贝壳能在壳里“种菜”？能自己长出蒜蓉和粉丝吗？｜一周趣科学vol.43

单细胞生物的基因诱导小鼠全能干细胞

2012年的诺贝尔奖授予了山中伸弥，以表彰他关于“山中四因子”的发现，其中包括Sox基因在内的四个基因，只要转入这四个基因，普通细胞就可以“返老还童”，变成拥有无限分裂分化能力的干细胞。

此后，这四个基因引起了科学家的极大兴趣。后来人们发现，Sox基因不单单在哺乳动物中存在，它还在鸟类、鱼类以及昆虫中存在，甚至还在一种不是动物的“虫子”体内存在，也就是领鞭毛虫。

是的，虽然叫“虫子”，但领鞭毛虫并不是动物，而是一群单细胞生活的水生生物。它们已经在地球上生活了10亿年之久了，而哺乳类则出现得相对较晚，只能追溯到2亿多年。

科学家非常好奇：干细胞明明是多细胞生物用来繁殖或修补自己的细胞，为什么单细胞生活的生物也会有一个能够启动干细胞的基因呢？

于是，伦敦玛丽女王大学的Alex de Mendoza 博士尝试将领鞭毛虫体内的Sox基因提取出来，取代山中四因子里原有的Sox，想要验证一下这份10亿年前的基因能否同样启动小鼠细胞的干细胞化。

结果非常成功，该团队将领鞭毛虫Sox基因引入小鼠细胞，取代原生Sox2基因，实现了向多能干细胞状态的重新编程。

为了验证这些重新编程细胞的功效，研究者将它们注射到正在发育的小鼠胚胎中。由此产生的嵌合小鼠和用普通诱导干细胞方法产生的小鼠别无二致，也有着黑色皮毛斑和黑眼睛，证实这些古老的基因在使干细胞与动物发育兼容方面发挥了至关重要的作用。

实验者认为，通过使用源自我们单细胞近亲的分子工具成功培育出小鼠，我们见证了近10亿年进化过程中功能非凡的连续性。

这项研究意味着，参与干细胞形成的关键基因可能比干细胞本身更早出现，或许为我们今天看到的多细胞生命铺平了道路。

这一发现的意义不仅限于进化生物学，还可能为再生医学带来新的进展。通过加深我们对干细胞机制进化的理解，科学家可能会找到优化干细胞疗法的新方法，将其改进并用于治疗疾病或修复受损组织的细胞重编程技术。

研究这些遗传工具的古老根源让我们能够更清楚地了解如何调整或优化多能性机制，从而进行创新。在某些情况下，这些基因的表现甚至可能比天然动物基因更好。

用领鞭毛虫Sox基因和小鼠Sox基因重编程干细胞后各自得到的嵌合体小鼠，你能看出区别吗？

 （图片来源：玛丽女王大学）

课代表总结：鼠鼠我啊，这次终于不当标题了呢！

参考文献：

Ya Gao, Daisylyn Senna Tan, Mathias Girbig, Haoqing Hu, Xiaomin Zhou, Qianwen Xie, Shi Wing Yeung, Kin Shing Lee, Sik Yin Ho, Vlad Cojocaru, Jian Yan, Georg K. A. Hochberg, Alex de Mendoza, Ralf Jauch. The emergence of Sox and POU transcription factors predates the origins of animal stem cells. Nature Communications, 2024; 15 (1) DOI: 10.1038/s41467-024-54152-x

脂肪细胞：君子报仇，十年不晚

最近课代表尝试减肥，起初效果很好，于是就想着放纵一把，吃了一顿火锅。结果第二天体重猛涨3斤，而且连着几天的运动都不见掉秤，实在是太有挫败感了。

最近上网冲浪查资料才发现，原来科学家给这种减肥之后稍微一放纵就重新胖回来的现象起了个名字——溜溜球效应。

在上周的《自然》杂志上，瑞士苏黎世联邦理工大学的研究人员报道了他们关于溜溜球效应的研究。原来，这与脂肪细胞的表观遗传“记忆”有关。

我们知道，遗传与基因有关。但是，表观遗传与基因无关，而是与染色体上的各种修饰和调整有关。表观遗传修饰在很大程度上可以影响生物的基因表达，甚至可以让拥有同样基因的细胞表现出完全不同的性质。

这就好比“人靠衣裳马靠鞍”，同样的人穿着不同的衣服就会有完全不同的气质，而类似地，同样的基因带着不同的表观遗传修饰就会拥有完全不同的表达方式。

研究人员分析了超重小鼠和通过节食减掉多余体重的小鼠的脂肪细胞。他们的研究表明，肥胖会导致脂肪细胞核发生特征性的表观遗传变化。这些变化的特殊之处在于，即使节食后，它们仍会存在。

脂肪细胞会记住自己曾经超重过，并且可以更容易地恢复到这种状态。研究证明，曾经“胖过”的脂肪细胞，在面对高脂肪饮食时，会更高效地吸收脂肪，以便让自己重返超重状态。

研究人员分析了曾经超重并接受过胃缩小术或胃绕道手术的人，并检测了他们的脂肪组织活检样本。

结果发现，虽然这些样本细胞中的基因与没有超重过的人体样本别无二致，但是研究人员发现它们的表观遗传修饰却与正常体重人的细胞差异很大。

也就是说，虽然经过手术后，超重的人早已降到了正常体重，但是他们的脂肪细胞仍然记得自己曾经胖过的样子。

研究人员尚未研究脂肪细胞能记住肥胖多久。但脂肪细胞是长寿细胞。平均而言，它们可以存活十年，直到我们的身体用新细胞取代它们。

研究者称，正是由于这种记忆效应，避免超重才是最重要的。因为一旦超重，细胞就会记得自己超重的样子，并且试图恢复这种超重状态。

曾经肥胖过的人体细胞和正常体重人的细胞表现出完全不同的表观遗传环境

 （图片来源：参考文献）

课代表总结：最近看爽文看上头了，什么“一觉醒来，汉堡奶茶变成了减脂餐，而西兰花成了最增肥的食物……”

参考文献：

Laura C. Hinte, Daniel Castellano-Castillo, Adhideb Ghosh, Kate Melrose, Emanuel Gasser, Falko Noé, Lucas Massier, Hua Dong, Wenfei Sun, Anne Hoffmann, Christian Wolfrum, Mikael Rydén, Niklas Mejhert, Matthias Blüher, Ferdinand von Meyenn. Adipose tissue retains an epigenetic memory of obesity after weight loss. Nature, 2024; DOI: 10.1038/s41586-024-08165-7

看起来简简单单的变色，章鱼却需要耗尽全身力气

章鱼以其惊人的伪装能力和能用快速变色的皮肤进行交流的能力而闻名。但根据11月18日发表在《美国国家科学院院刊》上的一项研究，章鱼改变色调或保持颜色的过程需要付出相当大的努力。

这项研究首次量化了启动色素细胞需要多少工作量。根据这项研究，章鱼激活变色系统所消耗的能量与维持其静息代谢率的所有其他方面（包括消化、呼吸、器官功能和循环）所消耗的能量相同。

色素细胞是章鱼专门的变色器官，与肌肉和神经系统相连，它们就如同手机屏幕的像素点一样，点缀在章鱼的皮肤上。

静止时，色素细胞呈球形，看起来像是色素小点——但当它们膨胀时，它们会变成扁平的彩色圆盘，在视觉上融合在一起，形成令人惊叹的画面。

不同类型的章鱼具有不同浓度的色素细胞。本项研究中的浅水章鱼，每平方毫米皮肤上约有230个色素细胞，这使其具有高分辨率色调。

科学家称，章鱼拥有4k高清的皮肤，这就是导致它皮肤变色的能量成本如此之高的原因。

章鱼在完全休息时会呈现非常苍白的肤色，接近白色，带有微小斑点。这意味着，几乎每次你在照片或视频中看到浅水章鱼在水中游动时，如果看到它呈紫褐色、红色或有图案，那它就处于紧张状态。

为了量化变色所需的能量，科学家从 17 只活体红宝石章鱼身上取了小块皮肤样本。他们暂时用酒精麻醉了这些章鱼，以保障它们可以在最小的不适下进行小型活检。

在采集皮肤样本15分钟后，每个皮肤样本都被安装在专门设计的显微镜载玻片装置上，该装置配有氧气传感器和 3D 打印腔。

在重复试验中，科学家将每一块皮肤都暴露在黑暗和光照条件下，此时皮肤仍然新鲜，细胞仍然活着并有所反应，交替地使色素细胞失活和扩张。他们测量了每个实验阶段的氧气消耗量，以此作为细胞代谢和能量消耗的指标。

当色素细胞扩大时，皮肤样本的耗氧量会急剧上升。科学家估计，激活色素细胞所需的总能量大约相当于维持动物静息状态下所有其他生理过程所需的能量。

研究者认为，颜色变化的能量成本可以解释为什么章鱼会花这么多时间躲在洞穴里。

如果你需要花费大量的精力才能打扮得漂漂亮亮出门，那不如等到所有人都睡觉了，然后你就可以穿着睡衣出门了。

章鱼细胞的变色过程

 （视频来源：scitechdaily.com）

课代表总结：是的，穿睡衣出门才是真正的隐藏大佬！

为了“种菜”，心鸟蛤给自己的贝壳开了天窗

由来自美国芝加哥大学、斯坦福大学和杜克大学的海洋生物学家、生态学家和进化专家组成的研究小组发现，心鸟蛤（Corculum cardissa）的壳上有“窗口”，这可以让生活在壳内的藻类获得生长所必需的光线。

研究小组在《自然·通讯》杂志上发表的论文中，描述了他们对软体动物的研究以及他们的研究结果如何应用于光纤电缆技术。

人类并不是唯一会种植粮食的生物。心鸟蛤以及其它类型的蛤蜊都会在自己的贝壳内养殖藻类，以当作食物来源。

把壳一关，守着自己的一亩三分地，听上去确实是种不错的田园生活。但唯一的问题是，藻类生长是需要阳光的，闭着壳它们就不长了。

于是，多数蛤蜊都会时不时地开壳，以便阳光进入，好让“农作物”健康成长。但心形鸟蛤不会开壳，其中也会有藻类生长，这引起了科学家的兴趣。

研究人员发现，心鸟蛤的壳是由碳酸钙晶体形式的霰石制成的，控制生长的有机基质将霰石形成细长的纤维晶体，以便留下透光的小窗户。相比之下，在贝壳的不透明区域，霰石是平面的，方向是交叉的。

在晶体窗户下面，霰石形成束状光纤电缆，充当聚光镜来聚焦光线。测试表明，与普通窗户相比，这种结构允许通过的光线是普通窗户的两倍。

研究人员还发现，这些霰石纤维不仅可以透光以及聚光，还可以过滤紫外线，从而保护藻类免受紫外线伤害。

为了自己的粮食能更好地生长，一种小小的贝壳类生物都能被激发出这么精妙的构思，果然人为财死鸟为食亡不是一句空话。

研究者认为，鸟蛤的天然设计或许可以为更便宜的人造纤维电缆制造提供灵感。

心鸟蛤的贝壳有极强的透光性 

（图片来源：Dakota McCoy）

课代表总结：要是能让贝壳里自动长出蒜蓉和粉丝就更棒了！

胰岛素瘤莫猖狂，蜥蜴唾液来帮忙

你也许永远想不到，蜥蜴唾液和胰腺肿瘤之间会有什么关系。

有一种极其罕见的良性肿瘤叫做胰岛素瘤。胰岛素是控制血糖的激素，由胰岛β细胞分泌。一旦这种细胞异常增生，就会大量分泌胰岛素，身体也就因为低血糖而晕厥。

全球每年100万人中有1-4人会患上这种肿瘤，但对患有这种肿瘤的人来说却是致命的。因为这些肿瘤体积非常小，很难定位并切除。

目前定位它们的方法包有CT和PET扫描，但并不总是能检测到很小的胰岛素瘤，扫描成功率仅为65%。

研究人员在十月的《核医学杂志》上报告称，在一种名为希拉毒蜥的蜥蜴唾液中发现了一种蛋白质，它可以被用作放射性示踪剂，能在95%的确诊病例中发现胰腺肿瘤。

希拉毒蜥（Heloderma suspectum）是一种生活在美国西南部沙漠中的蜥蜴。其唾液中发现的一种名为艾塞那肽-4的蛋白质，可以结合并激活胰腺中一种名为GLP1R的受体，从而触发它们产生更多的胰岛素。

后来研究者意识到，胰岛β细胞表面也有大量的GLP1R受体，因此艾塞那肽-4也一定会和胰岛β细胞结合。因此这种药物可以帮助定位这些讨厌的肿瘤。

初步试验发现，这种药物还会引起一些副作用，如恶心、头痛甚至降低血糖。所以，在目前进一步的研究中，团队还添加了另一种分子，以帮助进一步稳定放射性艾塞那肽-4。

这确保了即使少量的艾塞那肽-4也会表现出高放射性。医生可以给患者注射更少的艾塞那肽-4来达到效果，从而减少副作用。

为了测试他们的新示踪剂，研究人员招募了53例胰岛素瘤确诊病例。有50例艾塞那肽-4PET扫描显示出了肿瘤，而标准PET扫描出的只有35例。

团队目前正致力于帮助其他实验室和医院建立这项技术。

右侧是检测胰岛素瘤的PET扫描。左侧是基于蜥蜴唾液蛋白的扫描，其中胰岛素瘤清晰可见，呈白色。

（图片来源：拉德堡德大学医学中心）

课代表总结：蜥蜴：“听说只要对人类有用的生物都可以直升版本T0？”