Science最新內容精選

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合成生物學的魅力

如同樂高玩具一樣建造的細菌顯示出合成生物學向基因模塊的設計和建造發展的潛力，這種基因模塊可以向已有生物系統中導入新功能，甚至可以建造出新的生物系統。這一新興領域匯集了那些力求理解生命并制造新生物功能的生物學家、物理學家、化學家和工程師。本期雜志特刊關注合成生物學領域研究成果如何幫助我們理解生物學并造福人類的。

走出青藏高原：上新世披毛犀證明冰河期巨型動物的高原起源

嚴寒霜凍的西藏高原可能是在最后的冰期中在北美和歐亞大陸活動的披毛犀牛和其它長著粗毛的耐寒動物的進化搖籃。人們一般認為，更新世的“大型食草動物”是從其在北美和歐亞的較不耐寒的先祖進化而來的，它們隨著氣候的冷卻而適應了那里寒冷的環境。2007年，中科院古脊椎動物與古人類研究所的考察隊，在喜馬拉雅山西部海拔4200多米的扎達盆地中發現的一具完整的上新世披毛犀的頭骨和下頜骨，被命名為西藏披毛犀（Coelodontathibetana）。披毛犀是已絕滅的最著名的冰期動物之一，是犀牛的一種。披毛犀具有非常粗壯的骨架、厚重的皮毛和巨大的鼻角。中科院古脊椎動物與古人類研究所王曉鳴研究員領導科研團隊研究發現，披毛犀顯示出了對寒冷多雪氣候的適應。通過分析該化石的年代及其形體特征得出結論：與其在更新世所對應的犀牛相比，這一犀牛（西藏腔齒犀）在披毛犀系譜中屬于一種相對原始的先祖動物。這一發現提示，這些犀牛首先在其它地區發生氣候變化之前很久就適應了寒冷的西藏高原的氣候，而西藏腔齒犀在氣候變冷的時候已經做好了向亞洲其它地區擴散的準備。西藏披毛犀的更原始形態和更久遠的時間，表明它不僅不是北極圈中發現的冰期動物的“后裔”，相反是它們的“祖先”。來自札達盆地的其它幾種大型動物的化石（包括雪豹、巖羊及西藏羚羊）也發生了類似的對寒冷的適應。這一地區因此可能是在冰川期擴大活動范圍的多種耐寒物種的起始點。

上：披毛犀

下：披毛犀頭骨

南方古猿源泉種MH1的顱內模

南非的南方古猿新種——源泉種，2008年發現于南非馬拉帕洞穴遺址（Malapasite），個體頭骨及頭后骨骼共計81件，涉及MH1和MH2兩個個體。其生存年代距今約195-178萬年，很有可能是由南方古猿非洲種進化而來，與其他南方古猿相比這一物種具有更多的早期人類特征。研究人員通過高質量的同步掃描得到了MH1的虛擬顱內模，發現其額葉總的來說表現出南方古猿的特征，但也有些人類額葉特征的雛形，如嗅球后移。南方古猿源泉種的前額主要結構分析表明MH1前額形狀和組織結構均接近于人類。這些研究結果與從古猿到智人過渡的前額區域的神經逐步重組相一致，但是鑒于MH1顱內體積小，他們不符合過渡前腦逐步擴大的理論。

結構與深度序列分析揭示HIV-1抗體的演化

去年，國家過敏和傳染病研究所（NIAID）疫苗研究中心（VRC）的科學家發現3種HIV抗體，其中2種在能保護人體細胞免受90%以上的HIV病毒的攻擊。這3種抗體是從北美HIV患者的血液中發現的，分別稱為VRC01、VRC02和 VRC03。最近，科學家報道了2位非洲HIV患者血液中的抗體類似于VRC01。研究發現VRC01樣抗體都能以相同方式結合在HIV病毒同一位點上，這表明HIV抗原應該具有類似HIV保守位點的蛋白質副本（稱為CD4結合位點）才能誘導出像VRC01一樣功能強大的抗體。先發現，VRC01樣抗體的基因經歷高達70-90次突變才能轉變成編碼HIV抗體的有效基因。為了合成能誘導VRC01樣抗體的抗原，要指導B細胞中基因突變成殺傷HIV病毒的抗體基因。為了規劃B細胞的演化途徑，科學家測序B細胞中所用抗體的基因，從基因水平上追蹤抗體應對HIV病毒的演化。然后，設計出復雜的生物信息學技術用于破譯文庫中大量遺傳數據。目前，已發現一種可以讀懂文庫中有關VRC01樣抗體的基因信息的方法。

吡嗪酰胺抗結核病的機制：抑制致病菌結核分支桿菌的反式翻譯

吡嗪酰胺是抗擊肺結核的首選藥物，可以顯著縮短結核病的治療周期。復旦大學張穎教授領導的科研團隊找到了吡嗪酰胺在結核分枝桿菌上的標靶，并提出了該藥究竟是如何消滅這些細菌。吡嗪酰胺進入患者體內后，通常會轉化為具有活性的吡嗪酸。當吡嗪酰胺水解成為吡嗪酸后，它會將核糖體蛋白RpsA作為其標靶，而RpsA參與蛋白質的翻譯過程。這種反式翻譯過程對細菌在應激情況下（如饑餓、酸性pH值和缺氧等情況下）處理受損mRNA上的停止運作的核糖體是至關重要的。研究人員認為，吡嗪酰胺能夠抑制這一過程可能是其成功治療結核病的秘密。這種特別的抗結核藥物是結核病療法中唯一無法替換的藥物，因為它能殺滅那些其它藥物無法消滅的持久性的細菌。因此，目前抗結核病的所有候選藥物都與吡嗪酰胺合并使用才能取得最佳的療效。不過通過逐漸深入的研究，也許未來能發現更加有效的藥物。這項研究解釋了吡嗪酰胺的工作機制，有助于開發出更快治療結核病的方法。

沿緯度和海拔梯度β-多樣性的驅動力

理解生物多樣性沿環境梯度的空間變化是生態學的核心議題。沿梯度出現的不同地點物種組成性周轉的差異（β-多樣性）常用于推斷構成群落過程中的變化。我們展示了采樣獨立預測物種庫大小變化引起的β-多樣性的差異。例如，沿緯度和海拔梯度的森林資源清查采樣清楚地顯示熱帶地區和低緯度地區的β-多樣性較高。然而，當校正了物種庫中物種豐度的變化，β-多樣性的變化消失。因此，沒有必要引用溫帶與熱帶生態系統的群落組成不同來解釋全球β-多樣性模式。

“信使號”探測器傳回的水星表面的主要元素組成

圍繞水星運行的“信使號”探測器傳回的X射線熒光光譜表明水星表面組成與其它類地行星不同。相對較高的Mg/Si和較低的Al/Si、Ca/Si比例排除了富含長石礦物地殼的可能性。硫豐度至少比地球或月球的硅酸鹽豐度高十倍。這些觀測結果與地表低鐵豐度一起支持了水星由高還原性前體材料形成，可能是類似于頑火輝石球粒隕石的隕石，或者是無水的彗星塵埃粒子。低鐵和鈦豐度不支持這些元素不透明氧化物是造成水星低而變化的表面反射的原因的假設。