Nature Vol.517 no.7533，8 January 2015
Three-dimensional head-direction coding in the bat brain
蝙蝠腦內的三維導航系統
http://www.nature.com/nature/journal/v517/n7533/full/nature14031.html
doi:10.1038/nature14031
導航的首要任務是辨別方向——即擁有一個「指南針」。人們認為，哺乳動物的導航能力是由大腦內的方向識別細胞提供的。當動物的頭對著某一特定的方位時，這些神經元便會放電。然而，哺乳動物的大腦中是否具有「三維定向」功能，目前仍未可知。蝙蝠是一種非常適應三維空間活動的哺乳動物。本文通過對蝙蝠的神經系統活動進行記錄，發現不管蝙蝠是在爬行還是飛行，其腦部的方向識別細胞都隨著身體的移位、傾斜、滾動等任何三維角度組合的變化而進行調整。方向辨識細胞沿大腦中前下託區域（presubiculum）的功能結構梯度排布，從二維逐漸過渡為三維表達。當研究人員把蝙蝠倒置後，其調節方位角的神經元變化了180°，表明頭部的三維定位以方向角×傾角的環形坐標系表示。與之相符的是，在360°的傾角範圍內，傾角細胞的調節是單向且連續的。這兩項結果表明，哺乳動物確實具有三維導航系統，可以在三維空間內識別方向。
Glutathione activates virulence gene expression of an intracellular pathogen
穀胱甘肽激活細胞內病原體的致病基因表達
http://www.nature.com/nature/journal/v517/n7533/full/nature14029.html
doi:10.1038/nature14029
細胞內病原體是許多全球範圍內傳染病發病與死亡的致病原因。為了成功侵染它們的宿主，病原體必須能夠感知其環境並恰當地調節致病基因的表達。因此，在進入哺乳動物細胞時，兼性的細胞內細菌病原體單核細胞增生李斯特氏菌（Listeria monocytogenes）會通過激活宿主的致病調節因子PrfA來改造其轉錄模式。本文發現，激活PrfA的過程需要細菌和宿主來源的穀胱甘肽（glutathione）參與。在此項研究中，我們通過基因篩選識別細菌穀胱甘肽合酶的突變，顯示出致病基因表達量出現減少，在小鼠中減少了150倍。抑制因子會在體內自發產生突變，該突變的基因組測序結果表明，prfA基因中的一個單核苷酸突變抑制了處於激活構象的蛋白（PrfA*），並且測定的序列完全沒有細菌侵染所必需的穀胱甘肽序列。生物化學和遺傳學研究也支持這一模型，即穀胱甘肽依賴的PrfA激活過程是由穀胱甘肽與PrfA的變構結合調節的。由於穀胱甘肽和其他小分子硫醇類在所有生命形式內部的氧化還原反應平衡中起著重要作用，本文證明，穀胱甘肽代表著一個關鍵信號分子，能夠激活一種細胞內病原體的致病基因表達。
The temperature and chronology of heavy-element synthesis in low-mass stars
低質量恆星中重元素合成的溫度與年代
http://www.nature.com/nature/journal/v517/n7533/full/nature14050.html
doi:10.1038/nature14050
大約一半的重元素（原子質量大於鐵）被認為是在質量介於0.8到8個太陽質量之間的恆星演化晚期階段合成的。在恆星內部，核（主要是鐵）俘獲中子，並逐步形成重元素（通過慢中子俘獲過程，即S過程），隨後通過對流作用被帶到恆星表面。13C和22Ne這兩個中子源會在不同的溫度下被激活，每俘獲一個α粒子 （4He）就分別釋放一個中子。為了解釋測量到的恆星元素豐度，提到13C中子源（作用溫度約為一億開氏溫度）的恆星演化模型就倍受青睞。 然而，有些原始隕石能夠反映為太陽系形成貢獻物質的早期恆星形成時的核合成過程，隕石中的同位素比值卻指向了更高的溫度（超過三億開氏溫度），這需要至少一次22Ne的後期激活。本文利用鋯（Zr）和鈮（Nb）的豐度，獨立於恆星演化模型，直接給出了低質量巨星演化完成階段的S過程溫度。推導出的溫度支持了13C作為S過程中子源的結論。被用於估計S過程溫度的放射對93Zr-93Nb與99Tc-99Ru共同提供了S過程開始之後的年代信息，經研究確定為100萬至300萬年。
Optically addressable nuclear spins in a solid with a six-hour coherence time
固體中可尋址的核自旋，相干時間超過6小時
http://www.nature.com/nature/journal/v517/n7533/full/nature14025.html
doi:10.1038/nature14025
在量子力學基礎研究與量子通訊應用中，糾纏量子態的類空隔離是一項基本概念。我們經常使用光學方法來實現糾纏的分配，這是因為糾纏態的光子很容易產生並傳播。然而，由於傳播中的散射、衍射與吸收等過程所導致的損失，目前還無法在數百公裡以外的世界範圍內實現這類直接分配。解決這個問題的一個方案叫做「量子中繼協議」（quantum repeater protocol），它提出把糾纏的光學模式成對地分配到傳輸通道中間的一個個量子存儲站點中。為了實現有效的存儲，量子信息在光學模式中儲存的時間需要大於通道中直接光學傳輸的時間。科學家測量到該糾纏態的退相干速率為在100毫秒範圍內每秒8 × 10-5次，其中100毫秒為光在宏觀尺度傳輸所用的時間。這一測量是在矽酸釔中銪粒子摻雜物(151Eu3+:Y2SiO5)的基態超精細躍遷中，用光學核磁共振技術測得的。這一退相干速率與其他現有的光學量子存儲系統相比，至少低了一個數量級。此外，科學家使用動態耦合技術，在2K的低溫下獲得了長達370 ± 60分鐘的相干時間。人們普遍認為光是量子信息長距離傳遞的最好載體，然而此處觀察到的相干時間已經足夠長，晶體中的核自旋有9km/h的傳播速度，這使得它隨著距離的退相干速度能夠低於光纖中的光。這一發現觸發了一些早期研究，使用自旋來代替光進行糾纏的分配與重新訪問。
The geographical distribution of fossil fuels unused when limiting global warming to 2 °C
全球變暖限制到2°C以內時不能使用的化石燃料地理分布
http://www.nature.com/nature/journal/v517/n7533/full/nature14016.html
doi:10.1038/nature14016
各國決策者已達成共識，由溫室氣體排放導致的全球均溫升高不能超過工業時代以前的2℃以上。據估計，要想保證21世紀全球變暖在2℃以內的把握達到50%以上，2011-2050年之間累計的碳排放必須要控制在11,000億噸二氧化碳左右。然而，目前估計的全球化石燃料儲量可排放的溫室氣體要比該值高出3倍左右。所以，若不減少使用現有化石燃料，則無法控制在2℃的全球變暖限制中。本文使用包含世界石油、天然氣與煤儲量及資源的數量、地點與特性評估數據的單一綜合分析模型，其評估與其他條件下大量建模方法得到的結果一致，以探究這一化石燃料產品的排放限制對不同地區可能帶來的影響。結果表明，為了達到2℃的目標，全球三分之一的石油儲量、二分之一的天然氣儲量以及超過80%的當前煤炭儲量在2010到2050年之間都不能使用。此外，北極地區資源的發展以及非傳統石油開採的增加都與為控制全球變暖在2℃之內所作出的努力並不相稱。而且，決策者總體上想要快速且徹底開採其領土內化石能源的本能也與他們對這一溫度限制所作出的承諾不符。這項政策承諾的實施也會使對化石燃料的探索繼續產生不必要的大幅支出，因為任何新發現都不會導致增加總產量。
Segmented lateral dyke growth in a rifting event at Bárearbunga volcanic system, Iceland
冰島Barearbunga火山系統斷裂活動中巖牆的分段側向延伸。
http://www.nature.com/nature/journal/v517/n7533/full/nature14111.html
doi:10.1038/nature14111
很多離散型板塊邊界處的地殼原本都是由豎直的席狀巖牆形成，延伸達數千公裡。先前的斷裂事件模型並不能說明向兩側延伸的巖牆具有不斷有巖漿補充的源區，因為增長速率隨著巖牆的伸長逐漸降低，也不能說明巖漿流從下部豎直進入巖牆，因為地形對巖牆延伸的影響還尚不明確。本文對Bárearbunga 火山系統進行了研究，揭示了分段巖牆侵入以變化的速率向兩側延伸生長超過45公裡的過程，其中地形特徵也影響了巖牆生長的方向。每段巖牆遠端積累的壓力會衝破端部的屏障，一段新的巖牆隨之形成，同時其生長速度在短時間內達到峰值。巖牆的生長主要發生在14餘天中，在多個方面均有表現，包括向兩側生長時的地震活動、地表變形（可通過全球定位系統測量）、幹涉衛星雷達圖像分析（interferometric analysis of satellite radar images, InSAR），以及地塹形成等等。巖牆段的侵入也有多個方向，最初以Bárearbunga火山口為中心呈放射狀分布，慢慢轉變為沿遠端受到的區域壓力方向排列。令張力與重力勢能之和最小的模型為這種生長路線做出了解釋。巖牆的出口與地震活動在任何時候都集中在最遠的一段上，同時火山口處發生巖漿源的收縮和緩慢崩塌，並伴有5級以上的地震（芮氏規模）。巖牆的生長在端部裂隙噴發的作用下減慢。在側向延伸時，巖牆遠端積累的壓力會衝破端部屏障的現象，解釋了中心火山底部集中上湧的巖漿如何遷移到很遠的距離之外，在離散型板塊邊界處形成新的上地殼。
Copulation in antiarch placoderms and the origin of gnathostome internal fertilization
反弓類盾皮魚的交配與有頜類體內受精的起源
http://www.nature.com/nature/journal/v517/n7533/full/nature13825.html
doi:10.1038/nature13825
有頜類（gnathostomes）的繁殖包括體外受精與體內受精兩種。通常認為，體內受精可以從體外受精演化而來，但反之則不行。雄性的交配器出現在幾種特定的盾皮魚（placoderms）中，根據近期研究結果，這是一種化石有頜類脊椎動物，是有頜類基幹類群的並系群。這說明體內受精對有頜類來說是原始的特徵，但這個結論要建立在證明交配並不是某些盾皮魚子類群的特有特徵的基礎之上。反弓類（antiarchs）一直被認為是基幹的盾皮魚類群，因此在繁殖問題上受到極大的關注，但其繁殖過程目前仍未可知。本文發現，特定反弓類的雄性長有真皮的交配器，而雌性則帶有成對的真皮板，推斷是用來輔助交配的。這些結構並不與腹鰭相連。交配器的形態與更靠近冠群盾皮魚的類群——褶齒魚（ptyctodonts）的類似，說明所有的盾皮魚交配器都是同源的，而體內受精在所有盾皮魚中普遍存在。這意味著，雖然這種轉化一直令人難以置信，但大多數現生水生有頜類的體外受精與產卵行為一定是從體內受精演化而來的。否則，大量有關盾皮魚並系群的形態學證據就將失去意義。
Calcium transient prevalence across the dendritic arbour predicts place field properties
鈣離子經過樹突的瞬時流通量可預測位置區域的特性
http://www.nature.com/nature/journal/v517/n7533/full/nature13871.html
doi:10.1038/nature13871
要建立代表動物個體生活環境的海馬區細胞集合包括多個過程，其中包括位於海馬區特定CA1錐形神經元中位置區域的激活和靜息，以及激活神經元獲得不同空間的激活屬性。儘管研究已發現這種激活的靈活性和多樣性與空間記憶、注意力和任務表現相關，但這些位置細胞的細胞和網絡起源還尚不清楚。基本的位置激活integrate-and-fire（IF）神經元模型認為，這些特性僅僅來自於位置細胞的不同輸入，但最近研究發現，除此之外，位置細胞還可能對樹突再生起到一定的作用。然而，由於難以對位置細胞的樹突進行功能記錄，所以沒有直接證據證明樹突再生的存在，使其與位置編碼的任何可能的聯繫都尚未可知。本文對在虛擬環境中進行定位的小鼠的CA1位置細胞體、軸突和樹突進行多平面雙光子鈣離子成像，發現樹突再生確實存在於實驗中小鼠的位置細胞中，而且令人驚訝的是，通過樹突的鈣離子流通量在時空上的變化十分明顯。此外，我們還發現，這種流通量能預測位置區域的準確空間位置、持續時間及消失時間。這表明，樹突的這種動態鈣離子激發過程可能對海馬區的空間記憶起了關鍵的作用。
T–B-cell entanglement and ICOSL-driven feed-forward regulation of germinal centre reaction
生發中心反應中的T-B細胞糾纏和ICOSL引起的前饋調節
http://www.nature.com/nature/journal/v517/n7533/full/nature13803.html
doi:10.1038/nature13803
生發中心（germinal centre, GC）反應促進了B細胞之間基於親和力的競爭，並產生高親和力的骨髓漿細胞（bone-marrow plasma cells, BMPCs），但濾泡型T輔助細胞（follicular T-helper cells, TFHs）調節生發中心的選擇機制尚不清楚。本文使用競爭型混合嵌合體發現，除促進TFH發育之外，可誘導的T細胞共刺激配體（inducible T-cell co-stimulator ligand, ICOSL）對於B細胞參與生發中心反應並分化成為BMPCs也很重要。我們在鈣信號的輔助下進行活體內成像，進而發現了ICOSL所引起的一種TFH-B細胞相互作用的「糾纏」模式，即通過短暫而廣泛的表面接觸，引起T細胞鈣離子濃度達到峰值以及B細胞對CD40信號的需求。反覆的糾纏引起生發中心外周大量B細胞和TFH細胞的共定位，來增強T細胞的輔助作用。作用於生發中心B細胞的ICOSL則通過CD40信號而增加。接觸性輔助和ICOSL控制的糾纏之間的細胞間正反饋調節會促進正向選擇和骨髓漿細胞的發育，其他結果也證明了這一點——高親和力的B細胞受體變體在高濃度ICOSL環境下可大量表達，這使得缺乏ICOSL的生發中心B細胞和骨髓漿細胞在數量上處於劣勢，而在競爭型嵌合體中表現出了很強的親和力補償。當生發中心的競爭過程中沒有了ICOSL的參與，高親和力變體的選擇將在其他正常的生發中心反應中受損。研究證明了這種糾纏實際上是生發中心B細胞與T輔助細胞之間的反應，並確認了ICOSL就是連接T,B細胞反應平衡以及高親和力骨髓漿細胞正向選擇的連接分子，發現了在TFH細胞的控制下使體液免疫能夠長時間發揮作用的方法。
EFF-1-mediated regenerative axonal fusion requires components of the apoptotic pathway
EFF-1介導的再生軸突融合需要凋亡通路組分的參與
http://www.nature.com/nature/journal/v517/n7533/full/nature14102.html
doi:10.1038/nature14102
神經系統損傷後的功能再生需要切斷軸突後再與原來的靶組織連接。軸突融合在很多物種中均已有發現，是一個自發的再生過程，提供了有效的方法以實現重新連接為一個再生軸突，能接觸自身分離的軸突片段並與之融合，從而重建原來的軸突束。本文報導了秀麗隱杆線蟲這一過程的分子特徵，揭示了EFF-1「融合劑」在軸突切斷術後亞細胞定位的動態變化，並提出磷脂醯絲氨酸（phosphatidylserine, PS）和PS受體（PSR-1）作為軸突融合的關鍵組分。PSR-1在新生的神經元中可獨立發揮作用，而且是在一個類似的其自身標準信號通路的吞噬細胞通路中發揮功能，其中包括轉體蛋白質（transthyretin protein）TTR-52、CED-7、NRF-5和CED-6。結果表明，TTR-52能結合到受傷軸突暴露出的PS上，並在受傷後幾個小時內恢復融合。本文推測，PS為遠端片段起到了「救救我」的信號功能，讓保守的凋亡細胞清除分子（apoptotic cell clearance molecules）神經系統再生的過程中發揮作用，以重建完整的軸突。
The heat released during catalytic turnover enhances the diffusion of an enzyme
在催化轉換中釋放的熱量促進酶的擴散
http://www.nature.com/nature/journal/v517/n7533/full/nature14043.html
doi:10.1038/nature14043
最近研究表明，在催化反應中酶的擴散與底物相關。儘管已經對不同的系統進行了觀測、報導和描述，但這種現象的準確起源仍不得而知。人們通常使用量熱法（calorimetric method）來測定酶促反應的焓值，因此能夠為反應機制提供重要的認識。但是傳統體積量熱法所得的總平均數無法探測到催化劑在反應中能量交換的瞬態效應。本文採用單分子螢光關聯光譜數據，並在隨機理論框架中對其進行分析，以證明一個酶分子的擴散增強與反應中釋放的熱量之間存在聯繫。本文提出，在催化反應中釋放的熱量會生成非對稱壓力波，並在蛋白質與溶劑界面上產生壓力差，瞬時取代酶的質量中心（化學聲波效應）。這種關於酶如何應對催化反應過程中釋放的能量的新觀點表明，反應產生的熱量有可能會對酶的結構完整性和其內部的自由度產生影響。
（來自nature.com。翻譯：邰倫玥、龐裕智、李奧、丁家琦、程孫雪子、王文佳、邵楠、尤衡一；審校：程孫雪子）
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