艾德思：Nature20190626期最新15篇前沿研究导读

1. Nature最新 -- 视觉皮质群体反应的高维几何学 High-dimensional geometry ofpopulation responses in visual cortex CarsenStringer , Marius Pachitariu (神经科学)

摘要

当刺激反应发生在高维且不相关时,神经元群对信息的编码效率最高,而当刺激反应发生在低维且相关时,神经元群的编码效率最为稳定.本研究们分析了清醒小鼠视觉皮层中大量神经元对自然图像的编码维数.诱发了群体的高维活动,出乎意料的是,相关性服从幂律:第 n 个主成分的方差按 1/ n 缩放.这种缩放不是从自然图像的幂律谱中继承的,因为它在刺激白化后仍然存在.我们从数学上证明了, 如果方差谱衰减得更慢,那么群体编码就不可能是平滑的,从而允许输入的微小变化主导种群活动.该理论还预测低维刺激系统有更大的幂律指数, 这一点我们也通过实验进行了验证. 这些结果表明,编码平滑度可能是决定神经总体编码相关性的基本约束.

  2. 磁性的光波动态控制

Light-wave dynamic control ofmagnetism Florian Siegrist ,  MartinSchultze  ( 量子光学 )

摘要

许多早期实验中观察到的以及麦克斯韦方程组中所描述的电子和磁现象之间神秘的相互作用,推动了现代电磁学的发展.如今,超短激光脉冲电场的完全受控演化使物质的电子特性能够直接和超快地调谐,而这种调谐是光波电子学的基石.相比之下,由于光和自旋之间缺乏一阶相互作用,物质的磁性能只能通过一系列的光激发和随后自旋结构的重新排列,在更长的时间尺度上间接地受到影响. 本研究介绍了超快相干磁性机制,并说明了怎样通过光的电场振荡直接控制铁磁层叠加的磁性能,从而将对外部刺激的磁响应时间缩短两个数量级. 为了实时跟踪展开动力学,我们开发了一种阿托秒时间分辨磁圆二色性检测方案,揭示了光诱导自旋和轨道动量转移与光场驱动的相干电荷重定位具有同步性. 通过从头算量子动力学模型,我们发现该机制怎样同时控制自旋电子和磁性能,这对自旋电子的功能至关重要 . 我们的研究揭示了自旋动力学的光场相干控制和初始非耗散时间域的宏观磁矩,并建立了光学频率作为未来相干自旋电子应用/自旋晶体管和数据存储介质的速度限制.

  3. Natur e 最新 --UDP - 葡萄糖可加速 SNAI1 mRNA 的降解,抑制肺癌的转移

UDP-glucose accelerates  SNAI1  mRNA decay and impairs lungcancer metastasis Xiongjun Wang ( 细胞生物学 ),  Guohui Li ( 分子建模与设计 )

摘要

癌症转移是癌症发病率和死亡率的主要原因,占癌症相关死亡的 95% .癌细胞经常重新调整它们的新陈代谢来有效地支持细胞增殖和存活.然而,这些代谢变化是否以及怎样促进肿瘤细胞的迁移在很大程度上仍不清楚. UDP- 葡萄糖 -6- 脱氢酶( UGDH )是糖醛酸途径中的关键酶,将 UDP 葡萄糖转化为 UDP 葡萄糖醛酸.本研究发现 EGFR 激活后, UGDH 在人肺癌细胞中在酪氨酸 473 被磷酸化.磷酸化的 UGDH 与 Hu 抗原 R ( HuR )相互作用,将 UDP- 葡萄糖转化为 UDP- 葡萄糖醛酸,减弱了由 UDP- 葡萄糖介导的对 HuR 与 SNAI1 mRNA 结合的抑制,从而增强了 SNAI1 mRNA 的稳定性. SNAI1 产量的增加启动了上皮 - 间质转化,从而促进肿瘤细胞的迁移和肺癌的转移.此外, UGDH 在酪氨酸 473 位点的磷酸化与肺癌患者转移复发和预后不良有关.我们的发现揭示了 UDP- 葡萄糖对肺癌转移的抑制作用,并揭示了 UGDH 通过增加 SNAI1 mRNA 的稳定性促进肿瘤转移的机制.

 

4. Nature 揭示 -- FOXA1 突变改变了前列腺癌的先锋活性/分化和表型 FOXA1  mutations alter pioneeringactivity, differentiation and prostate cancer phenotypes Elizabeth J. Adams ,  Charles L.Sawyers  ( 人类肿瘤和发病机制 )

摘要

转录因子 FOXA1 的突变定义了前列腺癌的一个独特子集,但这些突变的功能后果以及它们是否会导致功能的增加或减少尚不清楚.本研究通过对 3086 例人类前列腺癌 FOXA1 突变情况的注释,我们在叉头区定义了两个热点: Wing2 (约占所有突变的 50% )和高度保守的 DNA 接触残基 R219 (约占所有突变的 5% ). Wing2 突变在腺癌的各个阶段都能检测到,而 R219 突变在具有神经内分泌组织学特征的转移性肿瘤中富集.通过对野生型 FOXA1 和 14 个 FOXA1 突变体生物学特性进行研究,我们揭示了 FOXA1 突变体在小鼠前列腺类器官增殖实验中的功能增强.这些突变体中的 12 个,以及野生型 FOXA1 ,促进了一个夸大的前腔分化程序,而两个不同的 R219 突变体阻断了腔分化,激活了一个间充质和神经内分泌转录程序.通过对野生型 FOXA1 和代表性 Wing2 和 R219 突变体进行测序( ATAC-seq ),对转座酶可接近性染色质进行了测定,发现在数千个基因组位点和 FOXA1 结合的暴露位点的开放染色质发生了显著的突变特异性变化,以及相关的基因表达增加.值得注意的是, 在表达 R219 突变体的细胞中, ATAC-seq 的峰缺乏典型的核心 FOXA1 结合基序( GTAAAC/T ),但富集为一个相关的非典型基序( GTAAAG/a ),在报告分析中,该非典型基序由 R219 突变体 FOXA1 优先激活.因此, FOXA1 突变改变了其先锋作用,扰乱了正常的腔上皮分化程序,为谱系可塑性在癌症进展中的作用提供了进一步的支持.

 

5. Nature 最新 — 使用原子分辨率的电子断层扫描观察四维晶体成核 Observing crystal nucleation infour dimensions using atomic electron tomography Jihan Zhou ,  JianweiMiao  ( 物理学和天文学 )

摘要

成核在从结晶/融化和蒸发到云的形成和神经退行性疾病的发生等一系列物理和生物现象中都起着至关重要的作用.然而,实验研究成核颇具挑战性,特别是在其早期阶段,在这一阶段,几个原子或分子开始从一个母相形成一个新的阶段.许多实验和计算方式已被用来研究成核过程,但三维原子结构和早期原子核动力学一直无法通过实验测定.本研究使用原子电子断层扫描在原子分辨率上研究了四个维度(即,包括时间)内的早期成核.以 FePt 纳米粒子为模型系统,我们发现早期的核形状不规则,每个核都有一个由单个到几个具有最大序参数的原子核,以及从核到核边界的序参数梯度点.我们捕获了同一核在生长/波动/溶解/合并和 / 或分裂过程中的结构和动力学,这些过程受序参数分布及其梯度的调节.通过对 Pt 液固相变中多相和均相成核的分子动力学模拟,证实了上述实验结果. 我们的实验和分子动力学结果表明,需要超越经典成核理论的理论来描述原子尺度上的早期成核.我们预计,该方式将为材料科学/纳米科学/凝聚态物理和化学的许多基本问题的研究打开大门,如相变/原子扩散/晶界动力学/界面运动/缺陷动力学和四维原子分辨率的表面重建.

 

  6. Nature 揭示 -- 神经紧张素受体 1–G i1 复合物的构象转变

 

Conformational transitions of aneurotensin receptor 1–G i1  complex Hideaki E. Kato ,  Brian K.Kobilka ( 分子细胞生理学 )

摘要

神经紧张素受体 1 ( NTSR1 )是一种 G 蛋白偶联受体( GPCR ),涉及多种 G 蛋白亚型,参与调节血压/体温/体重和对疼痛的反应.本研究提出了与激动剂 JMV449 和异三聚体 G i1 蛋白复合的人类 NTSR1 结构,分辨率为 3Å .我们鉴定了两个构象:标准态复合物,类似于最近报道的 GPCR–G i/0 复合物(其中核苷酸结合口袋采用可能促进核苷酸交换的更灵活构象),和一个非标准态复合物,其中 G 蛋白相对于受体旋转了 45 度,具有更刚性的核苷酸结合口袋. 在非复合物态下, NTSR1 表现出活性构象和非活性构象的特征,说明该结构可能是 G 蛋白活化途径上的一种中间形式.这一结构信息,辅以分子动力学模拟和功能研究,为深入了解 G 蛋白活化的复杂过程提供了见解.

 

7. Nature 揭示 —P4 型 ATP 酶脂质翻转酶的结构及其自身调控 Structure and autoregulation of aP4-ATPase lipid flippase Milena Timcenko ( 分子医学 ),  GuillaumeLenoir ( 综合生物学 )  

摘要

P4 型 ATP 酶( P4-ATP 酶)是一种脂质翻转酶,驱动着磷脂从胞质或腔内小叶向真核细胞膜的胞质小叶主动转运. P4-ATP 酶的分子结构及其识别和转运脂类的机制尚不清楚.本文描述了 P4-ATP 酶 Drs2p–Cdc50p 的低温电子显微镜结构. Drs2p–cdc50p 是一种磷脂酰丝氨酸和磷脂酰乙醇胺特异性酶酿酒酵母脂质翻转酶. Drs2p–cdc50p 由 Drs2p 的 C 端尾部自抑制,并由脂质磷脂酰肌醇 -4- 磷酸( PtdIns4P 或 PI4P )激活.我们给出了分别代表自抑制/中间和完全激活状态复合物的三种结构. 分析强调了 P4-ATP 酶的特异性,揭示了其自身抑制和 PI4P 依赖激活的位点.我们还观察到该翻转酶中一个假定的脂质易位通路,该通路涉及跨膜段 4 中的保守 PISL 基序和跨膜段 2 和 5 的极性残基,特别是位于脂质双分子层中心的 Lys1018 .

 

  8. Nature 揭示 -- 石墨烯纳米带合成的 APEX 聚合技术

Living annulative π-extensionpolymerization for graphene nanoribbon synthesis Yuuta Yano ,  Hideto Ito  ( 纳米碳 )

摘要

石墨烯纳米带( GNRs )的性质 —— 如导电性或半导性/电荷迁移率和开关比 —— 在很大程度上取决于它们的宽度/长度和边缘结构.现有的自下向上合成 GNRs 的方式无法同时控制这三个参数,而由于逐步聚合的性质,长度控制尤其具有挑战性. 本研究描述了 APEX 聚合技术,可迅速模块化合成 GNRs ,并控制其宽度/边缘结构和长度.在存在钯 / 银盐/邻四氯苯醌和引发剂(菲或二苯乙炔)的情况下,苯并萘酚基硅单体以环状聚合的方法提供峡湾型 GNRs .仅改变引发剂与单体的比例就可以控制这些 GNR 的长度,从而实现了 GNR 嵌段共聚物的合成. 本方式是一种直接 C–H 芳基化聚合和阶梯聚合,激活了多环芳烃的两个 C–H 键,在每个链增长阶段构建了一个熔融芳香环.

 

  9. Nature 重磅 -- 昆虫大小扑翼微型飞行器实现了无系留飞行

Untethered flight of aninsect-sized flapping-wing microscale aerial vehicle Noah T. Jafferis ,  E. FarrellHelbling ( 工程及应用科学 )  

摘要

任何规模比空气重的飞行都需要消耗巨大能量.这种情况在小尺度下会大大加剧,到目前为止,昆虫大小的机器人(质量小于 500 毫克,翼展小于 5 厘米)的无系留飞行仍然是一个无法逾越的障碍.因此,由于在有限的有效载荷能力内集成机载电子设备所面临的挑战,这些飞行器飞行时需要连接到舷外电源和信号发生器上.本研究解决了这些挑战, 使昆虫大小的扑翼微型飞行器实现了持续无系留飞行. 90 毫克中的飞行器有四个翅膀,分别由两个氧化铝强化的压电致动器驱动,以提高气动效率(相对于类似扑翼飞行器,效率提高了 29% ),实现了 的峰值升重比,单位肌肉质量推力比典型生物类似物更大. 该飞行器的集成系统以及无系留飞行所需的电子设备(光伏阵列和信号发生器)总重 259 毫克,额外的有效载荷能力允许附加其他机载设备.该系统只消耗 110–120 毫瓦电力,其推力效率与蜜蜂等体型类似的昆虫相当.所设计的昆虫大小飞行器是迄今为止可实现持续无系留飞行(相对于脉冲跳跃或起飞)的最轻飞行器.

 

  10. Nature 最新 -- 晚期前列腺癌中激活 FOXA1 改变的不同结构类型

 

Distinct structural classes of activatingFOXA1 alterations in advanced prostate cancer Abhijit Parolia ,  Arul M.Chinnaiyan  ( 临床病理 )

摘要

叉头盒蛋白 A1 ( FOXA1 )是一种先锋转录因子,对包括前列腺在内的多种内胚层器官的正常发育至关重要. FOXA1 在激素受体驱动的前列腺/乳腺/膀胱和唾液腺肿瘤中经常发生突变.然而,目前还不清楚 FOXA1 的改变怎样影响癌症的发展,而 FOXA1 之前被认为具有抑制肿瘤和致癌的作用.本研究收集了 1546 例前列腺癌队列研究数据,发现 FOXA1 的改变可分为三个结构类别,这些类别在临床发病率和遗传共改变方面存在差异,总体患病率为 35% .第 1 类激活突变起源于早期前列腺癌, ETS 或 SPOP 尚未发生改变,在 DNA 结合叉头区 wing-2 区域选择性复发,增强染色质迁移率和结合频率,并强烈反式激活前列腺癌发生的腔内雄激素受体程序.相比之下,第 2 类激活突变发现于转移性前列腺癌中,截断了 FOXA1 的 C 端区域,通过增加 DNA 亲和力使显性染色质结合,并通过在 WNT 通路驱动下的 TLE3 失活促进转移.最后,第 3 类基因组重排在转移性前列腺癌中富集,包括 FOXA1 位点的重复和易位,并在结构上重新定位一个保守的调控元件(此处称为 FOXMIND ),以驱动 FOXA1 或其他癌基因的过表达.我们的 研究重申了 FOXA1 在介导雄激素受体驱动的肿瘤发生中的核心作用,并为不同类型的 FOXA1 改变怎样促进前列腺癌的发生和 / 或转移进展提供了机制上的见解.这些结果对于理解其他激素受体驱动的癌症的病理生物学具有直接意义,并证明了在治疗策略中联合靶向 FOXA1 活性具有合理性.

 

  11. Nature 揭示 -- lncRNAs 在不同哺乳动物器官和物种间的发育动态

Developmental dynamics of lncRNAsacross mammalian organs and species Ioannis Sarropoulos ,  MargaridaCardoso-Moreira (  分子生物学 )

摘要

虽然在人类和其他哺乳动物基因组中已经发现了许多长链非编码 RNAs ( lncRNAs ),但这些分子的功能尚未进行充分的系统表征.特别是, lncRNAs 对器官发育的贡献在很大程度上仍未探索.本研究分析了 lncRNAs 在 7 个物种(人类/恒河猴/小鼠/大鼠/兔子/负鼠和鸡)中 7 个主要器官从早期器官发生到成年等不同发育时间点的表达模式.经分析, 在每个物种中发现了大约 15,000 到 35,000 个候选 lncRNAs ,其中大多数具有物种特异性. 我们对 lncRNAs 在不同发育阶段的表达模式进行了表征,发现许多具有跨时间动态表达模式的 lncRNAs 表现出功能丰富的特征. 在发展过程中,广泛表达和保守的 lncRNAs 有向越来越多的谱系和器官特异性 lncRNAs 过渡的趋势.我们的研究为候选 lncRNAs 及其在哺乳动物器官发育中的表达和进化保护模式提供了信息.

 

  12. Nature 最新 -- 基因在哺乳动物器官发育中的表达

Gene expression across mammalianorgan development Margarida Cardoso-Moreira (  分子生物学 ),  JeanHalbert ( 整合基因组学 )

摘要

在哺乳动物器官发育过程中,基因表达的进化在很大程度上仍未阐明.本文报道了人类/恒河猴/小鼠/大鼠/兔子/负鼠和鸡中 7 种器官(大脑/小脑/心脏/肾脏/肝脏/卵巢和睾丸)从早期器官发生到成年等不同发育时间点的转录组.通过比较基因表达模式确定了不同物种之间发育阶段的对应关系,以及性腺发育过程中关键事件发生时间的差异.我们发现, 在发育过程中,基因表达的广度和纯化选择的程度逐渐下降,而新基因的阳性选择和表达量增加.我们发现不同物种个体基因表达的时间轨迹存在差异,其中脑组织基因表达的时间轨迹变化百分比最小,肝脏和睾丸的变化百分比最大. 研究提供了跨越 7 个物种 7 个器官发育的转录组信息,并为表征哺乳动物器官发育和进化特征进行了比较分析.

   

13. Nature 揭示 -- 微机械运动产生的静止纠缠辐射 Stationary entangled radiationfrom micromechanical motion S. Barzanjeh ,  E. S.Redchenko (物理)

摘要

机械系统促进了由电/光/原子和声学等自由度组成的混合量子技术的发展,而纠缠是实现量子器件的关键.连续变量纠缠场,即爱因斯坦 – 波多尔斯基 – 罗森( EPR )态,是一种空间分离的双模压缩态,可用于量子隐形传态和量子通信.在光学领域, EPR 态通常由非简并光学放大器产生,在微波频率下,约瑟夫森结电路可以作为非线性介质.一个突出的目标是用机械振荡器确定性地产生和分布纠缠态,这需要在超低噪声环境中保持激励/冷却和耗散之间的平衡.本研究观察了一个参数驱动的 30 微米长的硅纳米串振荡器对路径纠缠微波辐射的稳态发射,该振荡器将两种热模的联合场算符在真空水平以下压缩了 分贝. 这个微机械系统的运动每秒每赫兹与 50 个光子相关联,从而产生了一种对微波噪声具有很强鲁棒性的量子不和谐.这种可分离态的广义量子关联对量子增强探测非常重要, 它直接证明了机械振荡器的非经典性质,无需直接测量其状态. 这种非侵入式测量方案使我们可推断出其他不可接近物体的信息,对传感/开放系统动力学和量子引力的基本测试具有潜在意义. 在未来,类似的片上设备可以用来纠缠不同能量尺度的子系统,比如微波和光学光子.

 

  14. Nature 揭示 — 脚部胼胝组织厚度未降低行走时的触觉敏感性   

 

Foot callus thickness does nottrade off protection for tactile sensitivity during walking Nicholas B. Holowka ,  Daniel E.Lieberman  ( 人类进化生物学 )

摘要

直到最近,人类才和其他动物一样习惯赤脚行走.因此,我们的脚底成为了行走时身体和地面直接接触的唯一部位.有间接证据表明,凉鞋和软皮鞋等鞋类是在过去 4 万年里首次发明的,所发现的最古老的鞋子可以追溯到 8000 年前,带有缓冲鞋跟的廉价鞋子直到工业革命才面世.因为胼胝组织,即增厚和硬化的皮肤表皮层区域的进化是用于保护脚部,本研究拟在探索人们穿不同鞋子行走时是否在触觉敏感性上会有不同,特别是在最初接触时,在光滑/研磨或其他有害或不舒服路面上行走时是否可以提高安全性.研究显示,正如预期的那样,经常赤脚走路的肯尼亚人和美国人的胼胝组织比通常穿鞋走路的人更厚/更硬.然而, 与鞋子不同,胼胝组织的厚度(以硬度为衡量标准)并不能抵消在行走过程中感知触觉刺激的能力.此外,由冲击力可以发现,与缓冲鞋类不同,胼胝组织的厚度不影响脚在行走时撞击地面的力度.除了以降低触觉灵敏度为代价来提供保护和舒适外,缓冲鞋类还能降低碰撞时的负重,但会增加力脉冲,这对骨骼有未知影响,需要在未来进行研究.

   

15. Nature 最新 -- 肺鳞癌早期发生中肿瘤侵袭前的免疫逃避   Immune evasion before tumourinvasion in early lung squamous carcinogenesis Céline Mascaux ,  Jérôme Galon  ( 重症监护和胸腔肿瘤 )

摘要

尽早发现和治疗对于提高癌症患者的预后至关重要.了解癌症发生的未知生物学需要破译癌前病变的分子过程,并揭示癌症发展过程中局部免疫反应的决定因素.已有研究证明,癌症早期具有最强的肿瘤内适应性免疫反应.本研究发现免疫激活和免疫逃逸发生在肿瘤侵袭之前,并揭示了肺癌侵袭前阶段的相关免疫生物标志物.我们使用基因表达谱和多光谱成像分析了肺鳞癌发展的 9 个形态学阶段的数据集,其中包括来自 77 例患者的 122 例注释良好的活体组织切片.我们鉴定了癌症和免疫途径的进化轨迹,包括: (1) 从正常组织到癌组织增殖和 DNA 修复的线性增长; (2) 在低级别侵袭前病变中,通过激活常驻免疫细胞,使代谢和早期免疫传感短暂增加; (3) 通过免疫检查点激活免疫反应和免疫逃逸,高级别侵袭前病变的抑制白细胞介素; (4) 肿瘤侵袭期上皮 - 间质转化的活化. 我们认为肺癌的发生与侵袭前支气管细胞和免疫反应的动态共同进化有关.这些发现强调了为早期检测开发免疫生物标志物/以及为肺癌高危人群开发基于免疫治疗的化学预防方式的必要性.

 

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