1月17日《自然》雜誌內容精選

2021-01-17 中國科學院

波函數量子化學方法對固體材料計算的應用前景

固體材料的計算描述目前主要採用基於「密度泛函理論」的方法。採用基于波函數的量子化學方法會更有吸引力,也可能會更準確,儘管後者由於所涉及到的複雜計算尚未引起很多關注。現在,George Booth及其同事介紹了有助於降低這類量子化學方法的計算成本和複雜性的最新進展如何為它們對各種真實固體材料的成功應用開闢了道路。

造成東非乾旱的因素

東非最近發生的災難性乾旱之所以嚴重,部分原因是,它是疊加在春季降雨量的一個持久的、十年尺度的下降過程之上的。試圖了解造成當地水文氣候變化的機制以及由此所引發的糧食安全問題的努力,因儀器記錄的短暫而受挫——短暫的儀器記錄使得研究人員難以梳理出它們在幾十年時間尺度上的影響。Jessica Tierney等人在這篇論文中發布了對過去數千年的一個古氣候合成研究結果及模型模擬結果,它們顯示:東印度洋(而不是太平洋)的海洋溫度變化是東非降雨量的支配性的長期影響因素。印度洋的較低溫度條件造成一個局部大氣環流,該環流有利於形成上升的條件和更多的降水。

深層地幔中存在富含鎳的橄欖巖

Claude Herzberg和該文的共同作者研究了來自巴芬島、西格陵蘭、翁通爪哇高原、高格納島和加拉帕戈斯群島中的菲爾南迪島的熔巖。這些地方的玄武巖(被認為來自深層地幔——地幔柱)被發現是從橄欖巖形成的,其中的鎳含量比形成海底山脈所在地方的現代海洋地殼的橄欖巖約高20%。他們提出,這種鎳含量豐富的地幔柱可能反映了一個由地核—地幔相互作用形成的、脫氣程度較小的、富含鎳的來源。

演化與環境的關係

化石記錄並不是活生物生生死死的簡單表現。生命過程與地球系統的過程之間存在相互作用,Shanan Peters等人在本文中介紹了板塊構造和氣候變化是怎樣從侏羅紀開始在大西洋海盆中的浮遊有孔蟲的整個歷史中共同驅動其滅絕的。重大危機事件,如白堊紀末期的物種大滅絕事件,留下了疊加在這一背景之上的一個印記。然而,這些因素並沒有影響新有孔蟲物種的起源。

老鼠洞的基因聯繫

人們對密切相關物種之間行為差別的遺傳基礎的了解沒有對形態差別的遺傳基礎的了解那麼好。很多動物都構建精緻的結構,如蜂巢、鳥巢和地洞等,它們是由於自然選擇作用於其「建設者」的行為之上而「演化」形成的。這項研究以這一現象為例來解決下面這個問題:複雜行為是通過一個基因變化或幾個基因變化(其中每個都影響行為的很多方面)演化形成的,還是通過只有在組合到一起時才會產生行為複雜性的幾個基因變化的積累演化形成的?Hopi Hoekstra及其同事發現,「老田鼠」(「海灘鼠」)打的複雜地洞由幾個基因模塊決定,每個模塊控制洞大小或形狀的一個方面。地洞結構中的這種模塊化表明,複雜行為可能是由隨時間推移所積累的、由基因決定的行為的組合形成的。

關於記憶機制的重新思考

「長時程增強效應」(LTP),即神經細胞之間信號作用的持久增強,長期被認為是記憶的可能細胞關聯,但直到現在,決定LTP的維持的具體分子機制才開始浮出水面。一段時間以前,曾有人提出,「蛋白激酶M-」 (PKM-)的持續活性可能是維持LTP的一個關鍵因素,依據主要是利用藥理性抑制因子所做的實驗。現在,兩個小組培育出缺失PKM-的小鼠,用它們來更直接地驗證PKM-在LTP和記憶中的作用。來自Richard Huganir 實驗室和 Robert Messing實驗室的研究發現,PKM-的缺失對LTP或記憶形成沒有影響。而且儘管沒有這種激酶,但PKM-的藥理性抑制因子仍然會破壞這些突變小鼠的記憶。這些數據向PKM-在LTP維持中的作用提出了質疑,並且重新開啟了尋找調控長期彈性的關鍵分子的工作。

Pol II TFIIB複合物在自由狀態和結合狀態下的結構

「通用轉錄因子」TFIIB是RNA聚合酶(Pol)II啟動基因轉錄所必需的。在這篇論文中,Patrick Cramer及其同事報告了Pol II TFIIB複合物在自由狀態下和被DNA模板及一個短RNA產物結合的狀態下的高解析度晶體結構。後一種狀態下的複合物代表一種剛開始轉錄的複合物,它是從轉錄啟動到伸長過程的通道中一個關鍵瞬時狀態。這些結構和相伴隨的功能數據使我們對轉錄啟動的機制有一個更全面的了解,也解釋了RNA和DNA聚合酶的性質之間的一些根本性差別。

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    一個在心臟組織中缺失轉錄共活化劑PCG-1?琢的小鼠模型,顯示一個與PPCM相似的表現型。本文作者提出一個造成這種疾病的、由兩個因素構成的機制:懷孕晚期抗血管生成的信號作用與由心臟中促血管生成的防衛體系不足所引起的內在易感性共同發揮作用。這項工作為在PPCM與「先兆子癇」之間所觀察到的聯繫提供了一個可能的解釋,同時也表明促血管生成方法有可能用來治療該疾病,如用「重組人VEGF121」來治療。
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    封面:XVIVO Scientific Animation【1】在本周《自然》的一篇評論文章中,Sergei Kalinin、Albina Borisevich和 Stephen Jesse提出了一種應對該挑戰的方法。這種方法要求讓電子束穿過樣本,以揭示其晶體結構。電子束可能會改變原子的位置,這在常規結構鑑定中是一種缺點,但如果想移動原子,這個缺點就會變為優點。不過,這種技術若要取得成功,必須實現對電子束的完全控制。
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    HIV-1病毒庫的分析  抗逆轉錄病毒療法不能治癒HIV-1感染:儘管接受了藥物治療,但大部分患者體內仍有大量處於休眠狀態的這種病毒,即存在病毒庫。對從30位被HIV-1感染的患者(他們持續接受抗逆轉錄病毒治療至少兩年時間並且血漿中的HIV-1 RNA一直保持在檢測不到的水平)分離出的免疫細胞所作的這項研究顯示,這些病毒庫以具有「細胞毒性T-淋巴細胞逃避突變」的病毒為主導。該發現表明,治療性疫苗設計的未來方向也許需要關注怎樣提升大範圍的「細胞毒性T-淋巴細胞反應」。
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    【1】封面故事: 2016年《自然》年度十大科學人物doi: 10.1038/540507a值此歲末之際,《自然》雜誌再次選出了2016年度十大科學人物,十位在各自領域產生重大影響的科學家分別是:Gabriela Gonzalez、Demis Hassabis、Terry Hughes、Guus Velders、Celina Turchi、Alexandra
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    Nissim Hay及其同事現在發現,在代謝壓力下,LKB1–AMPK通道控制由「acetyl-CoA羧化酶」ACC1 和 ACC2調節的脂肪酸合成和氧化之間的平衡,而對維持NADPH體內平衡發揮重要作用。這個通道被發現促進癌細胞存活和腫瘤生長。本文作者們提出,這一機制在腫瘤發生的早期階段發揮作用,幫助腫瘤細胞在能量壓力條件下存活。
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    【1】本期《自然》發表的一項國際合作研究報告了虎尾海馬(Hippocampus comes)的基因組序列。研究人員發現,這種海馬的基因組是人類迄今為止研究過的演化最快的魚類基因組。虎尾海馬是海馬貿易中最常見的品種——幹海馬被用來製作傳統藥材,活海馬則被作為觀賞水族交易——且目前被列為IUCN紅色名單瀕危物種。虎尾海馬基因組揭示的特徵有助於解釋海馬形成現有體型的原因。
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    作者報告了無配體形式下的人類內皮素B型受體、以及它與內源性激動劑內皮素-1複合物的X射線晶體結構,通過分析結構和變異情況揭示了內皮素-1和內皮素-3之間的異肽選擇性的機制。與M2毒蕈鹼受體的對比表明,A族GPCR間存在共同的信號傳導機制。
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    從豌豆植物中分離出來的該複合物包含17個蛋白亞單元、168個葉綠素分子、2個葉綠醌分子、3個Fe4S4簇和5個類胡蘿蔔素分子。
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    封面攝影:Paul Starosta/Getty Images【1】在本期《自然》雜誌中,Daniel Rokhsar及同事報告了非洲爪蟾的基因組序列,並與其近親熱帶爪蟾(X. tropicalis)的基因組進行了比較。他們的分析證實非洲爪蟾是異源四倍體,並區分出了兩個非對稱演化的亞基因組——一個往往保留了遠祖狀態,而另一個則經歷了基因損失、刪除、重組和表達降低的情況。這兩種二倍體的祖先約在3400萬年前出現分化,並在約1800萬年前結合形成異源四倍體。
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    【1】封面故事:腸道菌群與營養成分之間的相互作用doi | 10.1038/nature18309本期封面所示為糞便細菌的一個掃描電子顯微鏡圖像。腸道菌群的變化以及糞便短鏈脂肪酸濃度的改變已被發現與肥胖症、胰島素抗性和代謝綜合症相關,但卻沒有在它們之間確定存在因果關係。