Trends综述精选：平衡

原创 Cell Press CellPress细胞科学 

一般而言，平衡指的是不同元素含量相等或比例正确的状态。本次Trends精选探讨了不同背景下的平衡，对以下生物学概念进行了强调：1）稳态；以及2）尽管外部条件有变化，但细胞、组织和系统（化学、氧化还原状态、能量）保持平衡的调节过程。此外，本合辑还强调了人类认知控制中，以及植物和寄生虫等生态系统内的平衡优化，并讨论了平衡对改善微生物生物处理技术的意义。

淋巴管的稳态维护

淋巴血管正在成为组织平衡和再生的多面调节器。淋巴管将液体、大分子和免疫细胞从周围组织排到淋巴结和系统循环。最近，研究人员发现淋巴管的功能超出了排水引流的范畴，还包括直接调节适应性免疫以及针对器官生长的旁分泌调节。学术界已经将控制淋巴管生长的发育机制描述得越来越精确，但仍不太清楚淋巴管的基本功能特征是如何建立和维持的。来自瑞典乌普萨拉大学（Uppsala University）的Taija Mäkinen团队在Trends in Molecular Medicine发表综述论文，讨论了成人组织中维持淋巴管完整性和控制血管修复和再生的相关机制。这些发现对于理解导致疾病的病理性血管变化至关重要，也为治疗方法的开发提供了机会。

内皮细胞：脂质和葡萄糖稳态的活性调节器

血管内皮作为动态屏障，将血液和间质分开。内皮细胞可对血液循环的变化迅速做出反应，并积极调节血管张力、通透性和血小板功能。内皮细胞还分泌血管内分泌因子，以器官特异性的方式支配相邻实质细胞的功能。内皮功能紊乱被认为是代谢性疾病的标志，但有新的证据表明，根据代谢状况的改变，内皮细胞会调节营养物质和激素向实质细胞转移。因此，内皮细胞与系统性代谢失调之间可能存在因果作用。来自海德堡大学的Andreas Fischer团队在Trends in Cell Biology发表综述论文，总结了学术界有关脂肪酸、葡萄糖和胰岛素跨内皮层转运的最新研究进展，并讨论了其病理生理学意义。

肠道干细胞在稳态和癌症条件下的动态变化

肠道干细胞和结直肠癌之间的关系一直是一个热门的研究课题。揭示干细胞在稳态条件下和获得致癌突变后的动态，为理解结直肠癌的发生提供了前所未有的洞见，而且越来越明显的一点是，微环境在调节干细胞命运和功能方面发挥着关键作用。所以，微环境和肠道干细胞之间的信号转导失衡会扰乱稳态、促进癌症的发展。此外，干细胞样细胞驱动着成熟结直肠癌的生长和进展，这些细胞也十分依赖微环境的输入。来自阿姆斯特丹大学医学中心（Amsterdam University Medical Centers）和Oncode研究所（Oncode Institute）的Sanne M. van Neerven团队在Trends in Cancer发表综述论文，强调了干细胞与微环境相互作用对发展中结直肠癌和成熟结直肠癌的重要性，并讨论了如何调控这些相互作用以开发新的预防和治疗干预措施。

中缝背核在能量平衡控制中的作用

能量平衡的协调是由整个中枢神经系统中高度相互关联的核团组成的一个庞大网络来完成的。虽然人们对调节能量稳态的下丘脑回路有很多了解，但对所涉及的“下丘脑外”回路（‘extra-hypothalamic’ circuits）的了解却相对较少。来自哥伦比亚大学医学系的Alexander R. Nectow团队在Trends in Neurosciences发表综述论文，总结了数十年来有关脑干中缝背核（dorsal raphe nucleus）的研究，将这一结构与维持适当能量储存的生理和行为反应联系起来。中缝背核神经元感知并响应与能量失衡有关的内感觉和外感觉线索，并反过来诱导能量摄入和支出的适当改变。此外，中缝背核在分子水平上是可分的，不同亚群在控制能量平衡方面发挥着不同且往往相反的作用。这些群体被整合到已知的调节能量平衡的庞大回路中。研究人员总结了关键证据，证明了中缝背核在调节能量平衡中的重要作用。

压力作用下的细胞：酵母细胞对机械力的反应

在自然栖息地，单细胞真菌微生物暴露在无数的机械作用下，如来自液体流动的剪切力、渗透性变化和微生物在封闭空间中扩张产生的接触力。虽然细胞壁的硬度对于承受这种外力和平衡高膨压（turgor pressure）至关重要，但在需要重塑细胞壁的生理过程中，如细胞生长、分裂和交配，它也带来了机械挑战。因此，即使像酵母这样简单的生物体也已经进化出复杂的信号网络来感知和应对内在和外在的机械力。来自美国怀特海德生物医学研究所（Whitehead Institute for Biomedical Research）和瑞士苏黎世联邦理工（ETH Zürich）的Ranjan Mishra和Matthias Peter团队在Trends in Microbiology发表综述论文，总结了单细胞酵母所经历的机械力类型和来源，并讨论了这些力如何重组细胞极性，以及病原真菌如何利用极化的集合体来追踪宿主组织的薄弱点以成功渗透。 研究人员还描述了保守的机械传感器的力感应机制，并阐述了下游的机械传导机制，这些机制协调了适当的细胞反应，提高了细胞的机械适应性。

作为调节中心的脯氨酸代谢

脯氨酸是一种多功能的氨基酸，植物会在各种应激条件下积累高浓度的脯氨酸。脯氨酸的积累与许多细胞过程密切相关，如渗透压、能量状态、营养供应、氧化还原平衡的变化和对病原体的防御。脯氨酸的生物合成和分解分别与光合作用和线粒体呼吸有关。脯氨酸可以作为一种信号，调节基因表达和某些代谢过程。来自阿根廷国立科尔多瓦大学（Universidad Nacional de Córdoba)的María E. Alvarez和来自匈牙利生物研究中心植物学研究所（Institute of Plant Biology, Biological Research Centre）的László Szabados团队在Trends in Plant Science发表综述论文，回顾了过去十年中关于脯氨酸代谢和功能的重要发现，更详细地总结了这种不寻常的氨基酸在维持细胞平衡、调节植物发育和促进压力适应方面的功能。

转录因子寻找基因组结合位点时的速度-特异性权衡

转录因子通过结合其DNA结合域（DNA-binding domains, DBD）所识别的DNA序列来调节基因表达。DBD识别的模体序列很短，在基因组中大量存在。转录因子可以结合模体序列包含位点的特定子集，并在激活后迅速结合，这种能力是所有真核生物基因表达的基础。尽管许多研究人员都对转录因子靶标检索过程很感兴趣，但我们对这一过程的理解是碎片化的；尽管结合特异性和检测速度是这一过程的两个方面，但很少有研究人员关注二者之间的权衡。来自以色列魏茨曼科学研究所（Weizmann Institute of Science）的Naama Barkai团队在Trends in Genetics发表观点文章，在现有模型的背景下讨论了潜在的速度-特异性权衡，并进一步讨论了新近发现的“分布式特异性”（distributed specificity）范式，认为内在无序区（intrinsically disordered regions）促进了特异性并减少了转录因子靶标检索时间。

亦正亦邪：核受体点燃和熄灭肝脏氧化环境

核受体是与配体结合、调节基因网络和生理反应的转录因子。通常情况下，肝脏疾病发作之前会出现氧化应激，而Nrf2是抗氧化途径的一个关键调节器。核受体与Nrf2串联，因为核受体的激活可以通过调节还原性细胞过程影响氧化环境。饮食和异生素（xenobiotics）也调节核受体的表达和活性，这表明了反馈回路的存在。根据具体的组织环境和线索（tissue context and cues），核受体可以增加或减少毒性和氧化损伤。FDA批准了许多以核受体为靶标的药物，或可变更临床用途，用来改善活性氧（reactive oxygen species）。来自伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（University of Illinois at Urbana-Champaign）的Sayeepriyadarshini Anakk团队在Trends in Endocrinology & Metabolism发表综述论文，讨论了几种核受体对饮食、有机污染物和药物所致肝脏损伤引起的氧化应激的调节作用。

溶酶体：铁代谢的主要调节器

细胞内的铁促成了关键的细胞过程，包括DNA合成和线粒体代谢，但也介导了铁死亡（ferroptosis），铁死亡是一种细胞死亡调节形式，由基于脂质的活性氧驱动。除了在降解和回收方面的既定作用外，溶酶体还整合来自不同亚细胞部位的代谢和细胞死亡信号，在铁平衡中处于核心地位。来自比利时天主教鲁汶大学（Katholieke Universiteit Leuven）的Peter Vangheluweh和Patrizia Agostinis团队在Trends in Biochemical Sciences发表综述论文，讨论了溶酶体在维持铁平衡中的核心作用，并对相关调节回路进行了综合展望，这些调节回路将溶酶体系统与铁转运、细胞间串扰和铁死亡诱导的控制联系了起来。此外，研究人员还讨论了一些新的研究，这些研究揭示了溶酶体铁处理功能失调如何导致癌症、神经变性和病毒感染，以及如何加以利用，进行治疗性干预。

靶向TGF-β信号通路，解决肺动脉高压问题

异常的转化生长因子-β（transforming growth factor-β, TGF-β）信号激活与肺动脉高压有关。BMPR2突变扰乱了骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein, BMP）和TGF-β途径之间的平衡，引起血管重塑、肺血管管腔变窄和临床症状。来自英国布拉德福德大学（University of Bradford）和孟加拉国健康、农业和社会经济发展中心（Centre for Health, Agriculture, and Socio-economic Advancements）的Md Talat Nasim团队在Trends in Pharmacological Sciences发表综述论文，强调了TGF-β途径与发病机制和治疗方法的关联。理解对认知控制能力的限制

人类能同时执行的控制任务（control-dependent task）数量，以及对单一任务的专注程度，受到了极大的限制。这些限制是大多数认知理论的普遍假设。但人类受到这些限制的原因仍然难以捉摸。来自普林斯顿大学的Sebastian Musslick团队在Trends in Cognitive Sciences发表综述论文，总结了心理学、神经科学和机器学习的最新见解，认为认知控制的限制可能是机体对神经结构中基本的计算困境的合理适应。既往研究提示，多任务限制可能来自于学习效率和处理效率之间的权衡，对单一任务专注程度的限制可能反映了认知稳定性和灵活性之间的权衡。

总结功能性状对生态系统稳定性的影响

在全球变化作用下，未来如何维持生物多样性和生态系统服务，这是一个基本问题。长期以来，生态学家们一直在争论地方生物多样性对生态系统属性的时间稳定性的多种潜在控制机制。不断积累的理论和经验证据表明，这些机制与不同的种群和群落参数一起，主要通过生物体之间功能性状差异来运作。来自捷克南波希米亚大学（University of South Bohemia）、捷克科学院和西班牙瓦伦西亚瓦伦西亚（Valencia）荒漠化问题研究中心（Centro de Investigaciones sobre Desertificación）的Francesco de Bello团队在Trends in Ecology & Evolution发表综述论文，回顾了潜在的性状稳定性机制以及基本的测试和相关指标，确定了各种基于性状的成分，其中每一种都代表了不同的稳定机制，有助于缓冲或传播环境波动对生态系统功能的影响。通过结合不同的性状稳定性效应的拼图得到的这一综合图景，将为未来的实证和建模研究提供指导。

植物、食草动物和环境之间以气孔为媒介的相互作用

气孔在植物对非生物性和生物性胁迫（abiotic and biotic stress）的反应中起着核心作用。关于气孔在植物胁迫（plant stress）中的作用，现有的知识主要集中在非生物胁迫和植物与病原体的相互作用上，但气孔如何影响植物与食草动物的相互作用在很大程度上仍不清楚。来自美国宾州州立大学（Pennsylvania State University）的Po-An Lin团队在Trends in Plant Science发表综述论文，总结了气孔在植物与昆虫相互作用中的功能，并强调了有关食草动物如何操纵植物气孔的新近发现。由于气孔与植物中相互关联的生理过程有关，食草动物引起的气孔动态变化可能会对细胞、机体，甚或群体产生影响。气孔如何介导植物对食草动物和环境刺激的反应?研究人员总结了现有认知，就食草动物如何影响这些反应提出猜想，并指出了有关植物与食草动物相互作用的重要研究空白。

按蚊与疟原虫的发展：一个有关资源共享的故事

按蚊（Anopheles）媒介和疟原虫（Plasmodium）之间的相互作用决定了疟疾在流行地区的具体传播。这两种生物的长期联系导致了诸多进化过程，使感染的健康成本最小化，并通过共享营养资源、寄生虫免疫抑制和蚊子的感染耐受，使双方受益。恶性疟原虫（Plasmodium falciparum）是最致命的疟疾寄生虫，而冈比亚按蚊(Anopheles gambiae）是其最重要的天然宿主之一，来自哈佛大学的W. Robert Shaw和Flaminia Catteruccia团队在Trends in Parasitology发表综述论文，总结了有关二者之间联系的新近数据，并讨论了这些发现对寄生虫传播和目前正在开发的病媒控制策略的影响。

稳健性：将菌种设计与可行的生物过程联系起来

利用微生物细胞工厂进行各种化学品的可持续生产正变得越来越流行。代谢工程促成了先进细胞工厂的设计，但扩大规模并将其置于工业条件下时，长期产量、滴度和生产力就会出现问题。这种限制源于稳健性（robustness）的缺乏，所谓稳健性，指的是在这种生产过程扰动下保持恒定表型的能力。来自瑞典查尔姆斯理工大学（Chalmers University of Technology）的Lisbeth Olsson团队在Trends in Biotechnology发表综述论文，描述了可预测的和随机的工业扰动，以及应对生产过程扰动的最新技术。此外，研究人员区分了稳健性和耐受性（tolerance），讨论了单细胞研究对于提高系统稳健性的潜力，并强调了一致、可比较的稳健性量化方法，这可以指导工业生物过程中的菌株选择。

请扫描浏览Trends Collection on Balance

阅读原文