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冠海豹具有卓越的潜水技能，一次能在水下停留长达一小时。Mariana Hoff和Andrej Fabrizius讨论了他们最近发表在《BMC Genomics》上的研究，探讨冠海豹大脑中令它们能够在如此长时间内没有氧气情况下活动的分子适应性。 原文作者：Mariana Leivas Müller Hoff和Andrej Fabrizius 对于大多数在陆地生活的哺乳动物而言，缺氧通常在几分钟内对大脑造成不可逆的损伤。发生这种情况的原因之一是因为这种高度活跃的组织不能应对氧气缺乏（也称为缺氧）情况下能量产生和需求之间的失衡。另一方面，鲸鱼和海豹等潜水哺乳动物的大脑可以在潜水造成的反复和长期缺氧期间存活而不受损伤。 在某种程度上，这种大脑耐受性归因于行为、结构以及生理上潜水适应性的结合，诸如心率降低和外周血管收缩。潜水适应性在行为学、解剖学和生理学上的综合因素，例如的。对潜水哺乳动物大脑中的细胞和分子适应性的研究更少，而正是这种适应性可能导致了它们的缺氧耐受性。 来源于冠海豹（Cystophora cristata）大脑切片电生理学研究的证据支持细胞和分子机制确实发挥作用的观点。这种海豹非常擅长潜水，记录的潜水可长达1小时，深度超过1000米。当面临体外缺氧时，这种北极海豹的神经元保持了长时间的活性，而小鼠神经元则立即死亡。 在我们的文章中，我们用RNA测序（RNA-seq）探究了冠海豹的分子适应性。 我们首先获得了具有超过10,000个转录本的冠海豹视觉皮层的转录组。然后，将其mRNA水平与其陆生近亲属，雪貂，的视觉皮层中的mRNA水平进行比较。 我们发现海豹大脑中与能量代谢相关的基因的表达水平普遍降低。最重要的是，我们鉴别出两个潜在的候选基因在海豹大脑中具有异常高的表达水平，并因此可能导致了海豹不寻常的缺氧耐受性。 在海豹皮层中发现具有最高mRNA水平的是丛生蛋白（CLU），它是一种具有多种功能的伴侣蛋白。例如，CLU干扰BAX介导的凋亡通路，从而促进细胞存活。 海豹大脑中高水平的CLU可以解释为一种为了保护其免受与潜水相关的损伤的预适应或是潜水期间或之后的压力状况所产生的结果。 发现在冠海豹和雪貂大脑之间mRNA水平的最大差异是S100B，它在海豹大脑中高表达。S100B是一种Ca 2+结合应激蛋白，具有在大脑损伤和疾病期间调节细胞增殖和星形胶质细胞活化等功能。最有趣的是，对获得的大脑转录组的进一步比较分析显示，S100B的mRNA水平在小须鲸和弓头鲸中也较高，但在陆生哺乳动物中较低。因此，S100B似乎是一种常见的适应性机制的组成部分，在鲸和海豹中逐渐进化以在潜水期间氧气供应减少的情况下更好地存活。 然而，研究尚未止于此。这两种候选蛋白在潜水适应性中的功能必须进一步研究，因为，例如，S100B也可以促进癌症，CLU涉及几种人类神经退行性疾病并且与衰老相关。

本周发表于BMC Evolutionary Biology的新研究，探索了从海洋到陆地的进化转变背后所隐藏的遗传变化，并找到了多个物种中针对同一基因的自然选择从而各自完成这一进化历程的证据。第一作者Pedro Romero为我们进行了详细的介绍。 三叉角蜗牛（Carychium tridentatum）是一种非常特殊的陆生微蜗牛，其是潮间带-海生蜗牛家族中为数不多的陆生种系之一。Alexander Weiger，已获授权 “自然让一切都无法长久，但又总是循环往复，如此它所创造的一切都将得以保留。”——奥斯卡·王尔德 生命很可能最先起源并分化于水生环境之中。随后，从细菌到绿色植物，从软体动物到脊椎动物等不同生物逐渐冒险踏上陆地。 不难想象，从海洋到陆地的转变是多么困难重重；事实上，第一批有记录的陆生生物直至奥陶纪才出现（大约4.85-4亿年前），而这比地球上生命的起源晚了数十亿年。在我开始筹划我的博士论文时，我意识到大多数生活在陆地上的物种都是成功侵入陆地领域的少数几个分支的后代，这令我非常着迷。 能量是新陈代谢的基础，而大多数由细胞生成的能量来自于线粒体。十三个线粒体基因被转译成代谢路径中的蛋白质，这些蛋白质最终产生ATP，细胞中的能量通货。我们假定这些线粒体基因也参与了生物体对陆地新领域的适应过程，并且一些突变可能提高了细胞的整体新陈代谢性能。 红色蛞蝓（Arion rufus），本研究中使用的物种之一。Hans Hillewaert, CC4.0，转自维基百科 研究中，我们使用了软体动物，因为陆地入侵多次发生在本群的不同科之中。它们为测试彼此独立的种系中是否发生相同的遗传适应提供了绝佳的机会。另外，此前大多数关于陆地适应的基因组基础的研究都集中在脊椎动物身上，因此，在非脊椎动物身上对我们的假设予以检验是个不错的主意，因为它们代表了现有动物95%的多样性。 我们决定对直神经亚纲动物的线粒体基因组进行比较，该类动物是软体动物纲腹足纲中最多样化的群体。该群体中包括生活在海水、潮间带、淡水和陆地区域的蜗牛和蛞蝓。 我们在彼此独立的登陆种系中发现了自然选择下的两种相同的线粒体基因（cob和nad5）。这强烈地暗示了，两种相似的自然选择驱动力在线粒体基因组中留下了它们的印记；由这两种基因编码的酶深度参与了能量制造路径，这印证了我们的假设，对陆地环境的适应要求这些动物针对能量需求的增加做出改变。 线粒体蛋白质对于生物体而言生死攸关，因此在其结构和功能上在生命树不同生物体之间得以高度保留。这意味着将蜗牛的氨基酸序列与如蝙蝠、海豚、人类和老鼠的氨基酸序列进行对比是相对容易的，由此我们注意到，脊椎动物体内由这些基因编码的蛋白质中相似氨基酸位置上同样存在自然选择标记。 长齿先驱蜗牛（Carychium tridentatum），本研究使用的另外一个物种，的壳。H.Zell, CC3.0转自维基百科 因此，我们意识到，在向新栖息地转变的过程中，为了适应变化的能量需求，蜗牛体内出现了与脊椎动物相似的基因模式。在从陆地进入海洋的鲸鱼，从陆地转移至空中的蝙蝠，以及从地表生活变为地下栖息的啮齿类动物中相同的蛋白质，有时甚至是相同的氨基酸位置明显都经历过自然选择。 似乎在剧烈变化的环境下，来自大相径庭群组的动物在分子机制方面表现出了相似的适应性，这可能是由于，这些改变对于应对其新栖息地所带来的能量需求增长，发挥着关键作用。 然而这仅是一个开始，通过利用线粒体基因组或借助于新的测序技术对其他群组生物体进行比对，完整基因组能够阐明分子层面的适应，这些适应令我们的海生祖先成功地征服了陆地。

伤后二次并发症是严重烧创伤患者死亡的重要原因，主要由于炎症和免疫反应紊乱引起。临床发现，某些患者预后较好，另一些患者则因发生院内感染、脓毒症和多器官衰竭等预后较差。现有的解剖学评分及生理学评分系统在严重并发症的预测上不能满足需要，因而，临床致力于采用新方法寻找与较差预后相关的生物标记物，以尽早识别具有严重并发症倾向的患者。 目前研究发现，预后较好和较差的患者在基因、蛋白质和代谢物的水平上有明显不同，甚至在伤后两小时，这种差异在患者血液样品中已表现出来。这种基于基因组学、蛋白质组学和代谢组学数据的系统生物学分析方法远比现阶段解剖学评分和生理学评分系统更为灵敏，对严重并发症的早期诊断和预测极具价值，并有望实现精准个体化治疗。 来自英国伯明翰大学医学院的Jon Hazeldine博士及同事就系统生物学用于严重烧创伤的研究进展进行了综述，文章发表在Burns & Trauma期刊。 全文链接请点击这里。

2010年Biology Direct发表了文章合集，强调进化机制与癌症相关联的各种方式以及如何将这些机制形成数学模型。本周我们很高兴地推出该系列的续篇：进化和癌症：数学生物学方法II。 这一新系列文章由Marek Kimmel教授（莱斯大学）特约编辑，同样涉及进化与癌症彼此紧密联系的方式，并关注自2010年以来的数年时间里所取得的进展。 系列文章编辑寄语 “近些年来，癌症进化的数学模型发生了进一步的转变。六年前被视为革命性的实验室技术，如今正逐渐变成常规使用手段。例如，The Cancer Genome Atlas包含个体肿瘤数据，这在没有测序技术进步的情况下是不可能获得的。肿瘤中不同部位的二次取样以及样品DNA测序已经成为建立异质性的一种实用手段。相似地，细胞条码技术以及单细胞测序帮助我们了解了癌症克隆的异质性。 现在，新的数据适逢能够更加准确地对致癌事件及癌症进展进行推断的理论方法。这一进步还将使得我们更好地理解异质性与治疗结果之间的关系。” 新推文章 本周推出的全新系列文章中包含五篇文章，涉及癌细胞群的进化、组织结构与致癌作用之间的相互影响以及癌症异质性对最优疗法的影响： 组织结构应该抑制还是增强选择以将癌症风险降到最低程度？ Laura Hindersin，Benjamin Werner、David Dingli及 Arne Traulsen 异质性肿瘤的最优治疗方法以及随机模型 Hamidreza Badri及Kevin Leder 透过表型结构化方程的数学透镜跟踪癌细胞群的进化过程 Tommaso Lorenzi，Rebecca H Chisholm及Jean Clairambault 群体异质性导致的初期及转移肿瘤休眠 Irina Kareva 细胞位置及空间梯度在结肠和肠隐窝进化动力学中的作用 Leili Shahriyar，Natalia L Komarova及Alexandra Jilkine 即将推出 在接下来的数月中，我们还希望将本系列扩充，进而包含讨论急性白血病中出现的异质性，多层空间进化博弈，以及结合进化动力学的个性化治疗策略的新文章。 Kimmel教授此前曾强调，对于癌症的定性和定量了解均是设计制定有效治疗方法的必要条件。我们希望，通过将本主题系列中发表的文章结合起来，能够有助于阐明癌症研究人员以及数学建模人员等所取得的大量进展。 点击此处阅读本系列全部文章，进一步研究将在未来数月中逐步增添。