doi:10.1038/nature14245

 

 

成簇规律间隔短回文重复序列（Clustered regularly interspaced short palindromic repeat ，CRISPR）基因座和它们的关联蛋白质（Cas）对原核生物抵抗病毒感染提供了适应性免疫。面对感染时，被称作间隔序列（spacer）的短噬菌体序列融入CRISPR重复序列之间，且被转录为将Cas9核酸酶引向病毒目标（原型间隔序列）的小RNA分子。酿脓链球菌的Cas9切割病毒基因组需要5′-NGG-3′原型间隔序列邻近基序（protospacer adjacent motif, PAM）序列出现在病毒目标临近的下游。有正确的PAM位于侧翼的病毒序列是否及怎样被选为新的间隔序列尚属未知。本文证明，Cas9在间隔序列的获取时，通过识别PAM而选择功能性间隔序列。用缺少PAM识别基序或识别NGGNG PAM的等位基因替换cas9，则它们分别消除或改变了PAM在间隔序列采集时的特异性。Cas9与采集机制中其他蛋白质（Cas1,Cas2和Csn2）相关联，可能在该过程中提供PAM-特异性。这些结果为Cas9在原核免疫记忆的发生中的一项新功能建立了理论基础。

 

doi:10.1038/nature14167

 

 

宇宙最大的星系位于星系团的中心并被热气体所包围，如果没有干扰，热气体会很快冷却，产生远大于观测数量的新星体。冷却的过程可以通过中心黑洞的冷气吸积反馈来调控，但是要求吸积率根据热气的热力学状态精准调控。理论模型认为，冷气体云是通过热不稳定性和向黑洞吸积从而从热气体中凝结的，这解释了必要调控的来源。最近的观测证据表明，星系团中心大量的冷气体在预测的不稳定阈值附近快速增长。

 

这里我们的观测表明，此凝结阈值遍布星系团半径、质量和宇宙时间的很大范围。我们将该凝结阈值整合进星系团热气体热力学状态的理论框架。根据此框架，在一些巨行星系中凝结调控恒星形成，而在另外的巨行星系中，如果热传导补偿了辐射冷却并切断冷凝过程，就会阻碍恒星形成。

 

doi:10.1038/nature14262

 

 

科学家探测到从土星卫星土卫二上的羽流中发射的富钠盐冰颗粒并进行分析，发现这类颗粒是液态水与岩石互相作用产生的小液滴冷却后所形成的。引力场测量表面土卫二南极的地表30~40千米的冰盖下可能存在一个区域性的海洋，深度约10千米。这些结果暗示，在土卫二内核周围很可能有岩石与水的相互作用。而这类相互作用产生的化学物质则像脚印一样留在了液体中，并随后被输运到近表面的羽流中喷射出来，最终由飞船探测到。

 

科学家对这种富含硅的纳米尘埃颗粒（也叫流粒子）进行了分析，发现它与土星特有的由水冰主导的构成并不类似。他们认为，应当把这种颗粒看作是纳米量级大小的二氧化硅（SiO2）颗粒，原先嵌入在土卫二表面下的水域发射的冰颗粒中，随后在土星E环的飞溅下逸出。其组成与有限的大小范围（直径2到8纳米）都表明土卫二内部存在着高温（>90 °C）的热液反应以及全局的地热活动，这样才可能快速将热液产物从40千米深的海底向上输送到羽流中。

 

doi:10.1038/nature14223

 

 

科学家通过在光学晶格上构建超冷原子系统，有望能揭开许多重要多体物理现象的神秘面纱，其中就包括高温超导。铜氧超导的关键可以由Hubbard模型来进行刻画——这是一个用于描述在周期晶格上运动的费米子的简化版理论模型，它可以推导出铜氧化物的许多特征，比如由相互作用所导致的Mott绝缘体态，以及反铁磁态。通过在一个光学晶格上铺满二分量自旋的超冷原子费米气，科学家可以完美地实现Hubbard模型，进一步地通过调控参数来探索这个模型的相变行为。然而要实现强关联相极其困难，因为你需要把原子的温度降到与磁交换作用能相当的量级，而且可靠的测温仪器也是一个难题。在本文中，我们实现了在反铁磁相变温度的1.4倍温度下的三维Hubbard模型，并且利用自旋相关的Bragg散射测出了该系统中的反铁磁自旋关联。该系统的温度范围已经超越了常规高温级数展开的有效范围，这使得我们的实验十分接近目前所有数值技术的极限。要达到这样的低温，我们采用了补偿光晶格的方法——用一束蓝失谐的激光来补偿晶格光束的禁闭。通过把光散射类比为确定性量子蒙特卡洛模拟和数值相连集团展开计算，可以推算出晶格上的原子温度。更精细地补偿晶格可以导致更低的温度，结合光散射测热计科学家们有望能产生更多的新奇量子物态并对之进行刻画，比如二维Hubbard模型的赝能隙相区与关联金属态。

 

doi:10.1038/nature14172

 

 

由于可以将颗粒物有机碳封存于沉积物中，或通过微生物过程将陆地溶解有机物氧化成二氧化碳或甲烷，从而改变碳通量，北部湖泊已经成为生物地球化学的研究热点。目前，这类淡水湖泊（dilute lake）每年向大气中排放约1.4×1015克二氧化碳，而随着气温的升高以及更多可矿化的溶解有机物进入湖泊，二氧化碳排放量在未来很可能增加。目前，我们对于气候变化对富含碳的硬水湖泊以及咸水湖的潜在影响所知甚少，而这两类湖泊约占内陆水面面积的20%。本文分析了北美中部各类不同湖泊的多年气象变化记录、二氧化碳通量以及水化学过程，来研究影响pH值变化和碳交换的各种过程。研究发现，这些湖泊在上世纪90年代中期到2010年里逐渐从二氧化碳源转向二氧化碳汇，同时还伴随着年平均pH值的稳步上升。本文认为，观察到的pH值和二氧化碳吸收量的变化是由于全球变暖导致冰盖在春季融化更多，从而降低了蓄积在冰下的二氧化碳量，导致湖水春季和夏季的pH值增加，并加强了硬水湖泊对二氧化碳的化学吸收过程。研究认为，升高的气温并不意味着水圈内二氧化碳的排放量一定会增加。

 

doi:10.1038/nature13996

 

 

150年来，胚层的概念是发育生物学、分类学、系统学和生物演化中最重要的组织原则。三个胚层之一的中胚层出现在两侧对称动物中，但在刺胞动物门和栉水母动物门中缺失，证明中胚层是最后演化出现的胚层。然而，内、外胚层的起源问题却仍待解决。内、外亦或同时起源的解说均有不同模型支持。本文对秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）胚胎发育各个阶段中基因表达的时空组成部分进行了探究，并用其确定不同胚层的演化年龄。中胚层的基因表达程序在内、外胚层表达之后才开启，说明它在演化和个体发育过程中都缺失是最后产生的。令人震惊的是，秀丽隐杆线虫内胚层和外胚层的表达程序并非被共同诱导，而是内胚层程序率先开启。在热带爪蟾（Xenopus tropicalis）、星状海葵（Nematostella vectensis）和堡礁海绵（Amphimedon queenslandica）的胚胎学研究中，对内胚层直系同源表达的观察也都得到了相同的现象。研究某个特定表达基因的系统发生年龄揭示出，内胚层由更古老的基因表达而成。综合来说，本文认为，内胚层程序可以追溯到多细胞生物的起源，而外胚层作为次级胚层产生，是古老捕食功能演化而来。

 

doi:10.1038/nature14135

 

 

 

尽管在过去的30年中，我们主要利用表型研究，成功地发现了许多单基因疾病的遗传成因，然而多达半数的、很可能有着由遗传因素引起的严重发育障碍的儿童们，仍然没有得到遗传诊断。尤其富有挑战性的是那些过于稀少、以致未能被识别为一个离散的临床实体的，或者具有高度可变临床症状的，以及与其他症状极其相似而难以区分的发育障碍。本文证明，一个无偏的基于基因型的方法，有能力鉴别患有相似疾病的患者亚群。通过运用外显子组测序和基于阵列的染色体重排检测，本研究组研究了1133个患有严重且未能诊断的发育障碍的儿童和他们的父母，我们发现了12个与发育障碍相关的基因。这些新的相关基因将可被诊断的儿童比例提高了10%（从28%到31%）。对其中的6个新相关基因中的错义突变进行聚类分析显示，正常的发育被扰乱往往是由于激活或显性负效应机制。我们的发现证明，基因组范围和全国范围内的全面的策略，对于解释稀少遗传障碍的潜在成因有巨大价值。

 

doi:10.1038/nature14024

 

 

 

集体行为增强动物群组的环境感知和决策能力。对鱼、鸟、人类等群体的实验和理论调查已阐明个体间简单的互动可以解释突发性群体动力学。这些发现表明，有支持动物分布行为的神经回路的存在,但是与之相关的感觉通路的细胞和分子层面的机制尚且未知。本文指出，黑腹果蝇对一种难闻气味表现出集体反应：果蝇个体不能很好地回避该气味刺激，但是群体逃跑反应能力明显增强。用高分辨率的行为跟踪技术、计算机模拟、基因干扰、神经沉默和光遗传学激活，本文阐明这种对气味的集体回避源于成对果蝇间附肢接触相互作用的级联反应。果蝇间的触摸传感和集体行为需要腿末梢的机械感觉感受器神经元以及NOMPC机械感觉通道的活性。值得注意的是，通过这些果蝇间的交流，野生型果蝇可以引导无法感受气味的变异果蝇进行回避行为——这是交流的一种基本形式。我们的数据强调了独居物种感官反应中社会环境未曾被预料到的重要性，并为动物群体中集体性为神经回路水平的理解打开了大门。

 

doi:10.1038/nature14035

 

 

食欲素（又称下丘脑分泌素）G-蛋白偶联受体（GPCRs）在中枢神经系统中对食欲素神经肽起反应，以调节人类的睡眠及其他行为功能。食欲素信号转导的缺陷将引起人类的昏睡病和猝倒症；抑制食欲素受体是失眠的有效治疗方法。人类OX2受体（OX2R）属于GPCRs视紫质家族β分支，能与多种化合物相结合，包括天然肽激动剂食欲素A和食欲素B及有效的治疗性抑制剂suvorexant。本研究使用脂类介导的结晶手段和对一个新融合嵌合体进行蛋白质工程，解析了在2.5 Å 分辨率上与suvorexant相结合的人类OX2R的结构。结构显示suvorexant采取π-堆叠的马蹄铁状构象，结合在受体正位口袋的深处，同时稳定细胞外盐桥网络、阻断对激活必要的跨膜螺旋运动。计算对接显示，其他种类的合成拮抗剂可能与受体在相似的位置以类似的π-堆叠方式相互作用。对人体OX2R分子结构的阐明拓展了我们对于肽能GPCR配体识别的理解，并将有助于的对调节食欲素信号转导的进一步研究，最终应用于治疗。

 

（来自《自然》，翻译：朱国毅、杨玉洁、高睿、魏若妍、程孙雪子、王增妹；审校：李伯勋、程孙雪子、刘奇、丁家琦）