Nature一周論文導讀|2020年11月26日

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生物學

Biology

Spin-enhanced nanodiamond biosensing for ultrasensitive diagnostics

可用於超靈敏診斷的自旋增強納米金剛石生物傳感技術

（導讀 阿金）螢光納米金剛石對於體外生物傳感具有很大應用潛力。本研究將螢光金剛石用作為體外診斷的超靈敏標籤，使用一種微波場來調控放射強度和頻率域分析，以分離出所需信號。研究人員成功實現了8.2x10-19摩爾的檢測極限，其靈敏度是使用金納米顆粒的105倍。該超靈敏量子診斷平臺有望應用於多種診斷測試和疾病的早期診斷，從而讓更多患者和群體受益。[相關報導：量子納米金剛石或將應用於新冠病毒檢測]

The major genetic risk factor for severe COVID-19 is inherited from Neanderthals

重症COVID-19的主要遺傳風險因子是從尼安德特人繼承而來

（導讀 郭懌暄）最近一項遺傳相關研究發現3號染色體上的一個基因簇是感染重症SARS-CoV-2後出現呼吸衰竭的風險位點。另一項研究從3199名COVID-19住院患者和對照個體中發現這一基因簇是SARS-CoV-2感染後出現嚴重症狀和住院的主要遺傳風險因子。本研究發現該風險是由大約50kb的基因組片段引起，是從尼安德特人繼承而來，目前南亞約50%，歐洲約16%的人攜帶該區段。[相關報導：六萬年前的一次浪漫邂逅，讓我們的新冠重症風險高了3倍！]

Microglia-organized scar-free spinal cord repair in neonatal mice

新生小鼠中小膠質細胞組織的無疤痕脊髓修復

（導讀 阿金）哺乳動物脊髓損傷誘導疤痕形成，軸突幾乎無法再生。本研究表明新生小鼠脊髓擠壓損傷後出現無疤痕修復，長投射軸突穿過損傷部位重新生長。新生小鼠的小膠質細胞可分泌纖維粘連蛋白及其結合蛋白，表達胞外、胞內肽酶抑制劑和炎症消除分子，去除該細胞會干擾修復過程，遏制軸突的重新生長。移植新生小鼠或經過肽酶抑制劑處理的成年小鼠小膠質細胞到脊髓損傷的成年小鼠體內，軸突可再生長，改善傷口癒合。[相關報導：新生小鼠的脊髓損傷竟能幾乎完全恢復！究竟是什麼在起作用？]

A molecular cell atlas of the human lung from single-cell RNA sequencing

人肺單細胞RNA測序的分子細胞圖譜

（導讀 郭懌暄）本研究利用基於液滴和平板的單細胞RNA測序技術，對人類肺部所有組織和循環血的75000個細胞進行測序，結合多種細胞注釋方法，建立了人肺細胞圖譜。確定了58個細胞群的基因表達特徵和解剖位置，及其功能。與小鼠數據進行比較，發現17種分子細胞類型在肺進化中獲得或消失。該圖譜為了解肺細胞功能、相互作用，以及在疾病和進化中的改變奠定了分子基礎。[論文詳細信息]

Macrophage-derived glutamine boosts satellite cells and muscle regeneration

巨噬細胞來源的穀氨醯胺促進衛星細胞和肌肉再生

（導讀 王思菲）本研究發現小鼠肌肉損傷及老化的特徵是組織內穀氨醯胺（Gln）受限。低水平Gln促使巨噬細胞提高Gln合成酶（GS）的活性以分泌Gln，但穀氨酸脫氫酶1（GLUD1）會將Gln氧化。Glud1敲除的巨噬細胞中，GS維持高活性以避免Gln短缺。巨噬細胞來源的Gln通過Gln轉運蛋白SLC1A5進入衛星細胞，激活mTOR並促進增殖和分化。該研究結果突出衛星細胞和巨噬細胞間的代謝對話，且GLUD1可作為讓受損或老化肌肉再生的治療靶點。[論文詳細信息]

DNA targeting and interference by a bacterial Argonaute nuclease

通過細菌Argonaute核酸酶靶定並幹擾DNA

（導讀 阿金）真核Argonaute家族蛋白通過小RNA引導定位mRNA靶標調控基因表達並抑制轉座子。本研究分析了丁酸梭菌Argonaute核酸酶（CbAgo）在體活性，發現CbAgo靶定多拷貝遺傳元件，抑制質粒擴增和噬菌體感染。CbAgo誘導同源序列的DNA幹擾，觸發DNA降解。其裝載到靶點特異的小DNA依賴內在內切酶活性和細胞雙鏈斷裂修復機制。該結果確認了產生DNA幹擾的引導機制，提出原核防禦系統對於外來核酸的識別涉及通用原理。[論文詳細信息]

Host ANP32A mediates the assembly of the influenza virus replicase

宿主ANP32A介導流感病毒複製酶的組裝

（導讀 阿金）A型禽流感病毒的RNA聚合酶（FluPolA）在人類細胞中活性不高，但它的突變體E627K可以在人類細胞中高效複製病毒RNA。本研究解析了人/雞ANP32A與FluPolC相結合的冷凍電鏡結構，並由此分析了上述現象的原因。該複合物中，ANP32A將兩個FluPol分子連接為不對稱的二聚體，其中一個行使複製酶功能，另一個將初始複製產物組裝為病毒核糖核蛋白複合體，為病毒基因組複製提供平臺。[相關報導：範海天等揭示宿主因子ANP32A介導流感病毒複製酶的組裝]

Cell-type-specific 3D epigenomes in the developing human cortex

發育中的人類皮質內細胞類型特異性3D表觀基因組

（導讀 阿金）由於樣本可及性和組織異質性，難以研究人類大腦皮質生成過程中的譜系特異性表觀遺傳變化。本研究從處在妊娠中期的人類皮質樣本中分離出放射狀膠質細胞、中間祖細胞、興奮性神經元和中間神經元，表徵了這些細胞的細胞類型特異性順式調控染色質相互作用、開放的染色質峰值和轉錄組學。所獲得的結果有助於闡明人類皮質發育過程中的相關基因表達模式、基因調控和譜系特異化機制。[相關報導：繪製大腦的三維基因組圖譜]

Combinatorial expression of GPCR isoforms affects signalling and drug responses

GPCR亞型的組合表達影響了信號傳導和藥物應答

（導讀 阿金）G蛋白偶聯受體（GPCRs）的信號偏差可能源於其於不同組織中表達功能迥異的異構體。本研究整合了人類組織水平轉錄組、GPCR序列和結構、蛋白質組、單細胞轉錄組、全人群遺傳關聯研究和藥理研究的數據，發現單個GPCR基因有多個異構體，而不同組織表達獨特的異構體組合，能產生不同的信號傳導。該研究結果提示不同細胞種類的GPCR異構體組合表達機制對信號傳導和藥物反應的可能影響。[論文詳細信息]

Papain-like protease regulates SARS-CoV-2 viral spread and innate immunity

木瓜樣蛋白酶調節SARS-CoV-2病毒傳播及固有免疫

（導讀 王思菲）本研究從生化、結構、功能等角度對新冠病毒木瓜樣蛋白酶（SCoV2-PLpro）進行表徵，並對比了它與SARS病毒SCoV-PLpro對宿主幹擾素及NF-κB通路的調節作用。二者序列相似度為83%，但底物偏好性不同。SCoV2-PLpro參與病毒複製體的形成，並偏好於切割ISG15，削弱I型幹擾素應答。由此，該研究提出一石二鳥的策略：靶向SCoV2-PLpro可同時抑制SARS-CoV-2複製並提高宿主抗病毒免疫。[論文詳細信息]

Site-specific RNA methylation by a methyltransferase ribozyme

由甲基轉移酶核酶催化的位點特異性RNA甲基化

（導讀 阿金）在實驗室中，研究者可以復現出可能在遠古RNA世界中存在過，但現在已經消失的核酶（RNA酶）。本研究報告一種具有甲基轉移酶功能的核酶，它能夠以O^6-甲基鳥嘌呤為甲基供體，對底物RNA的特定位點進行甲基化修飾，其底物範圍很廣。該結果提供了一種體外RNA甲基化的化學方法，並為理解RNA的催化能力，以及相關核酶的體外演化過程提供幫助。[論文詳細信息]

Structural mechanism of cGAS inhibition by the nucleosome

核小體抑制cGAS的結構機制

（導讀 阿金）環狀GMP-AMP合成酶（cGAS）是DNA感受器，能啟動先天免疫應答應對微生物感染、細胞應激和癌症。本研究解析出人源cGAS集合核小體的冷凍電鏡結構，cGAS與組蛋白H2A-H2B異二聚體的酸性區域和核小體DNA大面積接觸，且cGAS還反式參與第二核小體。研究結果揭示了cGAS與染色質之間相互作用的結構基礎，詳細描述了cGAS區分自體和非自體基因組DNA的機制。[論文詳細信息]

The molecular basis of tight nuclear tethering and inactivation of cGAS

cGAS緊密結合核小體並失活的分子基礎

（導讀 阿金）cGAS可以感受外來的雙鏈DNA，催化環狀GMP-AMP的合成，並開啟免疫反應。最近的研究發現，cGAS通常位於細胞核中，並處於無活性狀態。本研究發現細胞核中的cGAS與核小體緊密結合，並通過人源核小體與鼠源cGAS複合物的冷凍電鏡結構，揭示了cGAS與核小體結合併失活的結構基礎。[論文詳細信息]

Structural basis for sequestration and autoinhibition of cGAS by chromatin

染色質隔離並自動抑制cGAS的結構基礎

（導讀 阿金）本研究解析了結合於核小體之上的cGAS催化結構域的冷凍電鏡結構，發現cGAS不會與核小體中的DNA相互作用，而是與組蛋白相互作用，僅錨定在「酸性口袋」上。該結果解釋了cGAS不會被自身DNA激活並開啟免疫預防機制的原因。[論文詳細信息]

Structural basis for the final steps of human 40S ribosome maturation

人源40S核糖體成熟最終步驟的結構解析

（導讀 阿金）真核生物核糖體由40S小亞基與60S大亞基構成，其中40S小亞基的最終成熟步驟還不完全清楚。本研究報告了5個人源40S亞基前體的冷凍電鏡結構，展示了40S組裝的最後步驟：RIOK1促使PNO1分離，引發構象改變和NOB1活化，NOB1切割rRNA前體18S-E，最終完成40S組裝。此外，研究者也識別和鑑定了EIF1AD和LRRC47在此過程中的作用。[論文詳細信息]

Sensory pollutants alter bird phenology and fitness across a continent

感官汙染在大洲尺度上改變了鳥類表型與適合度

（導讀 紫蘇）人為噪音和夜間照明的擴張引起了物種保護方面的重視。本研究利用一個大型的公民科學數據集與高解析度的噪聲和光數據配對，從整個美國評估這些刺激如何影響142種鳥類的繁殖成功。研究發現對感官汙染物的反應與物種的功能特徵和棲息屬性有關。例如物種較好的眼睛採光能力導致在光暴露下更強的生殖時間提前，潛在地創造表型錯配，但意外地增加了繁殖成功率。結果表明，人為的噪聲和光照會對繁殖鳥的表型和健康產生重大影響。[論文詳細信息]

物理學

Physics

Experimental evidence of neutrinos produced in the CNO fusion cycle in the Sun

實驗證據證明太陽內碳-氮-氧聚變循環產生中微子

（導讀 阿金）本研究給出直接的實驗證據，證明太陽碳-氮-氧（CNO）循環中確實產生中微子。研究人員使用義大利戈蘭薩索國家實驗室的地下Borexino探測器，而主要的實驗挑戰在於識別出CNO中微子互相作用的額外信號。結果量化了太陽內CNO聚合的相對貢獻，該結果為直接進行恆星金屬性測量以及理解恆星內氫-氦轉變提供新思路。[相關報導：首次證明太陽中存在碳-氮-氧循環]

Observing the emergence of a quantum phase transition shell by shell

通過殼層觀測量子相變的出現

（導讀 阿金）原子物理、核物理與固態物理中長期探索的目標是理解單個粒子逐漸集合形成系統後的集體行為機制。本研究報告對量子相變少體前體從正常相態轉變到超流體相態過程的觀測。實現了精準控制受限於二維諧波勢的超冷費米子，並製備出具有高保真度的基態2，6和12費米子原子閉殼構型。最終結果為逐個粒子地探究集體現象和熱動力學的出現提供新途徑。[論文詳細信息]

Lanthanide-doped inorganic nanoparticles turn molecular triplet excitons bright

摻雜鑭系元素的無機納米顆粒協調分子三重激發態亮度

（導讀 阿金）分子的三重激發態，通常可通過基於重金屬的自旋-軌道耦合，或通過設計分子調控單-三重能量劈裂來進行調控。本研究證實通過將有機分子嫁接到摻雜鑭系元素的無機絕緣納米顆粒上，可調控三重態動力學，從而獲得振蕩強度，通過光子吸收直接在分子上生成三重激發態。該結果為調控三重激發態提供了新途徑。[相關報導：浙大Nature，挑戰經典：如何控制和操縱三線態激子動力學？]

地球科學

Geoscience

Antarctic ice dynamics amplified by Northern Hemisphere sea-level forcing

北半球的海平面加劇了南極冰動態

（導讀 紫蘇）北半球因日照和溫室氣體強迫而造成的冰層流失導致的海平面上升，已經造成了南極冰原的退縮。本研究耦合了海平面上升模型和冰蓋模型，發現北半球海平面強迫加劇了冰原動態。大或快速的北半球海平面作用力增強了冰川期間接地線推進和相關質量增益失。納入北半球海平面作用力增加了末次冰期最大值期間冰蓋的體積，觸發了接地線的較早後退，並在最後一次冰消期間導致千年尺度的可變性。[論文詳細信息]

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