院）, Gordon J. Freeman, Piotr Sicinski, et al.

（导读 卓思）许多癌症患者对靶向 PD-1/PD-L1 的免疫检查点靶向疗法无反应。本文发现 Cyclin D-CDK4 和 Cullin3-SPOP E3 连接酶通过蛋白酶体降解途径来控制 PD-L1 蛋白丰度。在小鼠癌症模型中，CDK4/6 抑制剂与抗 PD-1 免疫疗法相结合可增强肿瘤治疗效率。

Senescence-associated reprogramming promotes cancer stemness

衰老相关的重编程提高癌细胞干性

Clemens A. Schmitt, Maja Milanovic, et al.

（导读 卓思）控制细胞衰老的因子也对干细胞有调节作用。本文调查了化疗介导的细胞衰老是否可改变恶性细胞的干细胞特征，发现在小鼠模型和人源癌细胞/癌组织中，与化疗后未发生衰老的细胞相比，化疗后发生衰老的细胞的细胞干性有所增强，具备更高的诱发癌症的能力。这一发现扩展了我们对癌细胞可塑性的认识，并为癌症治疗提供启发。

Therapeutic targeting of ependymoma as informed by oncogenic enhancer profiling

由致癌增强子分析得到的室管膜瘤治疗靶标

Marcel Kool, Michael D. Taylor, Jeremy N. Rich, et al.

（导读 严冰）室管膜瘤是具有化学疗法抗性的一类脑瘤，目前缺乏有效的分子靶标。本文通过对 42 个原发性室管膜瘤的活跃染色质区域进行定位，发现一系列肿瘤相关的超级增强子相关基因。对这些位点的抑制可以削弱患者来源神经干细胞球的增生，并增加了小鼠模型的存活率。该研究说明转录增强子分析有助于建立抗癌靶点的框架。

Structure of the glucagon receptor in complex with a glucagon analogue

与胰高血糖素类似物结合的胰高血糖素受体（GCGR）的结构

吴蓓丽, 赵强（中科院上海药物所）等

（导读 阿金）B 型 G 蛋白偶联受体（GPCR）对维持体内激素水平至关重要，限于分辨率水平，尚未清楚其与多肽配体间的分子互作机制。本研究测定出分辨率达到 3.0 埃的人 GCGR 全长蛋白与多肽配体胰高血糖素类似物（NNC1702）结合的复合物三维晶体结构，揭示两者之间结合的精细模型和信号调控机制，扩展了对已有的 B 型 GPCR 双结构域肽结合模型的理解。

Structure of the complement C5a receptor bound to the extra-helical antagonist NDT9513727

与螺旋外侧拮抗剂 NDT9513727 结合的 C5a 受体结构

Fiona H. Marshall, Nathan Robertson, et al.

（导读 阿金）补体通路产生的补体 C5a 分子与其受体 C5aR1 结合后可促进炎症发生，靶向此过程将可能治疗多种相关疾病。本研究解析了热稳定 C5aR1 与小分子竞争性拮抗剂 NDT9513727 相结合的结构，确认小分子结合位点位于主体螺旋束之外的螺旋外侧，并揭示了该拮抗剂物种选择性的分子基础。

Convergent evolution of bilaterian nerve cords

两侧对称动物神经索的趋同进化

Andreas Hejnol, José M. Martín-Durán, et al.

图片来源：nature.com

（导读 郭怿暄）两侧对称动物普遍拥有类似的居中腹侧神经索，但这一特征的进化历史尚不清楚。本研究通过对异腔动物，轮形动物，纽形动物，腕足动物，环节动物中的代表物种进行研究，发现它们神经索中的背腹分子区域化分布模式并不保守，表明在两侧对称动物中相似的背腹模式以及躯干的神经解剖是彼此独立进化出来的。

Sooty mangabey genome sequence provides insight into AIDS resistance in a natural SIV host

乌黑白眉猴基因组序列为天然 SIV 宿主的抗艾滋病能力提供线索

Guido Silvestri, David Palesch, et al.

（导读 郭怿暄）乌黑白眉猴是猴免疫缺陷病毒（SIV）的天然宿主，除高病毒血症外并不具有致病性。本研究通过对乌黑白眉猴的基因组进行测序装配，并与艾滋病易感的人类和恒河猴进行比较分析，发现若干免疫相关基因序列表现出差别，其中包括 TLR4 基因的 C 末端移码改变，ICAM-2 基因第 3、4 个外显子上的主要结构改变。这些数据为研究 HIV 和 SIV 致病以及乌黑白眉猴对艾滋病的抵抗力提供帮助。

MicroRNAs from the parasitic plant Cuscuta campestris target host messenger RNAs

寄生植物原野菟丝子（Cuscuta campestris）的 miRNA 靶向宿主 mRNA

Michael J. Axtell, Saima Shahid, et al.

（导读 寒雨）菟丝子属植物利用吸器从宿主茎部吸收水分和养料，病毒、蛋白质和 mRNA 等可通过吸器在菟丝子与宿主间双向交换，但这一交换的功能未知。本研究发现，原野菟丝子寄生拟南芥过程中，吸器中积累了大量罕见的新型 miRNA，长度多为 22 核苷酸。该 miRNA 可作为致病因子跨物种调节宿主靶向基因的表达，以影响寄主生活。

物理学

Physics

Exploring 4D quantum Hall physics with a 2D topological charge pump

用二维拓扑电荷泵探索四维量子霍尔系统

Immanuel Bloch, Michael Lohse, et al.

（导读 阿金）物质拓扑态的发现极大地促进了人们对物理系统相变的了解。本研究利用光学超晶格内的超冷玻色原子调控二维拓扑电荷泵，实现了四维量子霍尔效应的动态版本，并且利用少量原子作为局部探针，完全地表征了该系统的非线性响应。这为在实验上研究高维量子霍尔系统开辟了新道路。

Photonic topological boundary pumping as a probe of 4D quantum Hall physics

利用光子拓扑边界泵浦研究四维量子霍尔系统

Oded Zilberberg, Mikael C. Rechtsman, et al.

（导读 阿金）理论上量子霍尔效应可推广到四维空间，但目前仍无法在实验上实现四维量子霍尔效应。本研究使用可调控的二维光子波导阵列，实现了动态生成的四维量子霍尔系统。由于特殊构造，系统的能带结构具有四维拓扑不变量（第二类陈数），研究人员也观测到了四维量子霍尔响应的特征。这为研究高维拓扑物理提供了新平台。

其他

【Astronomy-天文】Galaxy growth in a massive halo in the first billion years of cosmic history

初期宇宙中的大质量星系

D. P. Marrone, J. S. Spilker, et al.

图片来源：NRAO/AUI/NSF; D. Berry

（导读 刘晓娟）目前认为宇宙中多数大质量结构的“种子”在大爆炸后不久便开始形成。本研究报告了一个宽场巡天中发现的红移为 6.900 的远红外线发光天体，高分辨率成像显示这是一对极大质量的恒星形成星系。它们拥有 350 亿个太阳质量的恒星，每年约能形成 540 个太阳质量的恒星，但包含的气体和尘埃数量比周围星系要少一个量级。这类天体有可能是暗物质晕。

【Geoscience-地球科学】Mean global ocean temperatures during the last glacial transition

末次冰期消融期间全球海洋平均气温变化

Bernhard Bereiter, Sarah Shackleton, et al.

（导读 刘六六）由于观测数据和历史重建缺乏，海洋气温对气候变化的长期相应机制未知。本研究发现末次冰期转换期间，全球海洋平均气温上升 2.57±0.24 ℃，模型重建显示其与南极温度密切相关，与大气 CO2 含量无先行或滞后，证实了南半球对全球气候趋势的重要作用，并揭示早新仙女木时期有 700 年间的变暖超过了现代海洋吸纳热量的估计。

【Materials-材料】One-pot growth of two-dimensional lateral heterostructures via sequential edge-epitaxy

二维横向异质结构的一锅法合成

Prasana K. Sahoo, Humberto R. Gutiérrez, et al.

（导读 阿金）目前单步或多步生长过程合成过渡金属硫族化合物横向异质结构的方法缺乏控制灵活性。本研究报告了一锅法合成横向异质结构：利用单个非均质固体源，通过在水蒸气条件下改变反应气体环境的组成，实现选择性控制，连续生成由过渡金属硫族化合物单分子层组成的横向多结异质结构。该方法可扩展至其他二维材料。

【Chemistry-化学】Perovskite nickelates as electric-field sensors in salt water

钙钛矿镍酸盐可用作盐水溶液中的电场传感器

Shriram Ramanathan, Zhen Zhang, et al.

（导读 卓思）本研究展示了一种可以在电场驱动下发生水介导可逆相变的钙钛矿结构镍酸盐材料 SmNiO3。这种强关联量子材料在盐水中稳定，抗腐蚀，能在环境温度下与水交换质子并同时发生电阻和光学性质的改变。该材料可用于制作热敏电阻和 pH 传感器等，以监测海洋中由海洋生物和船只引发的电信号改变。

【Ecology-生态】Unexpectedly large impact of forest management and grazing on global vegetation biomass

森林管理和放牧对全球植被生物量有意想不到的巨大影响

Karl-Heinz Erb, Thomas Kastner, et al.

（导读 寒雨）植被中的碳储量在气候系统中起着关键的作用。本研究利用最先进的数据库，揭示当前植被碳储量为 4500 亿吨，而若无土地利用，其潜在碳储量可达 9160 亿吨。结果表明，碳储量损失的 53-58% 由土地植被变化造成，42-47% 源自同等植被下的土地管理效应。因此，避免森林采伐是必要的，但不足以缓解气候变化。

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▽ 论文导读

· Nature 一周论文导读 | 2017 年 12 月 21 日

· Science 一周论文导读 | 2017 年 12 月 22 日

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