2017年8月25日Science期刊精華

1.Science：重大發現！在腸道上皮內，羅伊氏乳桿菌誘導促進耐受性的T細胞產生

doi:10.1126/science.aah5825免疫細胞在腸道中巡邏，確保隱藏在我們吃的食物中的有害細菌不會入侵人體。能夠觸發炎症的免疫細胞與促進免疫耐受性的免疫細胞處於平衡，從而在不會讓敏感組織遭受損傷的情形下保護人體。當這種平衡過於偏向炎症時，炎症性腸病就會產生。如今，在一項新的研究中，來自美國華盛頓大學醫學院和普林斯頓大學的研究人員在腸道中攜帶一種特定細菌的小鼠體內發現一類促進耐受性的免疫細胞。再者，這種細菌需要色氨酸來觸發這些免疫細胞的出現。相關研究結果於2017年8月3日在線發表在Science期刊上，論文標題為「Lactobacillus reuteri induces gut intraepithelial CD4+CD8αα+ T cells」。這些研究人員發現當小鼠從一出生就在無菌環境下生活時，因缺乏腸道微生物組，它們不會產生這類促進耐受性的免疫細胞。當將羅伊氏乳桿菌引入到這些無菌小鼠的體內時，這些免疫細胞就產生了。為了理解羅伊氏乳桿菌如何影響免疫系統，這些研究人員在液體中培養羅伊氏乳桿菌，隨後將少量的這種含不含細菌的液體轉移到從小鼠體內分離出的未成熟的免疫細胞，即CD4+ T細胞。這些未成熟的免疫細胞通過下調轉錄因子ThPOK變成促進耐受性的免疫細胞，即CD4+CD8αα+雙陽性上皮內T細胞（CD4+CD8αα+ double-positive intraepithelial T lymphocytes, 簡稱DP IEL），並且這些DP IEL細胞具有調節功能。當從這種液體中純化出活性組分時，他們證實它是色氨酸代謝的一種副產物，即3-吲哚乙酸。當這些研究人員將小鼠食物中的色氨酸數量增加一倍時，DP IEL細胞的數量增加大約50%。當色氨酸水平下降一半時，DP IEL細胞的數量也下降一半。

2.Science：人類大腦是如何聽出說話韻律的

doi:10.1126/science.aam8577加利福尼亞大學的研究者發現人類大腦中對講話語調變化發生反應的神經元，語調是人類能清楚地表達自己的意思和情緒的重要基礎。這項研究發表在《Science》雜誌上。在談話過程中的語調變化，部分語言學家稱之為「語言韻律」是人類交流的基本組成成分，幾乎就像旋律和音樂的關係一樣。在有聲調語言中，比如普通話，聲調的變化后可以完全改變一個字的意思，然而在無聲調語言中，比如說英語，音調的不同可以明顯改變一句話的含義。就拿「Sarah plays soccer」說，「Sarah」是降調的話，表達的是Sarah這個人而不是其他人玩足球；如果是整句話都是降調的話，傳達的是Sarah玩的是足球而不是其他的；如果在句子的末尾用升調的話，則是表示疑問。考慮到每個說話人都有他們自己的聲調和習慣，大腦能夠快速地理解這些變化是非常了不起的事。而且，大腦一邊要剖析哪些母音和輔音發生了改變，用了哪些單詞，這些單詞是怎樣被組成短語和句子的，同時還必須跟上和理解這些音調變化，這一切的發生也就在毫秒之間。UCSF癲癇中心的神經外科學家Chang是切除誘發癲癇的腦部組織的外科手術專家。在一些情況下，為了準備手術，他會在患者的大腦表面放置一排高密度的微小電極，幫助鑒定誘發病人癲癇的位置和找到其他重要的區域——比方說與語言相關，這樣就能避免在進行外科手術的時候傷害到這些區域。在這項新研究中，Tang要求10名志願者在安上電極等待手術時聽4句由3種不同合成聲音說的句子："Humans value genuine behavior""Movies demand minimal energy""Reindeer are a visual animal""Lawyers give a relevant opinion"這些句子設計成同樣的長度和結構，而且用4種語調進行敘述：平調，強調第一個單詞，強調第三個單詞或者是疑問。Tang和她的同事監測受試者的聽覺皮層也就是顳上回的活動，他們發現顳上回的一些神經元主要根據講話者的平均音調範圍來分辨3個合成的講話者；另外一些神經元可以根據發音的不同分辨4個句子，不管是哪個講話者講的；還有一些神經元可以分辨4種不同的聲調，這些神經元根據句子的重音位置不同會做出相應的變化，但不會對是誰講的還是到底是哪個句子做出反應。為了證明他們自己的想法，研究人員設計了一個演算法來預測神經元對不同講話者、發聲和聲調的句子所做出的反應。他們的結果顯示，對不同講話者敏感的神經元只對講話者的絕對音調敏感，對語調敏感的神經元對相對音調更敏感。

3.Science：中科院生物物理所植物解析出光合作用中高效捕光的超分子機器結構

doi:10.1126/science.aan0327; doi:10.1126/science.aao41912017年8月25日，Science期刊發表了常文瑞/李梅研究組、章新政研究組與柳振峰研究組的合作研究成果，題為「Structure and assembly mechanism of plant C2S2M2-type PSII-LHCII supercomplex」。該項工作報道了豌豆光系統II-捕光複合物II超級複合物的高解析度電鏡結構，揭示了植物在弱光條件下進行高效捕光的超分子基礎。光合作用是地球上最為重要的化學反應之一。植物、藻類和藍細菌進行的放氧型光合作用不僅為生物圈中的生命活動提供賴以生存的物質和能量，同時還維持著地球上的大氣環境和碳氧平衡。對光合作用機理的研究不僅具有重要的理論意義，並且將為基於光合作用原理的應用研究提供具有啟示性的方案。在高等植物中，光合作用的原初反應始於一個被稱為光系統II的超分子機器，它能夠捕獲光能並將其用於驅動能量轉換和在常溫常壓下裂解水分子。高等植物的光系統II是一個複雜的膜蛋白-色素超分子複合物，通常以二體形式存在，其每個單體包含了約30個蛋白亞基以及數百個色素分子和其它輔因子。為了適應不同的外界光照條件，高等植物光系統II與外周的捕光複合物組裝成多種不同形式的超級複合物。在適應弱光條件的植物葉片中，光系統II核心複合物的外側結合了兩種主要捕光複合物LHCII（根據親和力的不同分別被稱為S-LHCII和M-LHCII）及三種次要捕光複合物（CP29、CP26和CP24）。這些捕光複合物與光系統II核心複合物組裝形成C2S2M2型超級複合物，使其得以在弱光條件下高效地捕獲光能並完成能量轉換。C2S2M2型複合物是迄今為止在高等植物中能被穩定分離得到的最大的光系統II超級複合物。解析該複合物的完整結構對於人們認識其內部的亞基組成及排布方式、色素結合位置及相互取向和距離具有重要的科學意義。研究結果有助於深入理解植物高效捕獲和傳遞光能的分子機理。由生物物理所三個課題組組成的聯合研究團隊解析了處於兩種不同條件下的豌豆C2S2M2超級複合物的單顆粒冷凍電鏡結構，解析度分別達到2.7埃和3.2埃，其中2.7埃解析度的結構是目前世界上通過冷凍電鏡單顆粒法解析獲得的解析度最高的膜蛋白結構。該項工作首次展示了植物C2S2M2型超級複合物的精確三維結構，該複合物總分子量達到140萬道爾頓（1.4 megadalton，1,400 kDa），是一個同源二聚體的超分子體系。兩個結構中的每個單體分別包含了28或27個蛋白亞基、159個葉綠素分子、44個類胡蘿蔔素分子和眾多的其它輔因子。該項工作首次解析了CP24和M-LHCII的結構，並指認了M-LHCII所特有的Lhcb3亞基；展示了不同外周捕光蛋白彼此之間以及它們與核心複合物之間相互識別和裝配的位點和機制；在對豌豆C2S2M2超級複合物內部高度複雜的色素網路進行深入分析的基礎上，揭示了外周天線捕獲光能並向核心複合物傳遞能量的途徑。同時，兩種不同狀態的C2S2M2結構的比較分析結果顯示超級複合物中的外周捕光複合物M-LHCII和CP24的結合位置可變，提示高等植物光系統II超級複合物可對環境條件的變化做出響應，通過整體結構的變化實現對捕光過程的調節。上述研究結果對於進一步在分子水平深入理解高等植物光系統II超級複合物中的能量傳遞和光保護機理具有重要意義。Science雜誌在同期為該項研究工作配發了題為「The complex that conquered the land」的評述。

4.Science：開發出一種高效過濾水的碳納米管水通道蛋白

doi:10.1126/science.aan2438; doi:10.1126/science.aao2440根據《Science》雜誌上發表的一項研究，研究人員開發出一種微型碳納米管與用於過濾活細胞中水分的水通道蛋白（porin）類似，但過濾水的效率高出六倍。雖然納米管目前尚不能用於實際的海水脫鹽，但研究人員表示，他們可以成功地過濾含鹽的水。研究人員創建這種納米管的靈感來自被稱作水通道蛋白的天然蛋白質。水通道蛋白是一種位於細胞膜上的蛋白質，通過細胞膜轉運水分子並過濾掉離子，使細胞保持健康。水通道蛋白以僅通過0.3納米寬的通道輸送水分子的方式來工作，並過濾出所有的離子。但是水通道蛋白質工作較慢，這是因為水分子在水通道蛋白通道中翻轉180度，化學反應減慢了水分子的運動。但是這種這種新的納米管寬0.8納米，就像水通道蛋白一樣，但過濾水比水通道蛋白快6倍。

5.Science：腸道菌群隨季節改變

doi:10.1126/science.aan4834; doi:10.1126/science.aao2997 對現存為數不多的其中一個狩獵—採集者群體開展的研究表明，生活在人類腸道中的微生物隨著季節發生變化。相關成果日前發表於《科學》雜誌。來自「人類食物工程」的Jeff Leach及其團隊用一年多時間收集了生活在坦尚尼亞的350名哈扎人的糞便樣本。「人類食物工程」是一個非營利性機構，旨在研究微生物組在健康中所起的作用。他們發現，哈扎人腸道微生物組的多樣性比在西方國家居民腸道中發現的高30%左右。事實上，哈扎人腸道菌群的多樣性和委內瑞拉一些亞諾瑪米人的相仿。後者此前被描述為擁有全世界最豐富多樣的微生物組。出現在兩個群體中的這種多樣性並沒有那麼令人驚奇，考慮到他們幾乎不使用抗生素，也不吃加工過的食品。不過，Leach團隊還發現，哈扎人的微生物組是季節性的，全年會有一個變化周期。多樣性在旱季達到頂峰。此時，普雷沃氏菌變得尤其豐富。而年度波動最大的細菌通常不是出現在擁有西方生活方式的人群腸道中的菌株。腸道微生物組的這些年度變化是由哈扎人飲食的周期性變化引起的。在坦尚尼亞的乾旱季節，哈扎人會食用很多肉類以及薯類和來自猴麵包樹的水果。但在濕潤季節，他們會更多地食用蜜蜂和漿果。普雷沃氏菌尤其擅長分解植物材料，因此可能在乾旱季節尤其有用。

6.Science：肌動蛋白阻止哺乳動物卵子發生染色體分離錯誤

doi:10.1126/science.aal1647; doi:10.1126/science.aao2461眾所周知，在卵子發育期間，紡錘體微管協調染色體分離。但是作為另一種主要的細胞骨架組分，肌動蛋白並不被認為參與這個過程。Binyam Mogessie和Melina Schuh研究了染色體在哺乳動物細胞中是如何分離的。哺乳動物卵母細胞除了利用一種依賴於微管的機制之外，也利用由F-肌動蛋白組成的第二種紡錘體正確地分離它們的染色體。與紡錘體結合的肌動蛋白將微管成束地組裝成功能性的著絲粒絲（kinetochore fiber）。著絲粒絲是促進染色體分離的關鍵結構。增加或降低紡錘體中的肌動蛋白絲數量會導致著絲粒絲捆綁不平衡，從而導致染色體分離錯誤和非整倍體產生，在人類中，這經常會導致流產和唐氏綜合征。

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