2014年03月06日《自然》杂志精选

封面故事：Cas9–RNA怎样“审查”DNA？

DNA interrogation by the CRISPR RNA-guided endonuclease Cas9

基于CRISPR/Cas9的DNA靶向很快成为合成生物学和基因组工程领域的一个领先工具。它利用由一个由RNA分子引导的细菌核酸内切酶 “Cas9”能够定位几乎任何相匹配目标DNA序列的特性来进行结合和/解理。本期Nature上发表的一项研究，报告了利用单分子和宏观生化实验来揭示RNA-引导的Cas9定位DNA基因组(它们可以有数十亿碱基对长)内独特的20-碱基对序列的机制。该研究的结果突显了一个三核苷酸protospacer adjacent motif (简称PAM，在封面图片上为黄色)在将Cas9–RNA复合物向潜在DNA目标点上招募中以及在催化激活核酸酶(在封面图片上为棕色)中所起作用。目标DNA序列是通过一个 “zip-up”机制被识别的，在此过程中RNA–DNA碱基对(红色)的序列信息抵消展开DNA双螺旋(紫色和蓝色)的能量成本。除了对于基因操纵的意义外，这项研究也揭示了DNA是怎样被Cas9–RNA (以细菌适应性免疫的一个效应子的角色)审查的。（doi: 10.1038/nature13011）详细报道 Nature：揭开Cas9基因组编辑核心谜团

流感病毒未来演变的预测方法

A predictive fitness model for influenza

Marta Łuksza 和Michael Lässig提出预测流感病毒未来演变的一个计算方法。他们根据来自以前全部毒株的种群-遗传数据建立了关于流感血凝素蛋白的一个适应性模型，该模型使其能够预测当前进化枝的未来演变。这一计算模型有望改进对疫苗株的选择。（doi: 10.1038/nature13087 & doi: 10.1038/nature13054）详细报道 Nature：科学家建立预测流感病毒演化的新模型

细胞通过重新编程来更新

Cell-autonomous correction of ring chromosomes in human induced pluripotent stem cells

环形染色体是结构畸变，经常与出生缺陷、智残和生长迟滞相关。Shinya Yamanaka及同事从包含具有大删除的环形染色体的患者成纤维细胞获取了人“诱导多能干”(iPS)细胞，发现重新编程的细胞失去异常染色体，并通过补偿性“单亲二体”机制复制野生型同源染色体。因此，iPS细胞具有清除受损非常严重的染色体的内在功能，后者具有涉及数百兆碱基DNA的环形结构和删除。作者提出，细胞重新编程也许发挥一个与人们所熟知的非常不同的功能，充当一个“染色体治疗”手段，来逆转细胞中涉及很多基因的功能丧失连同涉及环形结构的大规模畸变。（doi: 10.1038/nature12923）详细报道 Nature：iPS技术可校正大规模染色体缺陷

言语处理的双侧性

Sensory–motor transformations for speech occur bilaterally

人们长期认为言语感知和产生是相联系的，但这种联系背后的神经机制以及其中任何一个功能的半球单侧化问题仍不清楚。在这项研究中，Bijan Pesaran及同事揭示，感觉运动转变是双侧发生的，因而说明存在一个有关言语的双侧感觉-运动系统。这与单侧化至左半球的高等级语言过程形成对比。（doi: 10.1038/nature12935）详细报道 Nature：颠覆传统认知，语言并非单侧性

老树的重要性

Rate of tree carbon accumulation increases continuously with tree size

老龄林和它们的叶子比新森林固氮量小，但这个规律是否适用于单个树木？这项研究利用对超过400个树种所做的一项全球性分析显示，它并不适用。相反，较大和较老的树要比较年轻和较小的树更快地积累碳。这一点可以通过将随着年龄增长叶子数量增加和森林密度降低考虑进去之后而在其他层面上所产生的效应得到解释。大树的快速生长意味着，相对于它们的数量来说，它们在森林对陆地碳循环和全球气候系统的反馈中可能会发挥一个与其数量不相称的重要作用。（doi: 10.1038/nature12914）

多功能的硝酸盐转运机制

Molecular basis of nitrate uptake by the plant nitrate transporter NRT1.1

Crystal structure of the plant dual-affinity nitrate transporter NRT1.1

土壤中的硝酸盐(植物生长的一种主要营养物)水平可以相差巨大。因此植物需要一个多功能机制来从环境中获取硝酸盐。在模型植物拟南芥中，双亲和性转运分子NRT1.1能吸收一系列不同浓度的硝酸盐，根据一个关键的苏氨酸残基的磷酸化状态从低亲和性模式向高亲和性模式切换。本期Nature上发表的两项研究描述了全长度NRT1.1的晶体结构，为了解这种转录后修饰怎样在低亲和性和高亲和性状态之间切换该转运分子提供了信息。（doi: 10.1038/nature13116 & doi:10.1038/nature13063 & doi:10.1038/nature13074）

紫外线诱导的黑素瘤转移

Ultraviolet-radiation-induced inflammation promotes angiotropism and metastasis in melanoma

紫外线(UV)辐射已知诱发黑素瘤，但UV辐射是否会以及怎样通过其对微环境的效应来间接影响黑素瘤发病却不清楚。在这项研究中，Thomas Tüting及同事发现，让小鼠以一种模仿轻度晒伤的方式接触UV辐射，会促进黑素瘤转移。它是通过诱导染色质蛋白HMGB1从受损皮肤细胞的释放来起这种作用的。HMGB1诱导炎症，后者又促进血管生成和黑素瘤细胞迁移和转移。作者发现，在这一模型黑素瘤中，细胞是在一个被称为“血管向性”的过程中沿血管的“管腔侧”扩散的，这个过程已在患者身上被观察到，但迄今尚未从机制上得到解释。这些发现对于将UV辐射作为患黑素瘤的一个风险因素进行评估来说具有重要意义。（doi: 10.1038/nature13111 & doi: 10.1038/nature13062）

新型分子准晶材料

Self-assembly of hydrogen-bonded two-dimensional quasicrystals

在其中观察到非周期性准晶序的系统范围还在继续扩大，小分子自组装单层材料现在也进入了这一范畴。具体来讲，Natalie Wasio及同事发现，二茂铁羧酸的氢键模式驱动这些分子组装成不寻常的环形五聚物，其五倍对称性有助于形成一个二维准晶排列。作者预测，很多不同新型准晶超分子聚合体有可能基于这一分子框架而形成。（doi: 10.1038/nature12993）

将弱无线电波转化成激光信号的新方法

Optical detection of radio waves through a nanomechanical transducer

从医学成像和射电天文学到导航和无线通信的很多应用都依赖于很弱射频微波的忠实传输和检测。在这项研究中，Eugene Polzik及同事演示了这一领域的一个全新功能——利用一个纳米机械振荡器将弱的无线电波转化成激光信号。该振荡器(由氮化硅制成的一种膜片)能同时与从其表面发射的无线电信号和光耦合，这一特点被用来以达到量子极限的灵敏度将无线电信号作为光相移来测量。与现有检测器相比，这种方法的优势是能在室温下工作，所产生的信号也可以被轻易传输到标准光纤中。（doi: 10.1038/nature13029 & doi: 10.1038/507045a）

橄榄石怎样变形？

Disclinations provide the missing mechanism for deforming olivine-rich rocks in the mantle

橄榄石是最丰富的上层地幔矿物质，同时在一系列热力学条件下也是最“软弱”的，所以它在应力下的变形是对地幔行为的一个重要约束条件。Patrick Cordier等人发表了关于橄榄石聚集体变形的一个模型，它将旋转缺陷(被称为“旋错”)的运动也包括在内，这是在以前的地幔流变学研究中被忽略的一个因素。作者的结论是，这种“旋错”运动有可能为描述橄榄石中的“塑流”提供所缺失的机制，这将使研究人员能够对上层地幔的流变学进行从原子尺度到大尺度地幔流的多尺度模拟研究。（doi: 10.1038/nature13043 & doi: 10.1038/nature13064）