基因寄生让人类丢掉尾巴；橙子香味基因居然来自柚子|一周趣科学Vol.8

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牧心2024年03月02日约 10 分钟

本期导读：

1.给量子点穿上“衣服”，“快乐”原子让量子点变得更亮

2.躲在细胞角落里的环状RNA，可能是治疗癌症的新技术

3.拯救橙子大作战，科学家解析橙子特殊香味的来源

4.如何去除饮用水中的微塑料？古人已经给出答案

5.2500万年前的一次基因寄生事件，让人类彻底丢掉了尾巴

“快乐”原子让量子点变得更亮

2023年诺贝尔化学奖奖给了量子点相关的科学研究（点这里复习）。量子点的尺寸有几纳米，由半导体材料制成，最大的特点是可以发出特定颜色，甚至单一波长的光，这对于量子技术来说非常重要。

2014年，科学家以钙钛矿为原料，生产出一类新型量子点。它们的生产成本较低，因此有应用于显示器生产的潜力。唯一的问题是，它们虽然已经比很多量子点都要亮，但想要做成显示器，还是不够亮。

为了解决这一问题，瑞士苏黎世联邦理工学院的Maksym Kovalenko与合作者决定探索这一量子点发光的深层原理。

量子点中的电子被激发后，重新回到未激发状态，可以有两个不同的过程：其中一个是我们想要的发光过程，另一个是将能量转化为晶格振动的过程。

钙钛矿纳米晶体的表面原子在晶格中缺少“邻居”，它们周围的电荷比较少，研究者把它们称为“不快乐”原子。由于这些原子会扰乱电荷平衡，会导致电子能量转化为晶格振动，而不是转化为光。于是，这一量子点发出的光就少了。

了解了发光不足的原因之后，科学家马上想到，既然是缺少电荷导致原子“不快乐”，因此发光不足，那么只要额外给量子点穿上一层富含电荷的“外衣”，不就可以让不快乐的原子变快乐了吗？

研究者受到生物细胞膜的启发，为量子点设计了一层磷脂外壳，让磷脂上丰富的电荷去弥补量子点表面的电荷不足。

实验结果发现，穿上磷脂外衣之后，量子点的发光亮度增加了数倍，完全能够满足显示器的要求。

更加意想不到的是，穿上磷脂后的量子点可以像细胞一样拥有亲水性，因此可以被放在水溶液中使用，这使得量子点的加工和应用变得更加容易。相信在诺奖的加持下，量子点技术可以更快地走进我们的日常生活中。

图1 给量子点（中间方块）穿上磷脂外衣

（图片来源：参考文献1）

课代表总结：如果喝一杯这种量子点，我会不会变成夜光的？（误）

参考文献

[1]Morad, V., Stelmakh, A., Svyrydenko, M., Baumketner, A, Kovalenko, MV et al. Designer Phospholipid Capping Ligands for Soft Metal Halide Nanocrystals. Nature (2023). DOI: external page10.1038/s41586-023-06932-6

[2]Sercel, PC, Kovalenko, MV, Rainò, G, et al. Single-photon superradiance in individual caesium lead halide quantum dots. Nature (2024). DOI: external page10.1038/s41586-023-07001-8

解析环状RNA运出细胞核的机制

人类细胞中绝大多数的RNA都是线性的，它们像一条写着密码的纸条，从细胞核运出之后，在细胞中翻译成相应的蛋白质来发挥生物学功能。

情报工作讲究“阅后即焚”，所以绝大多数RNA“纸条”都是不稳定的，翻译结束后就会被细胞中的RNA酶销毁。

这给基于RNA的医疗技术带来了很大阻碍。科学家好不容易设计了一个能治疗癌症的RNA分子，又千方百计地把它放到了细胞里，结果没过几分钟，这条RNA就被销毁了，一切努力都白费。

后来，人们在细胞的角落里发现了一类奇怪的RNA分子，它们不是传统的纸条型RNA，而是环状的，因此也称为环状RNA。由于它们的形状奇特，所以能躲过RNA酶的销毁，从而可以在细胞中存在很长时间。

因此，如果想办法让能治病的RNA分子变成环状的，那么就可以在体内发挥作用了。于是新的问题摆在眼前：这些环状RNA到底是怎么来的？又是如何从细胞核中运出来的？它们本来的功能是什么样的？

近日，在《自然》杂志上发表的一篇论文中，澳大利亚Peter MacCallum 癌症中心的科学家 Vi Wickramasinghe 与合作者一起解开了上述谜题中的一个：环状RNA是如何被运出细胞核的。

细胞核的体积太小，单独为数量很少的环状RNA开辟一条通道，显得非常不划算。所以科学家推断，它们应该是和某类其它物质共用通道的。

首先，普通RNA运出细胞核是通过细胞核上的特定通道“钻”出去的，但是把这些通道堵住之后，环状RNA还是能够出现在细胞核之外。这说明，环状RNA不是和普通RNA共用通道的。

另一方面，研究者发现，如果堵住蛋白质运输的通道，那么环状RNA就无法被运出细胞核了。这一结果出人意料，因为谁也不会想到，RNA与蛋白质的性质非常不同，它们居然会共用出核通道。

厘清环状RNA的出核机制，是通往RNA治疗技术的关键一步。接下来需要搞清楚环状RNA的产生、运作以及清除过程，这一技术有望在癌症治疗中发挥更大的作用。

图2 细胞核中产生的RNA需要通过某种通道运出

（图片来源：Wikipedia）

课代表总结：闷声成大环！

参考文献

Linh H. Ngo et al, Nuclear export of circular RNA, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07060-5

赋予橙子特殊气味的基因，居然来自柚子

近日，来自美国农业部园艺研究实验室的研究者Jinhe Bai与合作者在《科学·进展》杂志上发文，解析了橙子味的化学和遗传学基础。

柑橘类水果种类繁多，虽然口味相似，却有着明显区别。

从几十年前开始，一种被称为黄龙病的植物传染病席卷了全球。这种病的病原体是一种比细菌还要小的微生物，被称为立克次氏体。这种病原体非常难以杀灭，小小的微生物使得全世界的柑橘产业如临大敌。

想要从根本上解决黄龙病问题，我们需要通过杂交选育出抗病品种。但是水果的选种不像粮食那样简单。

首先，粮食是一年生植物，种下去当年可以收获，因此杂交起来很方便；而很多水果是需要多年种植才能结果的，杂交一代需要好多年，所以很繁琐。

另一个更重要的原因是，杂交粮食一般只需要关注它的产量和营养即可；但水果就不一样了，还要考虑口味的因素。

举例子来说，即便我们通过杂交获得了抗病的橙子，但这个橙子吃起来没有橙子味，或者变成了橘子味或者偏柚子味，那么消费者也是不能接受的。

味觉这种东西太主观，无法精确控制。但我们知道，橙子的味道都是由橙子中的化学物质决定的。

所以只要从根本上分析清楚橙子中到底含有哪些决定了它特殊味道的物质，并且将生产这些物质的基因分别都找到，那么就可以在杂交过程中有意识地保留这些特定的基因，进而确保杂交结果保留橙子味。

研究者将179种不同的柑橘类水果（包括橙子、血橙、砂糖橘、橘子、柚子、金桔、葡萄柚、粑粑柑、枳等）的果汁进行了对比分析，最终找到了与橙子味相关联的26中特殊化学物质。

分析这26种物质的合成途径之后，发现它们主要来自6条互相独立的生化途径。

而令人想不到的是，这六条途径上的关键基因——CsAAT1，居然是从柚子里遗传给橙子的。这也从另一个角度展现了柑橘水果家族内部的混乱关系。

科学家将相关的基因进行分子标记，这样一来，在日后的杂交育种过程中，就可以有目的性地选择含有这些基因的母本，这样一来可以最大限度地保证杂交后代的风味。

图3 柑橘类水果混乱关系的冰山一角

（图片来源：内蒙古营养学会）

课代表总结：我不管我不管，砂糖橘永远的神！

参考文献

Zhen Fan et al. ,Chemical and genetic basis of orange flavor.Sci. Adv.10,eadk2051(2024).DOI:10.1126/sciadv.adk2051

如何减少饮水中的微塑料？烧开就行！

研究已经证明，微塑料颗粒无处不在——水、土壤和空气中到处都是，人体也不例外。

微塑料对供水系统的污染已变得越来越普遍，他们的直径最大可以有几毫米，而最小只有几百纳米。

这些颗粒对人类健康的影响仍在调查中，但目前的研究表明，摄入它们可能会影响肠道微生物组。这也是微塑料引发人们关注的原因。

一些先进的饮用水过滤系统可以捕获水中的微塑料颗粒，但这些系统大多价格不菲。因此，人们希望寻找新的替代方法。

日前，在《环境科学与技术快报》发表的一篇文章中，来自暨南大学的曾永平教授团队报告了一种简单、廉价的去除塑料颗粒的方法，而且这还是一种非常中国风的方法：把水烧开！

研究人员从广州收集了自来水样本，并在其中添加了不同量的微塑料颗粒。将样品煮沸五分钟并冷却。然后，研究小组测量了自由漂浮的塑料含量。

富含矿物质的水沸腾后，会自然形成结晶，主要成分是碳酸钙。而碳酸钙会形成结壳或晶体结构，从而将塑料颗粒封装起来。

随着加热的持续，这些结垢会积聚起来形成沉淀，此时可以将它们过滤掉，从而同时消除了微塑料颗粒。

在测试中，这种封装效果在硬水中更为明显。在每升水中含有 300 毫克碳酸钙的样品中，高达 90% 的塑料颗粒在煮沸后被去除。即使在软水样品中（每升水含少于60毫克碳酸钙），煮沸仍可去除约 25% 的塑料颗粒。研究人员表示，这项工作可以提供一种简单而有效的方法来减少摄入人体的微塑料颗粒。

图4 显微镜下的微塑料颗粒，就藏在我们的饮用水里（图片来源：维基百科）

课代表总结：古人云：“多喝热水！”

参考文献

Zimin Yu, Jia-Jia Wang, Liang-Ying Liu, Zhanjun Li, Eddy Y. Zeng. Drinking Boiled Tap Water Reduces Human Intake of Nanoplastics and Microplastics. Environmental Science & Technology Letters, 2024; DOI: 10.1021/acs.estlett.4c00081

Alu元件：我一出手，你的尾巴就没了！

人、猿与猴子的最直观的区别就是，猴子有尾巴，而人和猿类没有。人们早已知道，尾巴的缺失与直立行走的生活习性密切相关。但是我们仍然不知道，人类的尾巴到底是如何丢失的。

在上一期的一周趣科学中，我们报道了一个逆转录病毒帮助人类神经系统发育的案例。近日，美国纽约大学的Itai Yanai与合作者在《自然》杂志发表文章，报告了一个非常相似的案例：人类尾巴的缺失，也与基因组中一个转座子序列有关。

Alu元件是人类基因组中散布的一类小片段，可以通过自我复制的方式在基因组内散播，类似于一种寄生在基因组里的寄生虫。

虽然Alu序列本身没有任何遗传信息，但人们已经发现，许多和人类密切相关的特性背后，都与Alu元件有关，例如三色视觉、胎盘、肌肉耐力等。

可以说，如果没有发生在远古祖先体内的那次Alu序列入侵基因组的事件，就没有如今的人类。

在收集了大量的灵长类动物基因组信息后，研究者通过比对基因组信息，发现了数个与灵长类的尾巴相关的基因。其中一个被称为Tbxt的基因引起了研究者的兴趣。

这是因为，在狒狒和恒河猴等猴子身上，Tbxt基因是正常的，而人类、黑猩猩和其他猿类体内的Tbxt基因却被Alu元件“寄生”了——其中插入了一段Alu序列。

这种插入可能出现在猿类与非洲和亚洲猴子分化的时期，即大约 2500 万年前。

小鼠实验证实了这一假设。小鼠和猴子一样，产生正常版本的 Tbxt 蛋白，并拥有全长的尾巴。通过基因工程向小鼠中引入人类版本的 Tbxt 蛋白时，小鼠的尾巴就变短了，或者根本没有尾巴。

一些小鼠还存在与脊柱裂类似的脊髓缺陷，这表明尾巴缺失可能存在弊端。

虽然尾巴在2500万年前就丢失了，但猿类直到几百万年前才学会双脚走路。因此，直立行走和尾巴丢失的关系，还需要进一步研究才能厘清。

图5 与正常尾巴（最右）相比，Tbxt突变的小鼠尾巴出现不同程度的缺失（图片来源：ScienceNews）

课代表总结：考拉和水豚没有尾巴，是不是也是因为这个？

参考文献

Xia, B., Zhang, W., Zhao, G. et al. On the genetic basis of tail-loss evolution in humans and apes. Nature 626, 1042–1048 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07095-8

作者：牧心