Science 论文摘要 | 22 July 2016
Vol 353, Issue 6297
审校 史静雯 邓卓 赵维杰 谭坤
进化·生态·地质
Cospeciation of gut microbiota with hominids
原始人类与肠道菌群的协同种化
翻译 陈肖
Andrew H. Moeller, Alejandro Caro-Quintero, Deus Mjungu, Alexander V. Georgiev, Elizabeth V. Lonsdorf,Martin N. Muller, Anne E. Pusey, Martine Peeters, Beatrice H. Hahn, Howard Ochman
分布在人类肠道系统的细菌谱系的进化起源是个未知的问题。本研究表明，过去的1500万年中，肠道内主要细菌种群的多个谱系来源于和人类、黑猩猩、倭黑猩猩以及大猩猩的协同种化。对原始人类肠道微生物群落的菌株多样性分析揭示，类杆菌科和双歧杆菌科的进化分支被独有地保留在经过数十万代繁衍的宿主谱系中。这些协同种化的肠道细菌的分化时间与原始人类的分化时间一致，这表明在原始人类的进化过程中，其细胞核、线粒体和肠道细菌的基因组协同多样化。这项研究确认了人类肠道细菌起源于和人类及非洲猿猴同时进行种群进化的古老共生体。
Reciprocal signaling in honeyguide-human mutualism
响蜜鴷与人类互利共生的互惠信号
翻译 刘小鸥
Claire N. Spottiswoode, Keith S. Begg, Colleen M. Begg
黑喉响蜜鴷(Indicator indicator)指引采蜜人前往野生蜂巢，这是一例十分罕见的人类与独立生存的野生动物间互利的觅食合作关系。我们通过实验表明，一种莫桑比克采蜜人发出的寻找蜂巢的特定声音可以增强响蜜鴷的合作行为。相比于其它动物或人类具有相似振幅的声响，这种特殊声音将响蜜鴷指引的概率从约33%增加至66%，并因此将发现蜂巢的总概率从17%增加至54%。这些结果为野生动物在自然环境中自适应地回应人类合作信号提供了实验性的证据。
地下径流和蒸腾分配之间的联系
Reed M. Maxwell1, Laura E. Condon
翻译：赵维娜
了解大陆尺度的淡水通量有助于我们更好地预测水文响应和管理陆地水资源。进入裸露土壤的蒸发和植物蒸发的蒸散分配依然是陆地水平衡中一个关键的不确定性。我们利用植被和陆地能源过程加上地表和地下水文学的集成水文模拟方法对大陆规模的蒸腾作用分配进行研究。潜热通量与分配都与地下水位深度有联系，而当模型中包括横向地下水流动时会使得蒸腾分配从47 ± 13%增加到62 ± 12%。这表明在地球系统模型中通常被简化或排除的横向地下水流，能为全球陆地水通量的观测和模型之间所缺失的连接提供一道桥梁。
细胞生物学
Mitochondrial endonuclease G mediatesbreakdown of paternal mitochondria upon fertilization
线粒体核酸内切酶G在受精过程中介导父系线粒体的分解
翻译 雷文茜
Qinghua Zhou, Haimin Li, Hanzeng Li, AkihisaNakagawa, Jason L. J. Lin, Eui-Seung Lee, Brian L. Harry, Riley RobertSkeen-Gaar, Yuji Suehiro, Donna William, Shohei Mitani, Hanna S. Yuan, Byung-HoKang, Ding Xue
线粒体在多数动物中属于母系遗传，但是选择性父本线粒体消除（PME）的机制尚不明了。通过检测受精过程中的秀丽隐杆线虫，我们观测到父本线粒体在此过程中迅速失去了它们的内膜完整性。一种被称作CPS-6的核酸内切酶G是对于PME至关重要的父系线粒体因子。我们发现CPS-6在受精后会从父本线粒体内膜空间转移到基质并且降解线粒体DNA。这种酶与母本自噬体和蛋白酶体共同作用来促进PME。cps-6基因的缺失可以延迟父本线粒体内膜的瓦解、自噬体对父本线粒体外壳的分解，以及PME。PME的延迟可以引起胚胎死亡率的增加，这说明PME对动物的正常发育十分重要。因此，CPS-6在动物发育过程中发挥了父系线粒体降解因子的功能。
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Cdk5 disruption attenuates tumor PD-L1 expression and promotes antitumorimmunity
Cdk5的扰乱会降低肿瘤PD-L1的表达并提高抗肿瘤免疫力
翻译 苗润丰
R. Dixon Dorand,Joseph Nthale, Jay T. Myers, Deborah S. Barkauskas, Stefanie Avril1, Steven M.Chirieleison, Tej K. Pareek, Derek W. Abbott, Duncan S. Stearns, John J.Letterio, Alex Y. Huang, Agne Petrosiute
癌症细胞通常通过采用外周组织-耐受机制来逃避免疫监督，例如表达细胞程序性死亡配体1（programmed cell death ligand 1 , PD-L1），抑制PD-L1可导致有效的抗肿瘤免疫。我们的研究结果显示，一种在有丝分裂期后的神经元和多种癌症细胞中高活性的苏氨酸蛋白激酶，细胞周期依赖性蛋白激酶5（cyclin-dependent kinase 5, Cdk5)）使得成神经管细胞瘤（medulloblastoma, MB）逃避免疫清除。MB中干扰素γ（Interferon-γ, IFN-γ）诱导的PD-L1表达上调需要Cdk5，而且在MB小鼠模型中扰乱Cdk5的表达能导致强有力的CD4+ T细胞介导的肿瘤排斥。Cdk5缺失会导致PD-L1转录抑制因子，即干扰素调节因子IRF2 和IRF2BP2的持续表达，而它们的持续表达可能导致肿瘤细胞PD-L1表达量的降低。我们的研究结果强调了Cdk5在肿瘤细胞免疫检查点调控中的重要作用。
神经生物学
Competition between engrams influences fear memory formation and recall
记忆印迹之间的竞争能影响恐惧记忆的形成和回想
Asim J. Rashid, Chen Yan, Valentina Mercaldo, Hwa-Lin(Liz) Hsiang, Sungmo Park, Christina J. Cole, Antonietta De Cristofaro, JuliaYu, Charu Ramakrishnan, Soo Yeun Lee, Karl Deisseroth, Paul W. Frankland,Sheena A. Josselyn
叫做记忆印迹的细胞集合被认为用于呈现记忆。尽管在识别和操纵单一记忆印迹方面已近有了进步，但对多种记忆印迹如何相互作用影响记忆的了解还比较少。在外侧杏仁核（LA）中，在训练中有兴奋性增强的神经元会在分配记忆印迹时胜过与它们相邻的细胞。我们细查这种基于神经元的兴奋性的竞争也掌管记忆印迹之间的相互作用。小鼠接受到由不同间隔隔开的两种不同的恐惧条件反射事件。LA神经元兴奋性通过光遗传学进行操作，揭示了短暂的竞争过程整合了紧密发生的事件的记忆（共同分配重叠的神经元群体给两个记忆印迹），并且分离了间隔时间较长的事件的记忆（不共同分配不重叠的群体给每个记忆印迹）。
生物工程
Accurate design of megadalton-scale two-component icosahedral proteincomplexes
MDa级双组分二十面体蛋白质复合物的精确设计
翻译 雷文茜
Jacob B. Bale, Shane Gonen, Yuxi Liu, William Sheffler, Daniel Ellis,Chantz Thomas, Duilio Cascio, Todd O. Yeates, Tamir Gonen, Neil P. King, DavidBaker
自然提供了很多基于蛋白质自组装或共组装的分子机器：例如在重要生物化学反应中起到支架，催化和隔室作用的二十面体蛋白质笼；以及包裹并保护病毒基因组，并且介导病毒进入宿主细胞过程的二十面体病毒衣壳。受到自然材料的启发，我们完成了在分子量（1.8到2.8MDa）和尺寸（直径24到40 nm）方面与小型病毒衣壳相差无几的双组分共组装120亚单元二十面体蛋白质纳米结构的计算机设计和实验检测。电子显微镜、小角激光X射线散射和X射线晶体学检测结果显示，10种设计生成了三种不同的二十面体架构形式，组装结果与计算机设计一致。使用单独纯化得到的组分进行二十面体复合物体外组装时，组装的速度非常快，可以与病毒衣壳的组装速度相比较，并且，通过电荷互补可以实现分子货物的可控包装。设计具有原子级精确度和可控组装的MDa级结构打开了新一代基因可编程蛋白质分子机器的大门。
Synthetic recombinase-based state machines in livingcells
活体细胞内基于重组酶的人造状态机
（图片来源：）
翻译 刘小鸥
Nathaniel Roquet, Ava P. Soleimany, Alyssa C. Ferris,Scott Aaronson, Timothy K. Lu
状态机是处理顺序依赖信息的人造与自然计算系统背后复杂功能性的基础。我们通过改变化学控制的DNA删除与倒置操作在DNA序列中编码状态，开发出了一种基于重组酶在活体细胞内建立状态机的体系。该技术使得状态方便读出（通过测序和/或聚合酶链式反应），并使基因表达的复杂调控成为可能。我们通过改造大肠杆菌（Escherichiacoli）中的状态机验证了我们的体系，该状态机利用一、二或三种化学输入来控制达16种DNA态。这些状态机能够记录所有输入的时序，并完成基因表达的多端输入、多路输出控制。同时我们利用基于重组酶的状态机，开发出了一种基因调控程序自动化设计的计算工具。我们可扩展的体系应该能够为记录与研究复合事件与时间事件如何调控复杂细胞功能，以及编码复杂细胞行为提供新的策略。
物理·材料
Observation of the Efimovian expansion in scale-invariant Fermi gases
标度不变费米气体中的 Efimovian 膨胀现象
翻译 赵迪
Shujin Deng, Zhe-Yu Shi,Pengpeng Diao, Qianli Yu, Hui Zhai, Ran Qi, Haibin Wu
标度不变性(scale invariance)是与单一费米气体相关的一项重要性质。在量子少体系统中，离散标度对称性(discrete scaling symmetry)会表现为诸如Efimov效应等现象。在本文中我们报导了对标度不变量子气体的一种新的膨胀动力学机制所进行的理论分析和实验观察结果。作为时间t的倒数，保持费米气体的简谐势阱的频率会连续地衰减，而相应的，气体尺寸的膨胀过程将表现为一系列平台结构。这些平台的位置分布服从具有一个可控比例因子的离散几何标度定律，此时膨胀动力学可由一个log周期函数来表述。这种显著的膨胀现象与Efimov效应遵从同样的标度定律和数学描述。
Electron microscopy ofelectromagnetic waveforms
电磁波波形的电子显微镜观测
翻译 赵迪
A. Ryabov, P. Baum
快速变化的电磁场几乎是所有光电子器件操作的基础。本文中我们报导了利用电子显微镜测量具有亚周期和亚波长分辨率的载流子集体运动以及电磁场。我们使一束准直的飞秒级电脉冲通过事先用单周期电磁脉冲激发的超材料谐振器。如果探测电子通过时间少于半个场周期，那么使时间冻结的洛伦兹力将导致图像发生准经典的扭曲，并能达到准周期时间分辨率。运用泵浦-探测(pump-probe)序列技术得到的影像向我们揭示了样品的振荡电磁场矢量信息，包括时间、相位、振幅以及偏振等。这种波形电子显微镜可以在体积非常小、反应速度非常快的器件中对电动力学现象进行可视化观测。
Layered and scrolled nanocomposites with aligned semi-infinite grapheneinclusions at the platelet limit
基于半无限大规则排列石墨烯薄片的层状及卷状纳米复合材料
翻译 邓卓
Pingwei Liu, Zhong Jin, Georgios Katsukis, Lee William Drahushuk, StevenShimizu, Chih-Jen Shih, Eric D. Wetzel, Joshua K. Taggart-Scarff, Bo Qing,Krystyn J. Van Vliet, Richard Li, Brian L. Wardle, Michael S. Strano
二维(2D)材料具有能够在最大加固极限内将周围的一个复合材料体的物理维度延伸的独特能力。然而，具有高容积率的连续2D材料成分的排列和组装仍然是一个难题。在本文中我们运用了堆积和折叠的方法制造了具有320个平行材料层且规则排列的石墨烯/聚碳酸酯复合物。这些复合物的厚度从0.032毫米到0.11毫米，并且在低至0.082% 的容积率下能显著增大有效弹性模量和强度。此外我们还利用横向剪切卷动方法制造了一些阿基米德螺线状的纤维材料作为类比。这些独特的纤维在拉断时的延伸率可达到110%，比芳纶(Kevlar)大30倍。两种复合材料都保留了沿着石墨烯平面轴方向各向异性的电导性和石墨烯的透明性。这些复合技术确保了材料在极低容积率下能够保持很强的机械加固性质和良好的电学、光学性质。
A lightweight shape-memory magnesium alloy
一种轻量化的形状记忆镁合金
翻译 邓卓
Yukiko Ogawa, Daisuke Ando, Yuji Sutou, Junichi Koike
具有加热后形状复原和超弹性等特殊性质的形状记忆合金（SMA）为各个技术应用领域提供了多种优势。这些有特色的材料行为在许多多晶合金系统中都能观测到，例如基于镍钛(TiNi)，铜，铁，镍，钴和钛的合金系统，不过在诸如镁（Mg）和铝（Al）的轻量化合金中却未曾被发现。在本文中我们报导了一种基于Mg的SMA，这种合金不仅在150℃下展示出了4.4%的超弹性，还能在加热后复原形状。形状记忆性质是由可逆的马氏体相变导致的。这种Mg合金中包含了轻量的钪，而材料的密度大约是2克/立方厘米，比TiNi SMA的密度少了三分之一。对这一种合金材料的发现提高了轻量化SMA在多个工业领域的研发和应用潜力。
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