科学精选：银河系三维测绘 3D打印心脏零件与更好小鼠模型探索冷冻鱼基因组

本期Science精选中涉及到了多个领域科学研究。中研究人员通过对数百万颗恒星数据分析完成了对银河系三维测绘这有助于我们更深入地了解银河系构和演化。科学家们成功打印出人类心脏零件这项技术或将为心脏病患者提供更好治疗方案。研究者们还利用基因编辑技术创造出了更适合用于研究人类疾病小鼠模型。研究人员通过对超过600个鱼类物种基因组序列进行分析揭示了许多关于冷冻鱼类有趣信息。这些成果将有助于我们更全面地认识这些生物并推动相关领域进步研究。

银河系三维测绘

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据一则新研究报告披露，通过测算散布于银河系中数千颗脉动星与我们太阳间的距离，研究人员以超乎以往的规模对我们的星系进行了绘测。这一新的三维图揭示了银河系扭曲恒星盘的S-状结构。

共同作者Przemek Mroz在相关的视频中说：“我们的三维图显示，银行系恒星盘是不平的，而是翘曲扭拧的。这是我们首次能用个体在三维空间展示它。”目前对我们银河系螺旋状结构的多数理解建立在对天体标志的间接测量及基于对宇宙中其它遥远星系的推导。

然而，由这些有限观测所拟绘的银河图仍不完整。如同遐方雾岸上如此众多的灯塔，经典造父变星会以规则间期搏动并能通过巨形星际尘埃云（它们通常会令较暗的恒星体变得朦胧）而可见；经典造父变星是年轻的巨型恒星，其燃烧所发出的光芒比我们的太阳要光亮数百甚或数千倍。由于其亮度的周期性变化，这些恒星的距离可被精准地确定。

Dorota Skowron和同事对整个银河系中超过2400颗造父变星与太阳的距离进行了绘测，它们中的大多数是通过光学重力透镜实验（OGLE）确认的；OGLE项目令银河中已知的经典造父变星数目增加一倍以上。通过为相对于我们太阳的每颗遥远的脉冲星分派坐标，Skowron等人构建了一个高度精确的银河系3D模型。这幅新图可解释并帮助约束先前观察到的银河翘曲恒星盘的形状。

用3D法为我们破损的心脏打印新部件

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研究人员在一项新的研究中展示了一种新颖的“FRESH”3D生物打印方法：他们研发了一种用胶原进行3D生物打印复杂、高分辨率结构的新方法。

胶原是许多人类组织中的主要的细胞外构材。这种方法通过证明其能用胶原3D打印复杂的心脏结构和组织而克服了限制性的技术障碍。这种方法在很大程度上复制了人类自然心脏的形式和功能。

尽管3D打印技术潜力很大，但该技术在生物医学应用中的广泛使用通常都会受到技术性限制，其中包括不良的组织保真度和低下的打印分辨率。同样地，用活细胞打印或创建诸如胶原等软性生物材料虽被证明颇为困难但仍然是人们高度追求的目标。

Andrew Lee和同事在此描述了一种直接进行胶原3D生物打印的新方法。作者研发出了一种“自由形式悬浮水凝胶可逆性嵌入”3D生物打印技术的改良版二次迭代（FRESH v2.0），它利用pH的快速改变令喷出胶原的固化得到精确控制。这种方法能创建复杂的结构与功能性组织架构，后者能以高达10微米的打印分辨率进一步地嵌入活细胞或复杂的脉管系统。

Lee等人用这种方法来设计并3D打印完全源自胶原和人类细胞的功能性人类心脏部件，其中包括心脏组织、有收缩性的心室甚或新生儿心脏。生物打印心脏的验证研究准确再现了病人特异性的MRI解剖结构，而用人类心肌细胞打印的心脏组件实现了高级的收缩功能。在相关的《视角》文章中，Queeny Dasgupta和Lauren Black III回顾了过去在3D生物打印中的进展，并对Lee等人的工作对未来展现的“前所未有的希望”进行了评论。

多元微生物组可建构更好的小鼠模型

构建更好的小鼠模型之道始于其肠道。据新的研究披露，实验室中出生的具有天然微生物群和病原体的小鼠为免疫学所提供的转化性研究价值可能要大于广泛使用的传统性的实验室小鼠。

这种实验用的小白鼠在许多方面堪称典型的生物医学研究中的英雄。多个世代的小鼠模型一直是人们追求加深了解人类健康和免疫的无价之宝。无数人的健康源自始于在小白鼠中进行过简单测试的医疗。

然而，作为转化医学模型，实验室小鼠并非完美。在小鼠中的大多数成功的临床前研究未能过渡至人类的临床应用。近来的研究证明，实验小鼠的近交系缺乏“野生型”范围的微生物组多样性，这可能会极大地扭曲对天然免疫系统功能的准确描述。

为解决这些短板并构建更具相关性的小鼠模型，Stephan Rosshart和同事将实验小鼠的胚胎植入到野生小鼠体内以创建“野生鼠”，即这些小鼠与野生小鼠有着相同的细菌、病毒和真菌群落多样性，但它们也维持了实验小鼠在遗传上的均一性。

为评估该野生模型的转化潜力，Rosshart等用野生鼠重新创建了2个临床前药物研究，而实验室小鼠先前在该临床前研究中未获成功。结果显示，这些野生小鼠能更准确地预测人类对药物的反应并可在这2个案例中防止临床试验的失败。

Samuek Nobs和Eran Elinav在相关的《视角》文章中写道：“由于野生小鼠与人类的微生物组相似，因此野生小鼠可能会为人们在人类临床试验中预测成功提供了一个优等且更强健的临床前模型。”

在冷冻鱼的基因组中寻找答案

研究人员用几十年前的冷冻鱼发现了在人类世中对人类活动做出快速演化性适应的基因根源。研究人员说，类似的特征（至少在他们所研究的鱼中）可通过高度趋异的基因途径而产生。

Christian Jørgensen和Katja Enberg在一则相关的《视角》中写道：“有趣的是，在某个群体中强力增加的基因却在有着相同遭遇的平行群体中没有变化。这种情况支持这样一种观点，即从基因角度上说，有多种通往罗马的途径。”

越来越多的证据显示，人类所诱发的无数的环境改变产生了强大的选择压力，导致许多物种发生快速且明显的演化性改变。例如，全球渔业活动所引发的选择性压力导致了许多商业捕捞物种的生长速度和繁殖时间发生明显变化。这些变化通常会发生于区区几个世代内。

然而，人们对令这类快速性适应成为可能的基础遗传学仍然知之甚少。声称能预测演化性改变的观点有两种；其中一种观点提出，某个物种的DNA是通过长久的细致演化补缀而产生的，而另外一种观点提出，某个物种如今的基于其遗传的特征受到可能有数百个基因共同作用的影响。

Nina Therkildsen和同事重新审查了一个近之久的研究，后者模拟了在数个世代中对数千种小型大西洋银边鱼进行密集捕捞并发现其整体生长速度发生明显的演化性改变。Therkildsen等人对自那以后冷冻的实验用银边鱼的基因组进行了测序，并对与鱼的体型大小改变相关的基因组变化进行了追踪。

据结果揭示，所观察到的银边鱼体型的快速衰减是通过2种截然不同的多基因机制产生的。作者在数百个与野生环境中生长变化有关的无关联基因内观察到了许多小型的平行性改变。然而，其他的实验证明，在大块的紧密关联的基因中有大的改变，后者可在某些基因组位点导致重大变化。

在一则相关的《视角》文章中，Christian Jørgensen和Katja Enberg对这一发现如何与这两种声称能预测演化性改变的观念相符进行了解释。

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