科技名刊精选

透视儿童早期肠道菌群的形成以及早发型1型糖尿病儿童的肠道菌群

Nature封面：宝宝的安全毯。肠道菌群从婴儿出生到儿童时期的形成过程被认为对1型糖尿病等疾病病理具有重要影响。然而，微生物组在这一阶段的形成过程仍有许多未知之处。Nature杂志第7728期封面两篇论文通过引用迄今为止最完整的婴儿微生物组数据集，提出了关于这一过渡阶段的新见解。青少年糖尿病环境决定因素（TEDDY）研究囊括了来自美国、瑞典、德国和芬兰的6个研究中心的数据。第一篇论文由Joseph Petrosino及同事撰写，第二篇论文由Curtis Huttenhower及同事撰写。

大脑神经元的多样性

Nature封面：揭示多样性。Nature杂志第7729期封面文章报道了两篇大脑神经元多样性的研究论文。一篇论文揭示出了133种细胞类型，发现几乎所有类型的抑制性神经元在这两个脑区都有分布，而大部分兴奋性神经元的分布是脑区特异性的。另一篇论文研究表明，在前述细胞类型中，有多种对应了锥体束神经元，这些细胞类型的差异不仅仅体现在基因表达上，不同的锥体束神经元细胞类型分别与独特的一系列脑区相连，传递特殊的参与运动准备和启动的信号。这两项研究证明此类数据集能够展示神经元功能的微妙细节。

自下而上生物学——如何从头构建一个细胞

Nature封面：自下而上生物学。Nature杂志第7730期特刊报道了自下而上细胞生物学的潜力和潜在局限性。之前，科学家们为了破解细胞运作之谜，采用的标准方法通常是自上而下地剖析各种细胞成分在自然环境中的互作方式。如今，研究人员得以利用工程学原理和先进技术，自下而上地重建生物过程。此期特刊就探讨了自下而上细胞生物学的潜力和潜在局限性。从产生膜和代谢通路，到设计出可供医学应用的细胞样体系，再到研发出能伸展变形的细胞层，研究人员正在拼凑复杂的细胞世界的全貌。

人类妊娠早期母胎界面的单细胞重构

Nature封面：妊娠的秘密。Nature杂志第7731期封面文章报道了妊娠早期发生的细胞变化为生育成功奠定了基础。科学家Sarah Teichmann及其同事报告了母胎界面的单细胞图谱。他们对妊娠早期胎盘中的约7万个细胞及相匹配的母血细胞和子宫细胞进行了RNA测序，发现所涉细胞类型和支持胎儿生长的细胞间通信网络极其复杂。细胞间通信网络显示，母体免疫系统在胎盘植入子宫壁及其发育阶段中会产生适应变化，并起到支持作用。该图谱有助于阐明子痫前期和死产等妊娠相关问题的起因。

（本页期刊封面图来自Nature官网）

混合和匹配材料

Science封面：椰子变成汽车。Science杂志第6414期封面文章报道了有关生物，混合和碳基复合材料的研究和应用。这张由椰子变成汽车的奇异照片，代表了在商业复合材料中使用越来越多自然材料，尤其是在汽车行业。椰子纤维和椰子壳粉可以与多种聚合物结合，制成汽车零部件，包括车门覆层、结构防护和内部部件。我们所接触的世界是由被称为复合材料的相互交织的材料主宰的。在所有优秀的复合材料中，整体优于各部分的总和。对复合材料的研究也是如此，因为超越传统的材料来源可能会产生更好的复合材料。

气候变化影响滨鸟巢捕食的全球模式

Science封面：不安全的巢。Science杂志第6415封面文章报道了北极巢捕食的快速增加令全球滨鸟的种群伤害风险增加。Vojtěch Kubelka及其同事组建了一个来自237个群体的超过3.8万个具体滨鸟巢穴的全球数据库，进而对气候变化影响巢捕食模式进行了探索；他们发现，在过去的70年中，巢捕食的总体比率一直在上升之中。北极曾经是全球滨鸟繁殖的安全场所；近些年中，北极滨鸟的巢捕食率已经令热带滨鸟的巢捕食率大为逊色，逆转了长期存在的历史性的巢捕食率的纬度梯度。

优化饮食

Science封面：饮食和健康。Science杂志第6416期特刊探讨了我们所知道的以及我们需要学习的内容，关于健康的饮食定义。这种饮食既能维持强健的身体，又能预防与年龄有关的疾病。大量证据表明，饮食对人类健康和抵抗与衰老有关的疾病(如肥胖、心血管疾病和糖尿病)有重大影响。我们与消化系统中数以万亿计的细菌分享食物，有新兴研究领域探索了饮食如何影响我们与肠道共生体之间的相互作用。还需要更多精心设计的研究来确定最适合人们的饮食，以及在不同的生命阶段和不同的个体，饮食如何随活动而变化。

破解寒武纪

Science封面：加拿大Kootenay国家公园的一位古生物学家使用一把岩石锯来提取含有寒武纪化石的石板。Science杂志第6417期封面文章报道了Burgess页岩新的考古发现。1909年，在这个山谷上方40公里处，古生物学家发现了Burgess页岩，这是一个有5亿年历史的地层，记录了动物的柔软特征，如眼睛和内脏。今天，古生物学家已经证明，这种类型的保护延伸了数公里。通过新的化石和遗址，研究人员可能比以往任何时候都更接近于将这些奇怪的生物放置到生命树中的适当位置，并了解产生它们的“爆炸”。

（本页期刊封面图来自Science官网）

世界首例生物节律紊乱体细胞克隆猴模型

中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）、上海脑科学与类脑研究中心研究团队将“BMAL1敲除猕猴表现出睡眠紊乱与精神相关异常”和“利用体细胞核移植技术克隆基因敲除猴模型”两篇系列研究论文发表于《国家科学评论》。利用CRISPR/Cas9方法，敲除猴胚胎中的生物节律核心基因BMAL1，产生了一批BMAL1缺失的猕猴，所获得的5只BMAL1敲除猴表现出上述症状的严重程度不一致，因此不能作为理想的动物模型。为此，采集了1只睡眠紊乱最明显的BMAL1敲除猕猴的体细胞，通过体细胞克隆技术，获得了5只BMAL1基因敲除的克隆猴，首次成功构建一批遗传背景一致的生物节律紊乱猕猴模型。

5只BMAL1基因敲除的克隆猴（图片来源于中国科学院）

我国顶级综合英文期刊《国家科学评论》（图片来源于中国科学院神经科学研究所）

抗NMDAR脑炎的一个易感基因

中山大学附属第三医院神经科邱伟教授神经免疫团队与德国Borstel研究中心余新华教授免疫团队合作，鉴定出了抗NMDAR脑炎的一个易感基因：HLA_DRB1*16:02，相关论文发表于Journal of Neurology Neurosurgery and Psychiatry（JNNP）。通过对NMDA患者及健康南方汉族人群进行HLA基因分型，发现HLA_DRB1*16:02等位基因和抗NMDAR脑炎相关。除了增加疾病易感性外，HLA_DRB1*16:02等位基因和该疾病针对治疗反应相关，表现为携带该等位基因患者对治疗反应较差。利用生物信息技术分析发现，NMDAR的NR1亚单位上的抗原表位能够与HLA II类DRB1*16:02分子紧密结合，显示它可能是导致疾病的T细胞抗原表位。

用人工智能协助糖尿病分型，为精准化治疗糖尿病提供依据

北京大学人民医院纪立农团队利用数据驱动的方法确定了中国及美国初步诊断糖尿病人群的糖尿病5分型，为糖尿病的精准治疗提供理论依据。相关论文发表于《柳叶刀》糖尿病与内分泌子刊。通过将初发糖尿病的中国人群2316例和美国人群815例分别列入研究，使用人工智能中的聚类方法，采用年龄、BMI、血糖水平、胰岛素敏感性指数（HOMAIR）及胰岛细胞功能指数（HOMAB）5个维度将该两类人群分成了4个亚型。分析表明，4个亚型的主要临床特征在中国及美国人群中基本一致，并与北欧人群的亚型特点相重合。研究证实了5分型糖尿病的理论在不同的人群及种族之间保持稳定。

胰岛素分泌受“双开关”控制

首都医科大学附属北京同仁医院内分泌科杨金奎教授团队揭示体内胰岛素分泌除了受胰岛β细胞去极化钾通道KATP的调节，也受胰岛β细胞复极化钾通道KCNH6的调节，提出胰岛素分泌受“双开关”控制的理论。研究论文发表于Cell Reports。研究揭示了胰岛素分泌实际上是受“双开关”控制，即同时受去极化钾通道KATP和复极化钾通道KCNH6的调节。新发现的胰岛素分泌“开关”KCNH6基因突变，可导致从新生儿低血糖到成年糖尿病。正如60年前KATP钾通道“开关”用于胰岛素促分泌剂类口服降糖药的开发一样，未来胰岛素分泌的另一个“开关”KCNH6钾通道也将用于糖尿病的新药研发。

吗啡成瘾治疗的新通路靶点

浙江大学医学院神经科学中心李晓明课题组发现腹侧被盖区到中缝背核存在两条平行的抑制性通路，并发现了吗啡成瘾治疗的新靶点，研究论文发表于《神经元》。大脑中的腹侧被盖区到中缝背核存在两条平行的抑制性神经通路。一条是头端腹侧被盖区到中缝背核的抑制性GABA能神经元，另一条是尾端腹侧被盖区到中缝背核的五羟色胺能神经元。前一条通路特异地参与吗啡成瘾，激活它可以显著降低对吗啡的耐受和成瘾，但不影响吗啡的镇痛效果。新研究可更好地理解大脑中这两个脑区的解剖结构和功能，为阿片类物质成瘾的治疗提供了新的靶点，为临床上吗啡镇痛的长期应用提供了可能。

VTA与DRN之间微环路的模型示意图（VTA, ventral tegmental area, 腹侧被盖区；DRN, dorsal Raphael neucleu, 中缝背核；r:rostrl, 头端；c,caudal, 尾端）（图片来源于浙江大学基础医学院）

丙型肝炎抗病毒新药研究

北京大学人民医院肝病研究所魏来教授牵头的亚洲多中心慢性丙型肝炎抗病毒新药临床III期试验，研究药物是索磷布韦/维帕他韦片（sofosbuvir/velpatasvir），为丙型肝炎直接作用抗病毒药物中NS5A蛋白抑制剂和NS5B聚合酶抑制剂的复合片剂，该药物经过临床试验目前已经在我国获得批准上市，为丙型肝炎患者的治愈提供了高效安全方便的口服药物。研究论文发表于《柳叶刀—胃肠病与肝病》。丙型肝炎是一种主要经血液传播的疾病，丙型肝炎病毒慢性感染可导致肝脏慢性炎症坏死和纤维化，部分患者可发展为肝硬化甚至肝细胞癌，已成为严重的社会和公共卫生问题。

神经外单胺转运体作为脂肪细胞儿茶酚胺清除新机制

清华大学药学院陈立功课题组开展3型有机阳离子转运蛋白作为一种新型脂肪细胞儿茶酚胺类物质运载途径并介导白色脂肪棕色化过程的研究，论文发表于PLOS Biology。该研究发现白色脂肪细胞可通过3型阳离子转运蛋白转运儿茶酚胺类物质，最终调控白色脂肪的棕色化。肥胖是导致糖尿病、脂肪肝以及心血管疾病的重要诱因之一，据报道全世界大约有10%的人口患有肥胖或与肥胖相关的代谢疾病。脂肪组织主要分为3类：白色脂肪组织（White adipose tissues, WAT)、棕色脂肪组织（Brown adipose tissues, BAT)、米色脂肪组织（Beige adipose tissues)，功能不尽相同。

青少年大脑结构异常与精神疾病风险显著相关

复旦大学类脑智能科学与技术研究院冯建峰课题组对来自英美等6个国家20余所研究机构的超过1万例影像遗传学数据进行计算分析，通过全脑全基因组范围的“广泛搜索”，研究发现与青春期大脑壳核体积最为相关的基因位点同时也是精神分裂症的风险位点。相关论文以“与精神分裂症风险关联的非同义突变位点与大脑壳核体积相关：一项全脑体素-全基因组关联分析”为题发表于JAMA Psychiatry。精神疾病防治是当今世界各国面临的共同难题。有报道称在中国精神疾病已经超过心脑血管疾病和恶性肿瘤，成为医疗体系的最大负担。研究难点主要在于大脑在不同年龄受不同遗传信息影响。

极端湿润气候对森林生产力的补偿效应

北京大学城市与环境学院刘鸿雁教授研究团队综合利用1929条树轮序列、全球长时间序列遥感植被绿度观测数据和6个全球气候模式模拟结果，系统地研究了森林生产力对极端湿润事件的响应。相关研究成果发表于Nature Communications。全球气候变暖导致极端气候事件频发，对森林生态系统影响巨大。森林在经历极端湿润事件后，有持续1～5年的生长加速现象，总体上补偿了极端干旱事件的影响，并且这一补偿效应在干旱半干旱区森林中尤为明显。研究揭示了干旱区森林对于极端湿润和干旱事件的对称响应规律，提升了人们对于森林响应极端气候事件的认识，为改进陆面模型提供了理论基础。

树轮数据显示极端湿润气候促进森林生长能够补偿极端干旱气候导致的生长下降。采用不同参数表征的结果具有高度相似性，图中a为SPEI，标准化降水—蒸散系数；c为P-PET，降水量—潜在蒸散量；e为土壤含水量。b，d，f将这种补偿效应重新归类为不同年平均降水量区间以及裸子植物和被子植物森林类型进行更详细说明。（图片来源于北京大学新闻网）

全球海洋变暖做出更准确计算

中国科学院大气物理研究所成里京副研究员联合美国圣-托马斯大学J.Abraham、加州大学伯克利分校Z.Hausfather和美国大气研究中心K.Trenberth回答了“全球海洋到底变暖了多少”的问题，发表于Science。耦合模式比较计划5（CMIP5）模型集合平均可以模拟历史海洋变暖：1970年—2010年间，CMIP5模拟的海洋上层2000米变暖速率为0.39Wm-2。预估在rcp8.5情景下（假设未来不施行任何气候政策），2081年—2100年，整个上层2000米海洋将平均变暖0.78摄氏度（相对于1991年—2005年的平均状态），这是过去60年海洋变暖总量的6倍。在rcp2.6情景下（假设未来将接近或达到《巴黎协定》目标），2081年—2100年海洋上层2000米将平均变暖0.4摄氏度。

我国臭氧污染加剧原因

南京信息工程大学与哈佛大学空气质量和气候联合实验室携手研究发现，近几年细颗粒物PM2.5浓度下降加剧了地表臭氧污染，研究论文发表于PNAS（美国科学院院刊）。臭氧作为一种主要的空气污染物会危害人体健康和陆地生态系统。华北平原地区夏季臭氧增加的一个更重要因素是过去五年夏季PM2.5浓度降低了约40%，减少了气溶胶对HO2自由基的非均相吸收，进而加剧了臭氧的生成。为此，文章指出，在当前严峻的大气复合污染形势下，需要更加有力的措施去控制氮氧化物和挥发性有机化合物的排放，才能有效地控制臭氧污染、抵消由于颗粒物减少造成的臭氧增加，进而实现灰霾治理和臭氧控制的双赢。

中国淡咸水湖泊有色溶解性有机物的研究进展

中国科学院东北地理与农业生态研究所宋开山研究员、温志丹副研究员、美国印第安纳大学/普渡大学Pierre-Andre Jacinthe教授等合作，研究表明淡咸水湖泊CDOM的分布有显著差异性，这对于今后分析内陆湖泊在碳循环过程中的作用具有重要意义。研究论文发表于Water Research。溶解性有机物（DOM）是水体中有机碳最大的储存库，是地球水圈中有机碳的主要载体和生物体的主要底物，贡献于全球碳循环。DOM的组成结构和大小在一定程度上决定了碳循环和二氧化碳的排放，甚至可以影响全球气候的变化。有色溶解性有机物（CDOM）是DOM中的重要组成部分并广泛存在于各种天然水体中，是湖泊生态系统的重要影响物质。

气候对生物多样性纬度梯度格局的影响

中山大学生命科学学院储诚进教授课题组基于全球35个大型固定森林样地（CTFS-ForestGEO）的调查数据（样地分布于25.10°S～61.30°N之间，面积从9公顷至60公顷不等），系统地研究了气候和森林林分特征对树木纬度多样性梯度格局的影响。研究成果发表于Ecology Letters。生物多样性纬度梯度格局的形成机制是宏观生态学和生物地理学研究中最为基础的科学问题之一。研究结果发现：气候显著直接地影响着树木多样性；气候通过森林林分内树木个体数间接影响着全球的树木多样性；气候的直接影响强度要明显大于间接影响强度。

树木物种多样性等随纬度梯度的变化格局（图片来源于中山大学党委宣传部）

放牧对榆树疏林草原幼苗更新的影响

中国科学院沈阳应用生态研究所荒漠化防治组助理研究员王永翠等，调查研究了3种不同放牧强度对科尔沁沙地榆树疏林草原幼苗组成和功能的影响。研究论文发表于Land Degradation & Development。放牧是最重要的草地利用方式，是影响草地群落结构和功能的最主要人为干扰方式。放牧对草原生态系统的影响是多方面的，其影响形式和过程也是复杂多样的。中度放牧条件下植物群落具有较高的幼苗密度，且多年生草本植被数量较多，群落更加稳定；并且在中度放牧的条件下，牲畜不喜食幼苗和有毒幼苗的比例最低。该研究为更好地了解不同放牧强度如何影响榆树疏林草原幼苗组成和功能提供了有价值的数据。

中更新世气候转型研究新进展

中国科学院地球环境研究所孙有斌研究员团队与比利时和美国科学家合作，提出了“中更新世气候转型多样性表现”的新概念，强调了冰盖消长和温室气体浓度变化会改变地球气候系统尤其是低纬水文循环对外部强迫的响应，为理解过去季风变化机理和预测未来气候变化趋势提供了新视角。研究论文发表于Nature Communications。该研究聚焦黄土高原西北部巨厚的黄土沉积，通过环境钻探获取了430米高质量岩心，结合古地磁、26Al/10Be定年和对比构建黄土发育的年代标尺。利用高分辨率黄土碳酸盐碳同位素记录，重建了过去1.7Ma以来季风降水影响的植被变化。

葫芦洞石笋记录的末次冰期大气14C/12C变化

西安交通大学全球环境变化研究院程海教授等阐明葫芦洞石笋记录的末次冰期大气14C/12C变化，研究论文发表于Science。研究利用中国南京葫芦洞的两支石笋首次将石笋Δ14C记录拓展至过去5.4万年，涵盖了14C测年方法的整个年龄范围。该记录位于International Calibration(IntCal13)所采用的基本数据变化范围的中间值附近，具有很高的可信度。对于老于30 kaBP的时段，新葫芦洞Δ14C记录与IntCal13有一定不同。此外，还进一步证实了Δ14C的千年尺度变化主要受地磁场控制，例如两次著名的古地磁变弱事件（Mono Lake Excursion和Laschamp Event）均造成了Δ14C的异常高值。