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生物学科技信息|马齿苋抗旱·甲亢甲减分子机制·酵母DNA·霸王龙咬力·饮酒缩短端粒·皱囊虫·咀嚼耗能·甜味剂升血糖

花匠小妙招
2025-05-01 09:28

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马齿苋

身怀抗旱高产关键“绝技”

摘自8月9日《科技日报》报道，美国科学家在最新一期 Science Advances 杂志上发表论文称，他们的最新研究发现，马齿苋这种普通植物整合了两种不同的代谢途径，创造出一种新型光合作用，使其“变身”为超级植物，能在耐旱的同时保持高产。了解这一新的代谢途径可以帮助科学家设计出新方法，使玉米等作物能够抵御长期干旱。

普通植物马齿苋可能是一种“超级植物”。

图片来源：物理学家组织网

在漫长的进化过程中，植物已经独立进化出各种不同的机制来改善光合作用。例如，玉米和甘蔗进化出所谓的C4光合作用，使它们能在高温下保持产量。仙人掌和龙舌兰等多汁植物则采用另一种名为CAM的光合作用，这帮助它们在沙漠和其他缺水地区生存。耶鲁大学科学家在论文中指出，常见杂草马齿苋整合了这两种不同的代谢途径，创造出一种新型的光合作用，使马齿苋能在耐旱的同时保持高产——这对植物来说是不太可能的组合。论文高级作者、耶鲁大学生态学和进化生物学教授埃里卡·爱德华兹说：“这是一种非常罕见的性状组合，创造出一种‘超级植物’，有望应用于作物工程等领域。”此前，大多数科学家认为C4和CAM在马齿苋叶内独立运作。但研究小组对马齿苋叶子内的基因表达进行了分析，发现C4和CAM完全整合在一起运作。它们在相同的细胞中运作，CAM反应的产物通过C4的途径进行处理。该系统在干旱时为C4植物提供了不同寻常的保护水平。此外，研究人员还建立了代谢通量模型，预测了C4+CAM集成系统的出现，反映并证实了他们的实验结果研究团队表示，了解这一新的代谢途径可以帮助科学家设计出新方法，使玉米等作物能够抵御长期干旱的环境。

自身免疫性甲亢甲减

分子机制获揭示

摘自8月9日《中国科学报》报道，当前，全球约有7.5亿人患有甲状腺疾病。弥漫性毒性甲状腺肿是甲状腺功能亢进的主要疾病表型，属于自身免疫性疾病，在人群中的总发病率约为1%，但目前临床上还没有很好的治疗手段。8月8日， Nature 发表了中科院上海药物研究所研究员徐华强、蒋轶、北京协和医院教授张抒扬等合作完成的研究，揭示了自身免疫性甲亢甲减的分子机制。该研究不仅揭示了促甲状腺激素（TSH）与促甲状腺素受体（TSHR）相互作用的细节模式，还揭示了自身免疫性抗体M22与TSHR相互作用的分子细节，为临床开发用于治疗甲状腺相关疾病的抗体或小分子药物提供了结构依据。“这项研究最大的亮点，在于首次揭示了自身免疫性抗体如何诱导GPCR的激活或抑制从而引发相关疾病的发生。”该论文的共同第一作者、中科院上海药物所博士段佳表示。

近年来，甲状腺相关疾病的发病率正逐年上升，我国甲状腺相关疾病的总患病率高达20%。甲状腺的主要生理功能是分泌甲状腺素调控机体能量代谢，而这一功能的实现依赖于甲状腺细胞表面的TSHR感知垂体细胞分泌的TSH信号。在过往的研究中，由于TSH和TSHR结构的复杂性及不稳定性，目前仍无相关结构信息被报道。TSH是用于辅助治疗甲状腺癌的重要临床药物，同时也是包括McCune-Albright 综合征、垂体促甲状腺激素腺瘤以及原发性先天性甲状腺功能减退症在内的多种重大罕见病的重要靶标和关键分子。

为了探究TSHR在体内如何介导人体正常生理功能和疾病发生发展的分子机制，研究团队采用单颗粒冷冻电镜技术，分别对TSH激活TSHR形成的Gs复合物、人源激活型抗体M22激活TSHR形成的Gs复合物以及人源抑制型抗体结合的TSHR进行了结构重塑。通过系统研究TSHR与内源性激素TSH和小分子激动剂ML-109的结构，研究人员揭示了激素TSH和别构激动剂ML-109诱导受体激活的机制；此外，通过解析激活型抗体M22和抑制型抗体K1-70与TSHR的结构，他们还发现了TSHR 如何被自身免疫性抗体激活或抑制的结构基础，从而为针对TSHR功能异常从而引发的自身免疫性疾病的抗体药物和小分子药物发现提供了更加清晰的模板和思路。

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人肌肉基因

首次插入面包酵母DNA

摘自中国科普网8月10日报道，荷兰研究人员成功将人类肌肉基因插入面包酵母的DNA中，这是科学家首次将如此重要的人类特征植入酵母细胞，得到的人源化酵母模型，可作为药物筛选和癌症研究工具。相关论文发表于 Cell Reports 杂志。

将编码肌肉细胞中核心功能的人类DNA插入酵母细胞的DNA内，得到的人源化酵母模型可用于癌症研究等领域。

图片来源：物理学家组织网

代尔夫特理工大学研究团队添加到酵母细胞中的特征由一组十个基因控制，人类没有这些基因就无法生存。这组基因包含了人类代谢途径的“蓝图”。代谢途径指分解糖以获得能量并在肌肉细胞内构建细胞组成部分的过程，这一过程在许多疾病如癌症中起作用，这意味着改性酵母可以作为医学研究的工具。研究人员表示，与人类细胞或组织相比，酵母是一种神奇的有机体，因为它生长简单，其DNA可被很容易地修改，许多关键发现，如细胞分裂周期，都得益于酵母。

此前，该团队成功地构建了人工染色体，将其作为DNA平台为酵母构建新功能。自此，他们就在探究能在多大程度上添加多个人类基因和整个代谢途径，以及细胞能否作为一个整体发挥功能。遵循这一思路，团队设计出了新型人源化酵母。研究人员解释说，他们不仅将人类基因移植到酵母中，还移除了酵母内相应的基因，并将其完全替换为人类肌肉基因。随后，该团队与格罗宁根大学医学中心合作，使用实验室培养的人类组织细胞，比较了人类基因在酵母中的表达及在天然人类肌肉环境中的表达，发现酵母中产生的人类酶的性质与天然人类细胞中产生的酶的性质非常相似，这支持了新型人源化酵母作为人类细胞模型的价值。研究人员认为，这只是一个起点，科学家可以进一步使酵母人源化，并逐步在酵母中建立一个更复杂的人类环境。

霸王龙：小眼睛换来大咬力

摘自8月12日《中国科学报》报道， Communications Biology 8月11日发表的一项研究发现，雷克斯暴龙（霸王龙）演化出比祖先更狭窄的眼窝或能帮助它们和类似的大型食肉恐龙（也称兽脚类恐龙）咬得更有力。英国伯明翰大学Stephan Lautenschlager比较了410个中生代（2.52亿年前至6600万年前）爬行动物化石样本的眼窝，包括恐龙和鳄鱼等恐龙近亲等。他发现，大部分样本都拥有圆形眼窝，尤其是草食动物。然而，颅骨长度大于1米的大型食肉动物到了成年以后眼窝通常呈椭圆形或锁孔形，尽管它们在未成年时的眼窝偏圆形。

霸王龙原始眼窝眼睛（左）和虚拟圆形眼窝眼睛的头骨与艺术重建。

图片来源：Stephan Lautenschlager

研究表明，更古老样本的眼窝似乎比更近样本的眼窝更圆，大型兽脚类恐龙的眼窝比它们的祖先更接近锁孔的形状。这些观察结果表明，大型食肉物种随时间流逝演化出了锁孔形眼窝，但这种形状只出现在成年后，而不是成年前。

为了研究眼窝形状对颅骨结构和功能的影响，作者比较了拥有5种不同眼窝形状的爬行动物颅骨理论模型在咬合时的受力。作者还比较了拥有圆形眼窝或锁孔形眼窝的暴龙颅骨模型可以承载的最大眼球大小。锁孔形眼窝在咬合过程中能将力分散到眼窝后方颅骨更硬的部分，从而使眼窝变形程度更小，并帮助减轻颅骨受到的压力。不过，拥有圆形眼窝的暴龙模型能承载的眼球体积是锁孔形眼窝模型的7倍。

作者认为，兽脚类恐龙演化出更窄的眼窝，可能减少了它们颅骨的眼球空间，同时把这些空间留给了下颌肌肉，并增加了颅骨的硬度。这或许能让它们以更小的眼睛换取更大的咬合力，而此前研究曾提出更大的眼睛可以增强视觉感知。研究结果凸显出决定恐龙演化的这种功能上的取舍。

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超过每周饮酒建议量

让染色体变短

端粒随着每一轮细胞分裂而缩短。

图片来源：KATERYNA KON/SCIENCE PHOTO LIBRARY

但这种比较并不能表明，单是酒精是否至少在一定程度上能导致端粒缩短，因为其他生活方式因素（如饮食），也可能影响端粒长度。为了更好地理解酒精的具体作用，研究人员重复了这项实验，利用早期全基因组关联研究的数据，发现了93个与饮酒增加有关的遗传变异。研究人员基于这些变异设计了一个遗传风险评分，发现饮酒增加的遗传风险评分较高的参与者更有可能有更短的端粒。在这两项实验中，研究人员发现，饮酒增加导致遗传风险得分更高的参与者更有可能有更短的端粒。但是，从基因上看，每周摄入17到28个单位酒精的人的端粒也可能更短。英国国家卫生服务体系建议，男性和女性每周饮酒量不要经常超过14个单位，这相当于6品脱中等强度的啤酒或10小杯低强度的葡萄酒。在美国则建议，男性每天饮酒不超过两杯，女性则降至一杯。，Topiwala表示，经常饮酒会增加氧化应激和炎症，这是由细胞中有害自由基的积聚引起的，从而会导致端粒缩短。英国纽卡斯尔大学Carmen Martin-Ruiz认为，该研究只计算了每人一次的端粒长度，没有测量不同时间点上受试者的端粒长度，这意味着不能确定端粒是否会因为经常饮酒而缩短。

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后口动物或蜕皮动物？

5.35亿年前化石来揭秘

摘自8月13日《中国科学报》报道，2017年，研究人员在陕南西乡县张家沟剖面寒武系幸运阶宽川铺组的含磷灰岩中发现了皱囊虫化石，其被认为是最早的后口动物，并由此提出后口动物可能有一个毫米大小的、生活在海底泥沙缝隙中的、有口无肛的祖先类型。近期，中国科学院南京地质古生物研究所（以下简称南京古生物所）联合国内外科研单位研究人员组成的一支研究团队，通过对陕南约5.35亿年前的微体化石皱囊虫的深入研究，对其亲缘关系和演化意义给予了全新解读。相关研究成果8月17日在线发表于 Nature 。

皱囊虫标本的扫描电镜照片。

受访者供图

皱囊虫的复原图（杨定华绘制）和系统位置图

A前视、B左侧视、C后视、D皱囊虫为蜕皮动物全群。

受访者供图

这里的后口动物包括棘皮动物（海百合，海星，海胆等）、半索动物（肠鳃类和羽鳃类等）、头索动物（文昌鱼等）、尾索动物（海鞘等）和脊椎动物（鱼、青蛙、鳄鱼、恐龙、鸟、老虎、熊猫和人类等）。论文通讯作者、南京古生物所研究员张华侨介绍，支持皱囊虫为后口动物的关键特征是化石中的“鳃孔”结构，被认为是后口动物的原始特征之一。皱囊虫是毫米大小的两侧对称动物，具有囊形的身体和末端的开口，围绕口发育了辐射状皱褶，辐射对称排列的具刺突起。通过对更多的、保存更加完整的化石标本开展深入研究，张华侨等人发现皱囊虫身体两侧对称排列了具刺骨板，反口面有大量小刺，而曾被解释为“鳃孔”的结构，很可能是封闭的具刺骨板在化石化过程中磨损形成的孔状结构。“皱囊虫的一些关键特征，比如发育表皮又叫角质层、上皮不具纤毛、末端的口和环口的辐射对称排列的结构，均表明它和蜕皮动物有更近的亲缘关系。”张华侨指出，皱囊虫更可能是蜕皮动物而不是后口动物。

蜕皮动物是原口动物的一个分支，它包括环神经动物（鳃曳虫，动吻虫，蛔虫，马线虫等）和泛节肢动物（天鹅绒虫，水熊虫，三叶虫，蜘蛛，昆虫，蜈蚣，虾，蟹等）。据了解，已知最早的蜕皮动物化石出现在寒武纪幸运期，但都是环神经动物，皱囊虫为已知最早的蜕皮动物增添了全新类型。

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世界最大水生昆虫现身北京

摘自科学网8月17日报道，近日，北京农学院智慧农业研究院昆虫多样性调查团队在北京市房山区蒲洼自然保护区发现东方巨齿蛉。

巨齿蛉

北京农学院供图

据北京农学院教授徐践介绍，东方巨齿蛉是世界最大的水生昆虫——巨齿蛉的一种。巨齿蛉对环境要求非常高，对水源格外依赖，加之其幼虫生命十分脆弱，当水体发生污染或酸碱度突然改变时就无法适应，并迅速在这一水域消失，因此数量稀少。巨齿蛉作为判断水质好坏的“水质指标昆虫”，它的存在与否，直接反映当地水质的好坏。

蒲洼自然保护区地处北京市房山区西南部的蒲洼乡境内,属森林生态系统类型,保护区内有大量珍稀野生动植物种及适宜它们生存的自然环境。20年来保护区一直保持着原有的状态，这也是此次能发现巨齿蛉这类对水质要求高的昆虫的重要原因。

咀嚼可使身体耗能增加15%

摘自8月19日《中国科学报》报道，说到燃烧卡路里的方法，很少有人想到咀嚼。一项研究发现，人们每天消耗的能量中，约有3%来自嚼口香糖、软骨和其他美食（如果吃沙拉和芹菜茎，可能会消耗更多）。虽然咀嚼消耗的能量不多，但可能足以重塑人类祖先的面容。相关研究结果8月17日发表于 Science Advances 。

虽然人类进化出了减少咀嚼的策略，但南方古猿等原始人进化出了强壮的牙齿和颌骨来咀嚼坚硬的食物。

图片来源：PHILIPPE PLAILLY

未参与该研究的美国芝加哥大学解剖学家Callum Ross认为，这为了解人类颌骨为何与我们的远祖和现代灵长类动物如此不同提供了具体数据。长期以来，科学家一直怀疑我们的下巴大小和牙齿进化是为了让咀嚼更有效率。随着原始人类祖先将饮食习惯转向更容易咀嚼的食物，并发展出切割和烹饪等技术，人类颌骨和牙齿的形状也发生了变化——与其他灵长类动物相比缩小了。但是，英国曼彻斯特大学生物人类学家Adam van Casteren认为，在不知道咀嚼过程消耗多少能量的情况下，很难确定节省能耗是否也是推动这些进化的一个因素。

在这项研究中，van Casteren团队测量了21名男性和女性消耗的氧气量和呼出的二氧化碳量。然后，他们让参与者咀嚼一种无味道、无气味、无热量的口香糖（这样的口香糖不会触发消耗能量的消化系统）15分钟。在咀嚼时，参与者呼吸中的二氧化碳水平上升，表明他们的身体工作得更努力了。当口香糖较硬时，参与者多消耗了15%的能量；当口香糖变软时，参与者的新陈代谢水平平均提高了10%。该研究作者之一、荷兰莱顿大学考古学家Amanda Henry认为，虽然耗能的规模不大，但仍然意义重大。

研究人员表示，嚼口香糖消耗的能量不及参与者日常能量预算的1%。在实验室里嚼口香糖本质上是一种概念证明：在烹饪和使用工具出现之前，早期人类可能花更多的时间咀嚼。如果古人花在咀嚼上的时间和大猩猩及红毛猩猩一样多，研究人员估计他们至少要消耗2.5%的能量。“如果你吃的食物比较硬，咀嚼的时间比较长，那么你消耗的能量占总能量的比例就会大得多。” Henry认为，根据饮食量身定做、更高效的咀嚼可能是一种进化优势。通过在咀嚼中节省能量，就有更多的精力花在休息、恢复和成长等其他事情上。计算人类咀嚼的能量消耗也可以让我们对其他原始人的进化策略有所了解。例如，南方古猿（生活在400万至200万年前的非洲原始人类）拥有比现代人类大4倍的咀嚼面牙齿和巨大的下颌肌。它们在咀嚼时一定消耗了更多能量，而这项新研究是计算其能量消耗的第一步。

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https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn8351

神经元“保险”

确保蚊子总能闻到人类

摘自8月19日《科技日报》报道，我们知道讨人厌的东西，都有其生存绝招。当雌性蚊子在寻找人类叮咬时，它们会闻到人体散发到空气中的独特体味混合物，这些气味会刺激蚊子触角的感受器，然而，即使从蚊子基因组中剔除整个气味感应受体家族之后，蚊子仍会找到一种方式来叮咬我们。18日发表在 Cell 杂志上的一项研究发现，蚊子的嗅觉系统已进化出额外的“故障保险”装置，以确保它们总能闻到人体的气味。

该论文的主要作者之一、美国洛克菲勒大学科学家玛戈·赫尔称，蚊子正在打破人们最熟知的动物嗅觉规则。在大多数动物中，嗅觉神经元只负责检测一种气味，而蚊子的情况并非如此。研究人员指出，人们需要更加努力地消灭蚊子，因为摆脱单一受体没有任何效果。未来任何通过驱虫剂或其他任何方式控制蚊子的尝试，都必须考虑到它们对人体的吸引力是多么坚不可摧。

研究发现，被人类气味1-辛烯-3-醇（1-octen-3-ol）刺激的神经元也受到胺的刺激，胺是蚊子用来寻找人类的另一种化学物质。但根据动物嗅觉的所有现有规则，神经元以强烈的特异性编码气味，这表明1-辛烯-3-醇神经元不应检测胺。而令人惊讶的是，通过1-辛烯-3-醇和胺受体嗅探人类的蚊子神经元并不是单独的，这或让所有与人类相关的气味能激活蚊子大脑的“人类检测部分”，即使一些受体丢失，也能起到故障保护的作用。团队还利用单核RNA测序来查看单个蚊子嗅觉神经元所表达的其他受体。结果让研究人员对蚊子中受体共表达的普遍性有了一个广泛的认识。研究人员认为，其他昆虫也可能有类似的机制。约翰霍普金斯大学克里斯托弗·波特研究小组最近报告说，果蝇在其神经元中具有相似的受体共表达。这可能是严重依赖嗅觉的昆虫的基本策略。

甜味剂也会提高血糖

摘自8月22日《中国科学报》报道，糖精和三氯蔗糖这两种人工甜味剂，尽管被认为不会增加血糖水平，但它们可能会通过改变人体肠道微生物，进而诱导改变血糖水平。相关论文8月19日发表于 Cell 。

图片来源：Shutterstock/wasanajai

这些甜味剂是患有糖尿病等代谢疾病或希望减肥的人使用的糖替代品。它们的甜度是糖的200倍以上，卡路里很少甚至为零。美国约翰斯·霍普金斯大学的Jotham Suez和同事在以色列120名没有潜在健康状况的成年人中测试了4种糖替代品对血糖的影响。参与者称，他们在研究前的6个月中没有食用低热量甜味剂。

参与者被分为6组。两周时间里，其中4组参与者每天3次食用两包溶于水的阿斯巴甜、三氯蔗糖、糖精或甜菊糖。所有甜味剂包中都含有至少96%的葡萄糖。每种甜味剂的每日总摄入量均低于美国食品药品管理局规定的可接受水平。第5组在同一时期摄入等量的葡萄糖粉末。第6组没有摄入。在整个研究过程中以及前后各一周，所有参与者都佩戴了连续血糖监测仪。之后，参与者完成了葡萄糖耐量试验。该试验测量人体摄入葡萄糖后控制血糖水平的有效性。

研究人员发现，平均而言，摄入糖精和三氯蔗糖的人在糖耐量试验后血糖水平会显著上升。Suez说，其他组参与者的血糖保持稳定，甚至略有下降，即使是那些每天摄入葡萄糖的人也是如此。这表明并不是甜味剂包中的葡萄糖提高了血糖水平。团队还分析了参与者每天的粪便和唾液样本，发现所有4种甜味剂都显著改变了肠道和口腔中细菌的数量、活性和类型。他们每周采集血液样本，发现了代谢产物或分子的相应变化。糖精和三氯蔗糖组中的一些血液代谢物变化在糖尿病或血管疾病患者中也会出现。其中一些已知在糖分解中发挥作用。

研究人员将糖精、三氯蔗糖、葡萄糖和无补充剂摄入的人的粪便样本移植到小鼠的消化道，发现从糖精和三氯蔗糖组移植的粪便导致小鼠餐后血糖升高。这表明是微生物的变化导致了这一结果。“甜味剂本身不会提高血糖。”Suez说，但它似乎通过微生物介导的机制削弱了人体在进食后控制血糖水平的能力。这些微生物和代谢变化对健康的影响仍然未知，团队希望未来的研究有助于厘清这些关系。

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编辑 | 石玉帛

审核 | 李增娇

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