重磅学术期刊封面论文盘点 光学人工耳蜗恢复耳聋沙鼠听觉

《Science Translational Medicine》《Science Signaling》《Science Immunology》《自然》《Nature Medicine》《Nature Biomedical Engineering》《Cell》《PNAS》八大重磅期刊封面论文本周盘点。

《Science Translational Medicine》：光学人工耳蜗恢复耳聋沙鼠的听觉

人工耳蜗 (cochlear implants) 能够通过直接对听觉神经进行电刺激来恢复重度耳聋患者的部分听力。但是由于耳蜗电极释放电流的扩散特性，基于电刺激的人工耳蜗对复杂声音的分辨率有限。德国哥廷根大学医学中心 (University Medical Center Göttingen) 的研究人员利用光遗传学 (optogenetics) 技术开发出一种光学人工耳蜗。他们首先使用病毒载体在耳蜗神经元中表达光敏蛋白，然后利用能够将声音信号转变为光信号的光学人工耳蜗植入体对这些神经元进行刺激。使用成年蒙古沙鼠 (Mongolian gerbils) 为模型，研究人员证明光学人工耳蜗能够在耳聋的沙鼠中引发听觉反应和听觉导致的规避行为。同时电生理研究表明光学刺激不但能够激发耳蜗神经元的电生理活动，而且能够激发位于脑干和大脑皮层的下游听觉神经元的电生理反应。这些细胞的电生理反应强度与光学刺激强度密切相关。这项研究表明光遗传学技术可以被用于开发光学人工耳蜗来恢复耳聋患者的听觉，而且光学人工耳蜗在传导声音信号的时空精度方面可能有更好的表现。

原文： Optogenetic stimulation of cochlear neurons activates the auditory pathway and restores auditory-driven behavior in deaf adult gerbils

《Science Signaling》：ATM蛋白激酶的抗氧化作用

名为ATM的蛋白激酶对修复DNA损伤至关重要，但是它同时还有另一个独立的功能，那就是媒介对活性氧 (reactive oxygen species, ROS) 的反应。ROS能够导致细胞的氧化应激 (oxidative stress)。在名为共济失调毛细血管扩张症 (ataxia telangiectasia, A-T) 的神经退行性疾病中，编码ATM蛋白的ATM基因出现突变，而氧化应激是A-T患者细胞的重要特征之一。美国索尔克生物学研究所(Salk Institute for Biological Studies) 和阿巴拉契亚州立大学 (Appalachian State University) 的研究人员率领的团队对ATM的抗氧化作用进行了研究。他们发现细胞线粒体生成的ROS能够激发ATM的二聚化。使用表达ATM突变体的细胞模型，研究人员发现ATM的一个功能是通过提高葡萄糖-6-磷酸脱氢酶的表达和活性，将葡萄糖的代谢向戊糖磷酸途径转移 (pentose phosphate pathway, PPP)。而PPP 代谢通路生成的NADPH在抗氧化反应中起到重要作用。这项研究进一步阐明了ATM蛋白激酶的抗氧化机制，并且指出在A-T患者中，ATM抗氧化功能的丧失可能是导致患者症状的重要原因之一。 

原文：Mitochondrial redox sensing by the kinase ATM maintains cellular antioxidant capacity

《Science Immunology》：新陈代谢信号通路对胸腺细胞发育的影响

细胞的分化通常会带来细胞新陈代谢模式的改变。因为mTORC1信号通路在调节新陈代谢变化方面的中心作用，美国圣犹达儿童研究医院 (St. Jude Children's research hospital) 的研究人员对这一信号通路对胸腺细胞 (thymocytes) 发育过程的影响进行了研究。他们在小鼠的胸腺细胞中敲除了mTORC1复合体中的重要部分RAPTOR。试验结果表明RAPTOR媒介的mTORC1活性的缺失会妨碍αβ T细胞的生成，但是同时它会促进γδ T细胞的产生。同时，氧化和糖酵解代谢的代谢重塑也会受到影响。进一步研究表明mTORC1信号通路能够对活性氧的生成进行调控，而活性氧是决定胸腺细胞分化为αβ T细胞还是γδ T细胞的一个关键信号。这项研究表明mTORC1调控的新陈代谢信号是决定αβ和γδ T细胞发育的决定性因素。

原文：Metabolic signaling directs the reciprocal lineage decisions of αβ and γδ T cells

《自然》：老鼠、海鸟、和珊瑚礁之间的生态联系

栖息在海岛上的海鸟以广阔海洋中的生物为食，但是在海岛上休息和繁衍后代。海鸟的粪便能够为海岛上的动植物提供大量的营养，而且粪便中的营养渗入到海中还可以对海岛周围珊瑚礁的结构和功能产生影响。那么人类活动对这种营养循环有什么影响呢？澳大利亚詹姆斯库克大学 (James Cook University) 的研究人员带领的团队在印度洋中部的查戈斯群岛 (Chagos Archipelago) 进行了一项自然实验。这些岛屿中有的岛屿上由于人类活动导致老鼠的繁衍，而其它岛屿上没有老鼠。研究人员发现，没有老鼠的岛屿上的海鸟密度和氮元素沉积速度分别是有老鼠的岛屿的760和251倍。而且，没有老鼠的海岛周围的珊瑚礁中鱼类的生物量也提高了48％。这些实验结果表明，消灭海岛中的老鼠应该成为环境保护措施中的重要一环。它可以恢复由海鸟媒介的将海洋中的养分富集到海岛周围的养分转移过程。这一过程不但可以帮助路基生态系统，而且可以提高珊瑚礁生态系统的产量和功能。

原文：Seabirds enhance coral reef productivity and functioning in the absence of invasive rats

《Nature Medicine》：急性髓性白血病确诊前体细胞基因突变对发病风险的影响

急性髓性白血病 (acute myeloid leukemia， AML) 在被确诊时体细胞基因突变的状态已经得到了详细的描述。但是AML在癌变之前体细胞的基因突变情况和这些突变对AML的患病风险和发病速度的影响还没有得到澄清。美国威尔康奈尔医学院 (Weill Cornell Medical College) 的研究人员利用对血液DNA进行深度测序，对212名最终患上AML的妇女在癌症确诊前不同时期的体细胞基因突变状态进行了研究。研究人员发现在IDH1, IDH2, TP53, DNMT3A, TET2和剪接体 (spliceosome) 基因中出现的突变显著提高患上AML的风险。这项实验中所有携带TP53, IDH1和IDH2基因突变的妇女最终全部患上AML。这项研究表明，预示AML患病风险的基因突变可以在AML确诊前数年就能够被发现。这给医疗人员早期发现，监控并且干预AML发病的窗口。

原文：Somatic mutations precede acute myeloid leukemia years before diagnosis

《Nature Biomedical Engineering》：无创调控神经回路的化学遗传学技术

神经和精神疾病通常与大脑特定区域的神经回路功能失常相关。已有的治疗策略包括使用药物或可植入大脑的刺激器来调节这些回路的活性。但是，这些治疗策略都有不同的缺陷，包括不能针对特定细胞种类，无法精确靶向特定脑区，或需要创伤性手术。加州理工大学 (California Institute of Technology) 的研究人员开发出一种能够针对特定细胞种类，并且具备时空特异性的调控大脑神经回路的创新方法。这一技术利用超声波暂时打开血脑屏障，让携带编码改造过的G蛋白偶联受体(G protein coupled receptor, GPCR) 基因的病毒载体能够在特定脑区感染大脑神经细胞。只有特定药物才能激活或抑制这些改造过的GPCRs。因此表达这些GPCRs的大脑神经细胞的活性可以被特定药物激活或者抑制。在小鼠记忆模型中，研究人员证明了这项技术可以激活或抑制海马回中兴奋性神经细胞的活性，而且可以有选择性地控制单独的大脑脑区。这一技术克服了多个限制常规大脑疗法的障碍。

原文：Acoustically targeted chemogenetics for the non-invasive control of neural circuits

《Cell》：轮藻基因组揭示陆生植物进化过程

轮藻是陆生植物的进化祖先。德国和日本学者领导的国际研究团队第一次成功构建了布氏轮藻 (Chara braunii) 的基因组。将布氏轮藻的基因组与其它陆生植物的基因组进行对比可以揭示陆生植物为了登陆需要作出的进化和专属于陆生植物的遗传基因。布氏轮藻与其它藻类相比拥有更为复杂的形态结构。导致它能够产生复杂结构分化的遗传因素可能是由于多个基因家族的扩展。其中值得注意的三个基因家族包括影响对活性氧 (reactive oxygen species, ROS) 耐受能力的基因，编码LysM受体样激酶的基因，和编码转录因子的基因。轮藻的有性繁殖受到转录因子的精密调控，而且受到活性氧基因网络的影响。这些因素可能是导致陆生植物成功登陆的关键特征。

原文：The Chara Genome: Secondary Complexity and Implications for Plant Terrestrialization

《PNAS》：如何降低海洋捕捞渔业的误捕风险

海洋捕捞渔业不但为消费者提供重要的蛋白来源，而且对沿海地区的经济发展非常重要。但是捕鱼过程中可能误捕到鲨鱼、海龟、海豹、鲸鱼和海鸟等大型海洋生物。这会对海洋捕捞渔业的生态和经济可持续性产生重要影响。美国国家海洋与大气管理局西南渔业科学中心 (National Oceanic and Atmospheric Administration Southwest Fisheries Science Center) 的研究人员对海洋洋流系统中的动态结构进行了分析。他们发现洋流中的特定动态结构会显著提高大型海洋生物的误捕风险。这项研究表明实时跟踪洋流的动态结构可能帮助渔民们减少误捕风险，从而维持海洋捕捞渔业的可持续性。

原文：Fisheries bycatch risk to marine megafauna is intensified in Lagrangian coherent structures