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生物学科技信息DNA纳米机器人·人工智能与蛋白结构·中华海蛾鱼
发布日期:2022-08-12 10:39   来源:未知   阅读:

  原标题:生物学科技信息DNA纳米机器人·人工智能与蛋白结构·中华海蛾鱼·食肉动物保护·生长素“搬运工”·着丝粒分布·人脸变化

  摘自中国科普网7月28日报道,近日,中国科学院古脊椎动物与古人类研究所(中科院古脊椎所)早期脊椎动物研究团队关于志留系浅海红层研究取得重要成果,证实早在4.38亿年前的志留纪早期,以我国长江流域为主的华南板块曾是一片广阔的海洋,被称为扬子海,该海域又被分为上、下扬子海,两者通过一狭长的水道相连,而今天远在四千公里之外的塔里木盆地也不在现在的位置,而是与我国的华南板块相连。相关成果由中科院古脊椎所硕士研究生山显任在盖志琨、赵文金研究员的联合指导下在地层学专业期刊《地层学杂志》上发表。

  志留纪早期的扬子海及古鱼化石产地的分布(红色代表浅海红层沉积区)(山显任绘制古地理图,纵瑞文提供湖北武汉生态复原图,其他生态复原图均由杨定华绘制)

  中科院古脊椎所早期脊椎动物研究团队在全国范围志留系浅海红层中已进行了长达20年的野外考察,特别是10余年来,盖志琨研究员带领野外团队跑遍了苏、皖、浙、鄂、赣、湘、渝、黔、川、新、藏等省市自治区近50个县(市)的志留系浅海红层,最终在江苏南京、浙江长兴、安徽宁国、巢湖、江西九江、湖北武汉、湖南张家界、重庆秀山、新疆塔里木等地区志留纪早期的海相红层中发现了大量的早期鱼类化石材料,从而为这些地区志留系海相红层的划分对比提供了重要的古鱼类化石证据。

  摘自8月1日《中国科学报》报道,1年前,人工智能公司DeepMind等依靠其推出的AI系统AlphaFold预测并公布了约35万种蛋白质的结构。这让许多科学家大吃一惊。如今,AlphaFold完成又一次飞跃。据 Science 报道,7月28日,DeepMind公布了从细菌到人类的几乎所有已知(2亿多个)蛋白质的可能结构,并将其纳入相关数据库,供研究人员免费搜索蛋白质结构。

  研究人员认为,这是人工智能领域的一个惊人成就,也是药物开发和迭代研究的潜在宝库。“我们发布了整个蛋白质‘宇宙’的结构。”DeepMind联合创始人、首席执行官Demis Hassabis在新闻发布会上说。AlphaFold功能强大,它解决了根据蛋白质氨基酸序列准确推导蛋白质三维结构的长期挑战,即蛋白质折叠问题。大多数药物都是利用蛋白质结构信息设计的,准确描绘结构图谱往往是发现蛋白质如何工作的第一步。通过与欧洲生物信息学研究所(EMBL-EBI)合作,AlphaFold数据库已于1年前启动,其中纳入的35万个蛋白质预测结构涵盖了人类、小鼠和其他19种被广泛研究的生物体产生的几乎所有蛋白质。AlphaFold新预测的蛋白质结构已发布到现有数据库中。Hassabis说,该数据库“为结构生物学家提供了强大的新工具,在这里,可以像在谷歌通过关键词搜索信息一样轻松地查找蛋白质三维结构”。据EMBL-EBI估计,在现有的超2.14亿个预测的蛋白质结构中,大约35%是高度准确的,这意味着它们与实验确定的结构质量一样高;有45%的结构足以在许多应用程序中使用。

  DeepMind表示,自去年发布部分蛋白质结构以来,已有超过50万名研究人员使用了该数据库。Hassabis预见了一个“数字生物学时代”。在这个时代,药物开发人员可以从利用人工智能预测在医学上很重要的蛋白质结构,转向使用人工智能设计影响这些蛋白质的小分子,从而治疗疾病。其他人正在通过结构预测开发候选疫苗,探索如核孔复合体如何把分子送入细胞核或者生命最初进化时蛋白质如何进化等基本生物学问题。在Hassabis看来,公布蛋白质结构只是一个起点,还有许多生物学和化学方面的工作有待探索。

  摘自科学网8月1日报道,中科院南海海洋研究所研究员林强团队在海龙目鱼类资源与分类领域取得新进展。他们基于近岸海龙目鱼类资源调查和系统分类研究,在我国东海近岸海域发现1个海蛾鱼新种,将其命名为中华海蛾鱼。相关成果近日发表于 Zoological Research 。

  海蛾鱼是一类小型底栖的海洋硬骨鱼类,广泛分布于从南非到夏威夷的印度—太平洋温带和热带近岸海域。有学者认为,海蛾鱼的种群密度较低且存在“一夫一妻”的单配制繁殖特征,加之其较弱的扩散能力,使得海蛾鱼可能对于高强度的捕捞活动十分敏感,其野生种群也正面临巨大威胁。

  据介绍,我国之前共记录有海蛾鱼3种,主要分布在福建及其以南的近岸海域。早在2020年,林强团队就在阳江和北海海域发现1个新的海蛾鱼物种——南海海蛾鱼。

  林强团队通过对海蛾鱼科物种的线粒体基因组测序,基于系统进化分析发现海蛾鱼属和宽海蛾鱼属形成姐妹群,两者亲缘关系更近,而棘海蛾鱼属则聚类在海蛾鱼属和宽海蛾鱼属之外。该研究结果增进了人们对海蛾鱼科物种资源的认知,为我国近海海洋生物多样性保护研究提供了科学参考。

  摘自8月2日《科技日报》报道,用DNA建造一个微型机器人,并用它来研究肉眼看不见的细胞过程——这不是科幻小说,而是法国国家健康与医学研究院(Inserm)、国家科学研究中心和蒙彼利埃大学的科学家们认真研究的主题。这种高度创新的“纳米机器人”能够更密切地研究在微观水平上施加的机械力,这对许多生物和病理过程至关重要,代表了一项重大的技术进步。相关研究发表在最新一期 Nature Communications 杂志上。

  人体细胞受到微观尺度上施加的机械力的影响,触发了许多细胞过程所必需的生物信号,这些细胞过程涉及人体的正常功能或疾病的发展。例如,触觉感知在一定程度上取决于对特定细胞感受器施加机械力。除了触摸,这些对机械力敏感的感受器(称为“机械感受器”)能够调节其他关键的生物过程,如血管收缩、痛觉、呼吸,甚至检测耳朵中的声波等。这种细胞机械敏感性的功能障碍与癌症等许多疾病有关。癌细胞通过探测并不断适应其微环境的机械特性在体内迁移。机械感受器可检测到特定的力,将信息传递给细胞骨架。

  研究人员表示,这种工具对于基础研究非常有价值,因为它可用来更好地了解细胞机械敏感性的分子机制,并发现对机械力敏感的新的细胞受体。有了纳米机器人,科学家们还能够更精确地研究在施力的什么时刻,生物和病理过程的关键信号通路在细胞水平上被激活。

  他们发现,在评估的362个物种中,仅有12个物种(大多为海洋哺乳动物)显示出灭绝风险得到真正改善。受国际法规保护的食肉动物,其灭绝风险降低的可能性会提高6.8倍,而有受控狩猎计划的动物灭绝风险降低的可能性会提高3倍。研究人员收集了种群趋势数据和国际自然保护联盟(IUCN)数据库中有关2019年的灭绝风险状态的数据,其中有137种大型食肉动物(37.8%)被认为受到威胁,包括易危、濒危或极危;海洋哺乳动物受威胁物种占比最低(26.5%);60.9%的鲨和魟受到威胁。

  基于IUCN是否列出了种群增长趋势及首次评估以来其状况是否有所改善,研究人员评估了大型食肉动物的种群恢复状况。其中39个物种(10.7%)显示出这两个因素之一或二者皆有恢复,这种改善情况集中于海洋哺乳动物,如座头鲸和北海狮。在陆地哺乳动物中,只有伊比利亚猞猁符合任一恢复标准。研究人员比较了目标保育行动的模式,如栖息地保护和限制捕猎与该物种种群是否显示出恢复迹象的相关性。结果表明,在国际法和国家法规确定保护的区域,食肉动物物种灭绝风险下降。他们认为,这些发现带来了一线希望,即大型食肉动物种群的下降有可能得到逆转。

  首露线日报道,向日葵为什么总是向着太阳?在植物体内有一种称为生长素的物质,如同人体内生长激素一样,它负责给细胞传达信息,指挥植物的生长发育。受光照影响,生长素会从向日葵茎端向光侧运输到背光侧,产生浓度差异。由此,背光侧生长会更快一些,而向光侧慢一些,向日葵的花盘自然就朝向太阳。

  生长素的运输需要细胞膜上的“搬运工”——转运蛋白的协助,其中非常重要的一员是负责将生长素从细胞内搬运到细胞外的PIN家族蛋白。这些“搬运工”长什么样?又是如何工作?8月2日,Nature杂志上以“快速通道”形式发表了中国科学技术大学生命科学与医学部孙林峰教授团队在植物生长机理上的重大进展,揭示了生长素“搬运工”成员PIN1蛋白,以及它分别与抑制剂NPA(又名抑草生)、生长素IAA结合的三个高分辨率结构,并通过功能分析阐释了PIN1“搬运”生长素的机制,为理解植物生长素运输调控以及针对PIN家族蛋白的农业用除草剂和生长调节剂的设计开发提供了重要基础。

  摘自8月2日《中国科学报》报道,枯叶蝶的翅膀能够完美地模仿一片枯叶,伪装起来躲避捕食者攻击。是什么赋予了它这种“天赋”呢?北京大学生命科学学院研究员张蔚团队揭开了这个秘密,她和合作团队发现了帮助枯叶蝶模仿树叶的基因,并讨论了这种进化的意义。相关研究8月1日以封面文章形式发表于 Cell 。

  为了解枯叶蝶的伪装能力是如何进化和遗传的,张蔚团队通过采集枯叶蛱蝶属的13个地理种群样本及其他蛱蝶科样本,对共计21属105份蝴蝶标本进行基因组重测序,追溯了枯叶蛱蝶属的起源。最后他们锁定了一个名为cortex的基因,该基因似乎与不同的叶片图案有关。研究通过聚焦枯叶蛱蝶中华亚种,基于78份个体样本的二代基因组重测序数据,对其10种叶形表型进行了全基因组关联分析,结果发现叶形拟态的多态性产生于属内物种分歧之前。研究人员表示,这为跨物种的、长期的平衡选择提供了一个罕见的、具有明确适应性质的实例。基因的进化压力驱动了蝴蝶种群翅膀中有趣的形态变化。“这种翅膀的多态性在多个枯叶蝶物种中一直保持着,但不同物种可能有不同的表型。我认为这是由于特定栖息地的特定植物的增殖,所以蝴蝶通过不同的翅膀图案获得更多的保护利益。”张蔚说。

  据介绍,生物多样性包括物种多样性、遗传多样性和生态系统多样性,其成因是生物学中的核心问题之一。陆地环境中,山区生态系统蕴藏着异常多样的陆地生物多样性,可能的解释包括巨大的海拔梯度变化形成了多样的微环境,促进了种群的分化。枯叶蛱蝶属蝴蝶物种丰富,在山地和低海拔的生物热点地区均有分布,是研究山地物种多样性产生机制的理想系统。

  摘自8月3日《科技日报》报道,自1800年代以来,科学家们已经注意到细胞核中着丝粒的分布问题。着丝粒是一种特殊染色体区域,对细胞分裂至关重要,但其分布的决定机制和生物学意义仍悬而未决。日本东京大学团队最近提出了一种塑造着丝粒分布的两步调节机制。研究表明,细胞核中的着丝粒结构在维持基因组完整性方面发挥着作用。研究成果发表在 Nature Plants 上。

  在细胞分裂过程中,一种称为着丝粒的特殊染色体结构域被拉到细胞的两端。细胞分裂完成并形成细胞核后,着丝粒则分布在细胞核中。如果拉向两极的着丝粒分布保持不变,则细胞核的着丝粒仅集中在细胞核的一侧。这种着丝粒的不均匀分布被称为瑞伯(Rabl)构型,以19世纪细胞学家卡尔·瑞伯的名字命名。一些物种的细胞核反而呈现出分散分布的着丝粒,这被称为非Rabl构型。研究人员表示,几个世纪以来,Rabl或非Rabl构型的生物学功能和分子机制一直是个谜,现在他们成功地揭示了构建非Rabl构型的分子机制。

  团队研究了植物拟南芥和一种已知具有非Rabl构型的标本,其突变形式具有Rabl构型。他们发现,称为凝聚素Ⅱ(CII)的蛋白质复合物和称为核骨架与子骨架(LINC)复合物连接子的蛋白质复合物会共同作用,以确定细胞分裂过程中的着丝粒分布。随后,团队分析了拟南芥及其Rabl结构突变体中的基因表达,发现当施加DNA损伤压力时,突变体的器官生长速度比正常植物慢,这表明器官生长需要精确控制着丝粒空间排列以响应DNA损伤压力,并且非Rabl和Rabl的生物体对DNA损伤压力的耐受性没有差异。这些发现将带来技术进一步发展,以适当的空间排列方式在细胞核中人工排列DNA,从而使创造抗压力生物成为可能,并通过改变DNA的空间排列而不是编辑其核苷酸序列来赋予新的特性和功能。

  摘自8月4日《科技日报》报道,瑞士科学家在最新一期 PNAS 上发表论文指出,他们对化石进行分析后发现,过去16万年中,人类头盖骨的物理变化可能由饮食和生活方式改变引起的脸部变化所致,而非像以前认为的那样由大脑本身的进化引起。

  此前的研究发现,可以追溯到20万年前的早期人类头盖骨(脑壳)的大小与现在人类的头盖骨没有太大差异,但形状很不一样——随着时间的推移,大脑变得更圆了。主流观点认为,工具和艺术等的发展,导致智人大脑形状发生变化,进而导致保护大脑的头骨发生变化,但这方面的化石证据稀少。为研究脑壳变化背后的原因,苏黎世大学团队对在埃塞俄比亚和以色列发现的包括智人、直立人和尼安德特人在内的50个人的头骨进行了数字修复,并将这些头骨的3D模型与125个现代人类的头骨样本进行了比较。

  他们惊讶地发现,虽然16万年前儿童头骨的大小和比例在很大程度上与今天的儿童相当,但16万年前成人头骨的大小和比例与现代成年人看起来明显不同,后者脸更长且轮廓更清晰。研究表明,大约1.2万年前,当人类从狩猎采集者“变身”为农业专家并食用较软食物后,这种变化加快了,这可能是因为咀嚼时颅骨承受的负荷减少了。此外,随着人类的胸腔变小,肺活量减少,氧气摄入减少,人脸也可能发生变化。