《Science》期刊本周精华

本周又有一期新的Science期刊（2018年6月1日）发布，它有哪些精彩研究呢？一起来看！

图片来自Science期刊

1.Science：重磅！开发出感知压力和让分离的蟑螂腿移动的人造神经

尽管可能是了不起的工程技术，但当今的假肢装置可能无法让人类大脑感到满意。瑞典隆德大学神经生理学家Henrik Jörntell 说，“如果你有一只假手. . .你能够以一种非常粗暴的方式控制它，但它没有给出任何反馈，那么它对病人来说就变成了更大的精神负担，并且他们通常在一段时间后会将他们的假体放到架子上。”

但是，在一项新的Jörntell没有参与的研究中，他看到了有朝一日解决这种问题的可能性。在这项研究中，来自美国斯坦福大学、中国南开大学、韩国首尔国立大学和庆熙大学的研究人员报道了首个能够检测压力的人造神经，在将这种人造神经连接到蟑螂的一只分离的腿上后，它甚至能够让这只分离的腿移动。这些作者们提出类似的传感器可能有朝一日整合到假肢中，从而使得它们能够向用户传递触摸信息。相关研究结果发表在2018年6月1日的Science期刊上，论文标题为“A bioinspired flexible organic artificial afferent nerve”。

为了开发这种装置，Lee的研究团队与斯坦福大学化学工程师Zhenan Bao合作，将三种组分组合成一种几厘米长的扁平柔性片材，这三种组分分别为由有机聚合物、碳纳米管和金电极制成的压力传感器；将这种传感器的输入转换为电脉冲的环形振荡器；将来自多个环形振荡器的输入组合成电流的晶体管。Bao说，“当我们构建一个系统时，如果一个部件的行为不符合它的要求，那么整个系统就会失败。最具挑战性的地方在于真正地让所有这三个部件以一种紧密结合的方式一起发挥作用，并能够真正地展示一种功能。”

Bao说，“我们仍处于开发能够被整合到假体皮肤中的人造神经系统的早期阶段。”人体皮肤“能够检测热量、能够检测振动、压力和各种不同形式的力。要真正模仿我们的皮肤. . .我们需要整合其他的传感器，提高我们能够实现的整合度，并进一步提高这种装置的稳定性和可靠性。”

原文：“A bioinspired flexible organic artificial afferent nerve

DOI号：10.1126/science.aao0098 

原文：“Neuromorphic circuits impart a sense of touch

DOI号：10.1126/science.aat3125

2、3、4.重大进展！三篇Science揭示单个细胞形成完整有机体的基因图谱

不论是蠕虫、人类还是蓝鲸，所有的多细胞生物都是从单个细胞卵子开始的。这个细胞产生形成有机体所需的许多其他的细胞，而且每个新的细胞都是在合适的时间在合适的位置上产生的，从而通过与它的相邻细胞进行合作而精确地发挥它的功能。这一壮举是自然界中最引人注目的成就之一，而且尽管经过了几十年的研究，生物学家们还是对这一过程知之甚少。

如今，在三项具有里程碑意义的研究中，来自美国哈佛医学院和哈佛大学的研究人员报道他们如何系统性地对发育中的斑马鱼和热带爪蟾（Xenopus tropicalis）胚胎内的每个细胞进行分析，从而确定揭示单个细胞如何形成一个完整有机体的路线图。

这些研究人员利用单细胞测序技术追踪了胚胎生命的最初24小时内单个细胞的命运。 他们的分析揭示出当胚胎转变为新的细胞状态和类型时，哪些基因开启或关闭以及何时发生的完整图谱。总之，这些发现代表着在两种重要的模式生物中产生不同的细胞类型的基因“配方”目录，并且为研究发育生物学和疾病提供了前所未有的资源。这三项研究的结果于2018年4月26日同时在线发表在Science期刊上，论文标题分别为“Single-cell mapping of gene expression landscapes and lineage in the zebrafish embryo”、“Single-cell reconstruction of developmental trajectories during zebrafish embryogenesis”和“The dynamics of gene expression in vertebrate embryogenesis at single-cell resolution”。第一篇论文的通信作者为哈佛医学院的Sean G. Megason和Allon M. Klein。第二篇论文的通信作者为哈佛大学的Aviv Regev和Alexander F. Schier。第三篇论文的通信作者为哈佛医学院的Marc W. Kirschner和Allon M. Klein。 

Klein、Kirschner和及其团队开发出一种被称作InDrops的单细胞测序技术，从而能够每次一个细胞地捕获斑马鱼和热带爪蟾胚胎中每个细胞的基因表达数据。他们在24小时内的多个时间点收集来自这两种模式生物的成千上万个细胞的基因表达数据。

当胚胎发育时，为了绘制每个细胞的谱系图谱和确定标记着新的细胞状态和类型的基因表达事件的准确顺序，Klein团队和Kirschner团队开发了新的实验和计算技术，包括TracerSeq，即导入人工DNA条形码来追踪细胞之间的谱系关系。

在Schier领导的一项研究中，Schier团队利用一种被称作Drop-Seq的单细胞测序技术在高时间分辨率下研究斑马鱼胚胎12多个小时。通过与Regev合作，Schier团队利用一种他们称为URD的计算方法重建出胚胎发育中的细胞轨迹。

Schier团队分析了38000多个细胞，并开发了揭示当25种细胞类型发生特化时，它们的基因表达发生变化的细胞“家族树”。通过将这些数据与空间推理相结合，Schier团队还能够重建早期斑马鱼胚胎中的各种细胞类型的空间起源。

在这两种模式生物中，这些研究人员的发现都在很大程度上反映了之前对胚胎发育进展的了解，这一结果凸显了这些新方法的力量。但是这些分析在全面详细地揭示了让细胞从早期的祖细胞状态到更加特化的状态的一系列事件方面是史无前例的。

这些研究人员鉴定出很难检测到的细节，比如罕见的细胞类型和亚型，以及将新的高度特定性的基因表达模式与不同的细胞谱系相关联在一起。在多种情形下，他们发现比之前认为的更早出现的细胞类型。

原文：“Single-cell mapping of gene expression landscapes and lineage in the zebrafish embryo

DOI号：10.1126/science.aar4362 

 原文：“Single-cell reconstruction of developmental trajectories during zebrafish embryogenesis

DOI号：10.1126/science.aar3131 

 原文：“The dynamics of gene expression in vertebrate embryogenesis at single-cell resolution

DOI号：10.1126/science.aar5780

5.Science：揭示食物生产的全球影响

食物由全球数百万农民和中间商进行生产和加工，其环境成本是相当可观的。鉴于生产者的异质性，减少食物对环境影响的最佳方法是什么？J. Poore和T. Nemecek在一项针对各种食品生产系统进行比较的荟萃分析中，将关于全球大约38000个生产40种不同农产品的农场的多重环境影响的数据综合在一起。生产同样产品的环境成本存在着很大的变化。然而，这种异质性为靶向产生最大影响的少数生产者创造了机会。

原文：“Reducing food’s environmental impacts through producers and consumers

DOI号：10.1126/science.aaq0216

6.Science：对COOLAIR表达的反馈调节可控制种子休眠和开花时间

草食动物和不合时宜的寒流能够破坏脆弱的植物幼苗。植物控制它们的种子的休眠以便等待更有利的生长条件。Min Chen和Steven Penfield分析了模式植物拟南芥中种子休眠的分子控制机制。从春化过程中已知的两个基因和一个反义RNA通过它们的相反作用将环境温度整合到对种子休眠的控制当中。

原文：“Feedback regulation of COOLAIR expression controls seed dormancy and flowering time

DOI号：10.1126/science.aar7361

7.Science：揭示捕食诱导的变色龙蜥蜴冒险行为

选择可能通过作用于个体之间的行为差异来影响行为。测试这个想法一直很有挑战性。Oriol Lapiedra等人利用了变色龙蜥蜴聚居的一些加勒比海地区小岛。这些作者们建立了一系列可重复的行为选择实验，在这项实验中，他们建立了具有捕食者的棕色变色龙蜥蜴和没有捕食者的棕色变色龙蜥蜴。在没有捕食者的岛屿上，更有探索性的动物受到青睐，而当捕食者出现时，较少冒险的动物幸存得更好。行为选择与形态学选择同时发生，但当捕食者出现时，以行为选择为主。

原文：“Predator-driven natural selection on risk-taking behavior in anole lizards

DOI号：10.1126/science.aap9289

8、9.两篇Science揭示古代人类基因组是理解人类过去的关键

古代人类基因组能够揭示早期人类迁徙模式。尽管相对较近的定居（大约在1100年前），但冰岛具有基因明显不同的人群。S. Sunna Ebenesersdóttir等人研究了古代冰岛人的基因组，这些古代冰岛人的历史可追溯到冰岛殖民时期附近，并将这些古代冰岛人与现代冰岛人进行比较。这些古代冰岛人的DNA揭示出他们的祖先是盖尔人和挪威人。自初始定居以来的基因漂移使现代冰岛人的等位基因频率与众不同，但仍偏向于他们的挪威人祖先。C. L. Scheib等人对来自美国加州海峡群岛和加拿大安大略省的古代人基因组进行测序。古代的安大略省人群与其他的古代北美人和现代的说阿尔冈贡语的美洲原住民是相类似的。相比之下，这些古代的加州人群更类似于如今居住在墨西哥和南美的人群。似乎在冰河时期可能发生了遗传分裂和种群隔离，但是这些人群在晚些时候重新混居在一起。

原文：“Ancient human parallel lineages within North America contributed to a coastal expansion

DOI号：10.1126/science.aar6851 

原文：“Ancient human genomes—keys to understanding our past

DOI号：10.1126/science.aat7257 

原文：“Ancient genomes from Iceland reveal the making of a human population

DOI号：10.1126/science.aar2625