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研究人员利用单细胞多组学技术发现了一种此前未知的淋巴细胞祖先。图片来源:沃尔特和伊莱莎霍尔学院  人体免疫细胞源自一个共同的血液干细胞祖先,但不同类型的免疫细胞发展自不同的未成熟前体细胞。  《中国科学报》从沃尔特和伊莱莎霍尔学院获悉,该机构研究人员利用单细胞多组学技术发现了一种此前未知的免疫细胞。这种细胞是T淋巴细胞和B淋巴细胞的祖先,后两种细胞也是人体免疫系统的重要组成部分。这一发现揭示了淋巴细胞发育的一个新阶段,相关信息可以丰富未来的免疫系统研究。  ShalinNaik、DanielaZalcenstein及同事的发现为了解这些关键的免疫细胞如何形成提供了更多细节,同时支持了单细胞多组学技术在一系列其他研究问题上的应用。研究结果发表在10月19日的《自然—免疫学》上。  聚焦单个细胞  人体免疫系统由许多具有不同功能的细胞类型组成,这些免疫细胞参与免疫应答或与免疫应答相关,包括淋巴细胞、树突状细胞、巨噬细胞等。例如T细胞是脊椎动物适应性免疫系统的关键细胞,T细胞受体可以识别病原感染的细胞或肿瘤细胞等抗原,并将抗原信号传递到T细胞内,指挥启动T细胞免疫反应,从而“杀死”被病原体感染的细胞或肿瘤细胞。  实际上,所有的免疫细胞都来自于一种单一类型的细胞,即血液干细胞。不同免疫细胞类型的发展是通过未成熟细胞的分支“系谱”实现的。在免疫细胞发育的早期阶段,单个细胞可以产生几种不同类型的成熟细胞,但随着发育的进展,细胞能够产生的最终成熟细胞变得越来越有限。  T淋巴细胞和B淋巴细胞对靶向、特异性免疫反应至关重要,是密切相关的免疫细胞,这意味着它们在发育过程中有许多共性。Naik说:“几十年的研究已经确定了T淋巴细胞和B淋巴细胞是如何发展的,以及它们家族树中的‘分支点’,这时发育中的细胞失去了发育成其他免疫细胞类型的能力。”  Zalcenstein告诉记者,为了更好地回答免疫细胞如何发展等问题,该团队建立了澳大利亚首个单细胞多组学平台。与研究样本中多个细胞的组合数据不同,该研究关注单个细胞,有助了解更大群体存在的差异。  “就像看着一个足球队——你可以得出一名球员在每场比赛中的进球、拦截和腿法的平均值,但如果看看个人统计数据,你会发现一个球员进了很多球,而另一个球员负责大部分的拦截。”Zalcenstein说。  淋巴细胞新“祖先”  科学家通过对免疫细胞前体的研究发现了一种以前未被识别的细胞类型,它可以产生T淋巴细胞和B淋巴细胞,但不能产生其他免疫细胞。  “这种细胞在淋巴细胞发育过程中出现的时间比我们猜测的要早得多。”Naik告诉《中国科学报》,“以前的技术是将不同的免疫祖细胞分组,但通过研究单个细胞,我们能够确定一种细胞类型。”  这一发现为T淋巴细胞和B淋巴细胞系谱增加了一个新的“成员”,并可能促进其他领域的研究。  “了解T淋巴细胞和B淋巴细胞如何发展的更详细信息,可以帮助我们找到再生这些细胞的更好方法,从而治疗某些疾病。”Naik说,“我们也知道,许多类型的白血病是由免疫细胞发育早期的缺陷引起的,所以我们很想知道这种祖细胞是否与白血病有关。”  Zalcenstein表示,淋巴细胞的发育已经被深入研究了至少40年。尽管如此,用这种新方法,人们对它有了更多了解。  多组学更全面  目前,随着高通量测序技术的发展,组学研究崭露头角并不断深化,通过测序并对数据整合研究,科学家可以全面和系统地了解基因研究、分子育种、临床诊断和药物研发等领域中多种因素的相互关系。  例如,2019年,美国西奈山伊坎医学院研究人员借助多组学方法,发现了与花生严重过敏相关的新基因,以及这些基因在过敏反应期间与其他基因相互作用的方式。相关论文刊登于《过敏与临床免疫学杂志》。  研究人员使用新的多组学方法,在系统范围层面研究给定分子类型的角色、关系和行为,从而识别了可能导致花生过敏反应严重程度的基因和活动网络。这些方法包括转录组学(研究基因组中的基因表达)和表观基因组学(研究影响基因表达的可逆DNA修饰)。  利用这种全基因组方法,研究人员确定了与过敏反应严重程度相关的300多个基因和200多个CpG位点(DNA可被甲基化激活或灭活的区域)。借助综合网络整合这些数据,该团队还描述了基因表达、CpG位点和反应严重程度之间的关键相互作用。  多组学分析还可以测量和分析一个人的基因组以及其他生物分子特征,是迈向个人健康管理的重要一步。“随着时间的推移,通过测量基因组以外的因素,包括环境,我们可以得到一个人健康状态的详细描述,并了解当他或她转变为疾病状态时发生了什么变化。”斯坦福大学遗传学系主任MichaelP.Snyder说,“总之,这些不同类型的数据在管理一个人的健康方面很有价值。”  在4年里,Snyder团队对98名糖尿病前期患者、两名糖尿病患者和7名健康对照者的RNA转录组、蛋白质组、代谢组和身体微生物组进行了基因组测序和纵向数据收集。他们还使用可穿戴设备跟踪每个参与者的活动水平和皮肤温度,并分析了环境压力。  “我们发现,这幅健康图景因人而异。而且,我们通常基于病人生病时的情况展开治疗。通过在个人层面收集关于一个人健康状况的大量信息,我们可以确定保持健康和预防疾病的方法。”Snyder说。  “多组学技术结合不同的生物数据集,如基因组学、转录组和蛋白质组学,能更详细、全面地比较不同样本。这种方法适用于研究单个细胞,更详细地了解可以发育成淋巴细胞的细胞。”Zalcenstein说。  相关论文信息:  http://dx.doi.org/10.1038/s41590-020-0799-x  http://dx.doi.org/10.1016/j.jaci.2019.10.040

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  为什么我们吃了咸的薯片之后想喝水,为什么在运动后想喝功能性饮料?近日,国际顶级学术期刊《自然》杂志在线发表了一项来自美国加州理工学院Dr. Yuki Oka研究团队的最新成果,能够解释这一人人都经历过的日常行为背后的细胞与脑环路基础。  该研究揭示了哺乳动物具有两种类型的渴觉及相应的液体摄入模式:当体液渗透压升高时,我们会寻求纯净水来稀释血液;当我们因为出汗等原因流失体液时,我们会同时寻求水和盐(矿物质)溶液以维持内环境稳态。  这项工作首次阐明了大脑是如何区分并调节这两种渴觉状态的,并通过优化的单细胞转录组测序方法首次揭示了具有特定调控功能的神经元类群,进一步成功通过光遗传学方法复现了液体摄入表型,验证了神经元类群功能和行为之间的因果关系。  外周感觉系统,例如嗅觉和味觉,可以通过不同的细胞类型检测多种不同的信号。作为中枢感觉系统的大脑,可以调控至少两种类型的渴觉,虽然两种渴觉都会引起液体摄入的行为,但对溶质的偏好却截然不同,以维持内环境稳态。然而,实现该特定行为的神经细胞与环路基础仍不清楚。  以往研究发现,通过光遗传激活小鼠该脑区全部的兴奋性神经元,会强烈促使其饮水。为了证明两种渴觉下,生理状态和神经元激活是如何联系的,论文第一作者艾伦·赫尔曼·普尔主导优化了单细胞转录组测序方法,通过加入放线菌素D“冻存”转录组,最大程度减少细胞的转录组在实验过程中发生变化,实现了将动物的生理状态和神经元活性进行映射。  团队在进一步研究中构建了能最全面标记被激活神经元的转基因小鼠,来进行神经元类群的功能性验证。一方面,通过光遗传激活特定神经元类群,复现了相应生理状态下的液体摄入模式;另一方面,通过化学遗传抑制特定神经元类群,相应生理状态下的行为受到了损伤。这项研究从激活和抑制两个方面,验证了神经元类群功能和行为之间的因果关系。  论文合著第二作者、南开大学生命科学学院2016级生物伯苓班本科生王童彤称,“有趣的是,研究发现大脑感受并调控高渗透压和低血容量两种口渴的神经元类型不同,中枢感觉系统存在,由不同类型细胞介导不同生理状态的这一模型。在不同场景下喝不同的饮料,是受到生理本能支配的。”

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  据物理学家组织网19日报道,在人类基因组图谱(人类生命的基因“蓝图”)发布20年后,国际人类蛋白质组组织宣布,他们绘制出了人类蛋白质组首张测序草图,有望帮助科学家更好地理解生命并治疗疾病。  研究发表于最新一期《自然·通讯》杂志。研究成员之一、加拿大英属哥伦比亚大学血液研究中心的克里斯托弗·奥威尔说:“最新草图对我们理解人类生命具有重要的里程碑意义。”  奥威尔说:“人类基因组提供了人类基因的完整‘蓝图’;而人类蛋白质组则确定了由上述蓝图内基因编码的生命组成部分——蛋白质,蛋白质之间的相互作用与疾病及人类细胞结构等密切相关。”  据悉,最新蛋白质组草图囊括了人体约90%的蛋白质,有望帮助科学家更深入地了解蛋白质之间相互作用以及如何影响人类健康,从而为疾病预防和个性化医学提供重要信息。  更重要的是,最新研究也能为研究新冠肺炎潜在疗法的科学家提供深刻洞见。奥威尔解释称:“例如,新冠肺炎涉及两个蛋白质组——新冠病毒的蛋白质组和被感染细胞的蛋白质组,它们两者都可能与另一蛋白质相互作用并改变其功能。了解这种蛋白质之间的相互作用可以阐明为什么某些细胞和个体对新冠肺炎更敏感,而另一些则更能应对新冠病毒的攻击等。”  此外,鉴于许多人类疾病因蛋白质的组成或功能发生变化而引起,因此绘制出蛋白质组图谱将为疾病诊断、治疗和精密医学奠定基础。  研究人员总结道:“人类99.9%的DNA相同,但遗传突变会导致蛋白质组‘缺斤少两’,这会引起遗传疾病。知道哪些蛋白质是预防疾病的关键,哪些蛋白质缺乏表达或活性不足会导致疾病,能为个体化医学和疾病新疗法提供更多关键信息。”

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  10月15~16日,中国核学会核材料分会2020年学术年会暨中国核学会核材料分会成立40周年纪念大会在沈阳召开,会议由中国核学会指导、中国核学会核材料分会和中国科学院金属研究所主办。  据悉,中国核学会核材料分会年会是我国核材料领域内影响范围广、学术水平高的会议,今年的学术年会是自核材料分会成立以来规模最大的一次。会议设立了“先进核燃料与材料技术研究进展”“核燃料技术支持与可靠性”2个分会场,36个参会报告涉及新型核材料、核燃料元件制造、核燃料元件用包壳材料、核反应堆用结构材料技术等内容,体现了我国核材料领域近年来的科技成果及发展动向。  (原载于《中国科学报》2020-10-21第4版综合)

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“互叶莸”的形态特征。课题组供图  中科院华南植物园博士陈又生、中科院昆明植物研究所博士向春雷等人在广东潮州发现植物新种——“互叶莸”。据悉,“互叶莸”的发现,使得广东莸属植物达到2种、世界上莸属物种达到8种。相关研究近日发表于《植物分类》。  据了解,唇形科为世界性分布的大科。全世界约有236余属、超过7170种,我国有96属970余种。根据之前资料记载,广东分布莸属仅一个种。“互叶莸”是我国唇形科第二种具有互生叶的种类,非常独特,目前仅在我国广东潮州发现有分布,为广东特有物种。  2019年4月6日,陈又生等人在广东潮州开展调查时,发现一种奇特的植物,由于当时没有开花,无法确定它属于哪个家族的成员。科研人员引种了几株植物到中科院华南植物园栽培,经过漫长的培育,终于开花、结果。根据综合形态特征,结合分子实验证据,终于确定这是唇形科莸属一个独特的新种,并命名为“互叶莸”。  “该种目前仅发现2个种群,成熟个体数少于250株。”陈又生表示,“互叶莸”不仅形态独特,其生长环境和花期也很特殊。“互叶莸”生长在土壤贫瘠的河岸岩石坡,雨季很可能被河水淹没,开花时间为比较干燥的冬季。冬季时节的植物科学考察相对比较少,导致这个物种长期没有被人发现。  陈又生介绍,依据世界自然保护联盟的评估等级和标准,“互叶莸”可以列入濒危等级,属于比较典型的极小种群植物。该种目前已经在中科院华南植物园引种成功,但是它的濒危原因还需要深入研究,另外,建议相关部门加强对该种的保护措施。  研究人员表示,“互叶莸”的发现,一方面说明我国生物多样性调查和编目还有不少遗漏的地方,应该加强特殊季节、特殊生境、薄弱地区的调查力度;另一方面,丰富的生物多样性给植物研究带来意外惊喜,意外收获也使生物多样性探索充满挑战和乐趣。  相关论文信息:https://doi.org/10.11646/phytotaxa.461.1.8  (原载于《中国科学报》2020-10-21第4版综合)

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视觉中国供图  人类从哪里来?  20世纪以来,人们一直在探寻这一问题的科学答案。  现代人的起源一直是学术界争论的热点话题。“完全替代假说”是现代人起源领域的一个重要假说。约7万4千年前的多巴(Toba)火山喷发是“完全替代假说”的一个非常重要的证据,该事件一度被认为造成了全球气候变冷及环境恶化,并且最终导致了热带非洲以外地区人群的灭亡。  近期,国际期刊《国际第四纪》在线发表了中国科学院古脊椎动物与古人类研究所葛勇博士与高星研究员在现代人起源方面的最新研究进展。该研究认为多巴火山喷发并没有导致全球变冷和人类灭绝,多巴火山的喷发也不能用于支持“完全替代假说”。  那么,什么是“完全替代假说”?除了多巴火山喷发,还有哪些证据支持这一假说?除了“完全替代假说”,关于现代人起源的假说还有哪些?中国的古人群是否曾灭绝?为此,科技日报记者10月19日采访了相关专家。  “完全替代假说”认为 非洲人是其他人群的直接祖先  所谓现代人,是指解剖学上与现生人群一致的古人类,也就是说现代人是我们的直接祖先。关于现代人的起源,目前有两个主流的假说,分别是“完全替代假说”和“区域演化假说”。这两个假说的主要区别在于是否存在“热带非洲以外地区的人类曾灭绝”这一事件。  “完全替代假说”认为,存在“热带非洲以外地区的人类灭绝”这一事件,这就意味着非洲人群是其他地区人群的直接祖先。“这种假说存在两个主要的理论依据:首先,目前发现的10万年前至5万年前的古人类化石较少,这就成为‘完全替代假说’的基础;其次,通过分子生物学,也就是对现生人群的DNA研究发现,存在一次非洲人群替代其他地区人群的过程,经过推断,科学家认为这次事件发生在6万年前至5万年前。”葛勇告诉记者。  由于具有分子生物学的证据支持,“完全替代假说”在一段时间内十分盛行。但是,“完全替代假说”本身并不能解释为什么会发生“热带非洲以外地区的人类曾灭绝”这样一个事件,而这时有关多巴火山的研究正好给了“完全替代假说”一个十分完美的解释。  多巴火山喷发是近200万年以来已知最大规模的火山喷发事件。一直以来,该事件都被认为是现代人起源“完全替代假说”的重要证据。多巴火山喷发发生的时间临近全球气候转型期,大约在7万年前,地球气候由温暖的MIS 5(深海氧同位素第5阶段)向寒冷的MIS 4(深海氧同位素第4阶段)转变。  通过类比历史中的大规模火山喷发造成的影响并结合核冬天理论,研究人员认为多巴火山喷发造成了地球长时间的寒冷,而这一结果恰好能够对应“完全替代假说”认为的6万年前至5万年前的“热带非洲以外地区的人类灭绝”这一事件。  “因此,多巴火山喷发被认为是‘热带非洲以外地区的人类灭绝’这一事件的起因,而‘热带非洲以外地区的人类灭绝’这一事件是多巴火山喷发导致的结果。”葛勇强调,在研究人员建立了这样的因果关系后,“完全替代假说”在很长一段时间内成为主流理论。  分子生物学证据表明 非洲以外人类活动并未断绝  为了明确这次火山喷发事件造成的影响,葛勇、高星等研究人员收集了涵盖多巴火山喷发时段的全球高分辨率地质记录,比如冰芯、石笋和湖泊沉积物,以及欧洲、亚洲和非洲的考古记录,以全面评估多巴火山对地球环境和古人类的影响。  通过对各种记录的综合分析,研究人员发现约7万4千年前的多巴火山喷发并未造成全球气候变冷以及环境恶化,并且热带非洲以外地区的人类活动均未断绝。“因此,并不存在由于多巴火山喷发导致的全球变冷和人类灭绝的事件,多巴火山的喷发并不能用于支持‘完全替代假说’。”葛勇说,现代人起源作为一项重要的科学问题,应该被更加审慎地对待和深入地探讨。  同时,随着古环境学、考古学和分子生物学的发展及相关证据的积累,越来越多的证据表明,多巴火山的喷发并未造成灾难性的全球气候剧变,也就是说,并不存在由于多巴火山喷发导致的长时间气候变冷。同时,热带非洲以外地区的人类活动并未断绝,而且现生人群的体内也存在尼安德特人和丹尼索瓦人的基因。而尼安德特人和丹尼索瓦人都是在2万年前至3万年前灭绝的人种,以往认为这些古老型人类对现生人群没有贡献。  “所以说,从现在的各种证据来看,多巴火山喷发并没有导致‘热带非洲以外地区的人类灭绝’的能力,并且‘热带非洲以外地区的人类灭绝’这一事件是否真实存在值得重新考量,也就是说‘完全替代假说’的理论可能存在偏差。”葛勇说,在探讨现代人起源问题的时候,两种假说的支持者需要寻找更多有力的证据,而不能利用多巴火山喷发这一事件作为解决争论的工具。  东亚地区现代人 不存在演化中断和替代  关于现代人起源,除了“完全替代假说”,还有一个“区域演化假说”。  “区域演化假说”认为,不存在“热带非洲以外地区的人类曾灭绝”这一事件。也就是说,各地区的本土人群未曾灭绝,可能存在与非洲人群杂交的情况。“这种假说的主要依据在于各种考古学证据,比如石器技术的传播与传承、人类活动的延续等等。”葛勇说。  关于东亚地区现代人的起源,高星曾表示,自从“北京人”被发现后,尤其是德国解剖学家和体质人类学家魏敦瑞提出“多地区进化”的假说以来,东亚人群在很长时间内被认为是连续演化的,从直立人到早期智人、晚期智人,直至现生人群,不存在演化的中断和替代。  许家窑—侯家窑、北窑、大地湾、徐家城、萨拉乌苏、乌兰木伦、织机洞、秦岭地区诸遗址、井水湾、黄龙洞等遗址的地层和测年数据表明,神州大地不存在距今10万年前至4万年前的材料空白,人类演化的链条在此期间没有中断过。这就使得“完全替代假说”支持者所谓存在材料“空白期”的说法不攻自破。  “透过石制品原料特点及开发利用方式,石器制作技术,石制品类型、形态与组合特点,以及区域文化传统演变等文化因素,可以看出中国乃至东亚旧石器时代文化是一脉相承的,说明这里的古人群是生生不息、连续演化的。”高星说。  然而,多巴火山喷发导致“热带非洲以外地区的人类灭绝”说法的影响十分深远,不仅体现在科学争论中,而且也出现在许多影视作品以及科普讲座中。葛勇表示,现在,这一观点显然不应该继续存在。虽然多巴火山喷发的规模很大,但它并没有造成地球气候系统和环境的剧变,它可能对附近区域造成了短时间毁灭性的影响,但并不具备导致全球人类灭绝的能力。  (原载于《科技日报》2020-10-2108版)

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