Trends综述精选：光在生命科学和化学各领域的应
作者：张馨予
原创 Cell Press CellPress细胞科学
本合辑精选14篇Trends期刊发表的综述论文，探讨光在基础和应用生物、以及化学研究中的多种应用。光有许多重要的用途，其中之一就是荧光和其他光学探针，可用于研究生物系统，如信号网络、蛋白质功能与相互作用、疾病诊断和病理学、以及遗传与表观遗传调控。除了光学探针，本合辑也讨论了光的其他应用，包括控制自由基聚合形成结构化材料、影响植物生理、利用光合生物杂交产生能量、产生神经刺激，以及在微生物中实现人工基因线路。此外，从昼夜节律到寄生虫进化、昆虫和鸟类羽翅的彩虹色泽以及鱼类的彩色鳞片，许多生物系统的基本功能也离不开光。
Trends Collection on Light
Trends in Biochemical Sciences
可遗传编码的荧光和生物发光传感器点亮信号网络
细胞信号网络在时间和空间上受到错综复杂的调控，最终决定细胞对不同信号的反应以及细胞命运。可遗传编码的荧光和生物发光传感器（genetically encodable fluorescent and bioluminescent biosensors）使得在原生生物环境中直接将这些时空信号动态可视化成为可能，因此已成为强大的分子工具，研究者们正在利用这项技术的独特优势去解决充满挑战性的生物学问题。来自加利福尼亚大学圣地亚哥分校药理学系的Zhou Xin、Zhang Jin和Sohum Mehta首先回顾了生物传感器设计的基础，并点评了推动生物传感器加速发展的最新技术，随后讨论了可遗传编码的荧光和生物发光生物传感器开发和应用的最新进展，得益于这些进展，科研人员已经在科学或技术上实现了突破。
Trends in Cell Biology
利用CRISPR进行内源性荧光标记处理
荧光蛋白已经彻底改变了生物医学研究，它们易用于蛋白质标记，不需要固定或渗透，因此可以在各种模型中实现活细胞成像。目前的方法允许将荧光标记物轻松快速地整合到目标内源基因上。在这篇综述中，来自德国波鸿鲁尔大学分子生化学系的Hassan Bukhari和Thorsten Müller介绍了锌指核酸酶(zinc finger nucleases ，ZFNs)、转录激活子样效应子(transcription activator-like effectors ，TALENs)和CRISPR这三种已被广泛用于操纵细胞或生物体的重要方法。他们以CRISPR技术为重点，概述了基于同源定向修复(homology-directed repair，HDR)、微同源介导的末端连接(microhomology-mediated end joining，MMEJ)和非同源末端连接(nonhomologous end joining，NHEJ)的标记物敲入策略，阐述了该技术在高效敲入方面的最新发展及其利弊。Hassan Bukhari和Thorsten Müller强调了荧光蛋白基因敲入的独特之处，并指出了具体的改进方向和前景，比如将基因编辑与干细胞衍生的类器官发育结合起来。
Trends in Molecular Medicine
多价探针与分子成像：未来已来？
分子医学成像领域发展迅速，主要通过在多种临床模式中应用成像剂来实现（病理）生理过程的具体可视化。尽管我们在理解高效成像剂设计的基本原理方面已经取得了长足进步，但由于结合亲和力和/或特异性较低，许多成像剂的体内成像性能仍然较差。这些局限性可以通过多价性来解决，满足多价性的情况下，多个配体可共同加强配体与受体之间的相互作用。来自荷兰格罗宁根大学的Verena I. Böhmer等人批判性地解决了与多价化合物的分子成像应用相关的具体挑战，逐步指导了如何设计多价成像探针，以改善其靶向结合和药代动力学，提高诊断潜力。
Trends in Pharmacological Sciences
克罗恩病的蛋白质组学和影像学
克罗恩病是一种慢性复发性炎症性肠病(inflammatory bowel disease，IBD)，主要特征为腹痛和梗阻等衰弱性症状。目前尚未明确该病的病因和发病机制，通常的治疗方案包括皮质类固醇、生物制剂和手术干预，疾病诊断、疾病活动和治疗反应评估主要通过内镜检查、横断面成像和生物标志物来完成。但是这些药物的有效性和影像技术的安全性仍然存在挑战。目前用于疾病诊断、疾病进展和治疗反应评估的临床和实验室工具也存在局限性。来自加拿大卡尔加里大学的Barbara Mainoli等人讨论了如何整合蛋白质组学和基于活性的探针，以及肠道超声这种易于重复、耐受性良好的诊断成像方式，从而解决这些挑战，甚或提供一个崭新的、基于精准医疗的克罗恩病治疗方法。
Trends in Immunology
用生物发光揭秘免疫系统的基因遗传和表观遗传
几千年来，生物体发光的神奇过程一直吸引着人类。随着近来荧光素酶种类的增多，以及编码不同荧光素底物的基因和路径的发现，生物发光成像将彻底改变生物医学对包括免疫反应调节在内的基因控制的纵向和动态研究。在这篇综述文章中，来自英国帝国理工学院和剑桥大学的Andrew Dimond、Mathew Van de Pette和Amanda G. Fisher总结了生物发光成像方法的最新进展，这些进展有望帮助我们进一步理解免疫系统的体内基因遗传和表观遗传控制。
Trends in Chemistry
镁光灯下：通过光控自由基聚合制造2D和3D材料
可逆失活自由基聚合（reversible deactivation radical polymerization，RDRP）已成为一种非常有用的2D和3D材料合成方法，这种方法通常又被称为可控/活性自由基聚合。近来光已被用于调节RDRP，与传统方法相比，光控自由基聚合具备固有优势。来自澳大利亚新南威尔士大学的Marie-Noëlle Rosso、Jean-Guy Berrin和Nicolas Papon介绍了光控自由基聚合的化学机理，并强调了其特殊优势。将光控自由基聚合技术用于生成2D和3D材料，可以充分利用这些优势，并为先进材料合成带来更多机会。此外，Marie-Noëlle Rosso等人还介绍了一些使用光控自由基聚合生成2D和3D材料的先进系统。
Trends in Plant Science
更顽强的生命力：LED对植物生长和防御的影响
光谱组成影响植物的生长和新陈代谢，并对与以植物为食的节肢动物及其天敌的相互作用有重要影响。在温室园艺中，可以通过发光二极管（light-emitting diode，LED）精确调控光谱组成，LED已被用于优化作物产量和质量。但是由于光照质量也会调节植物的次生代谢和防御，因此需要在生长和防御之间取舍时，了解光照对植物产生影响的基本机制非常重要。来自荷兰瓦赫宁恩大学的M. Lazzarin等人回顾了目前在温室园艺中使用或可能使用的补充光的光谱组成对植物生长和防御基础机制的影响。这些信息对于探索优化作物产出和病虫害管理，从而开发更具韧性的作物生产系统，具有重要意义。
Trends in Biotechnology
让光系统I发挥作用：真正的绿色能源
可持续地满足日益增长的能源需求是世界面临的最大挑战之一。太阳在1.5小时内向地球提供的能量就足以满足每年的世界能源需求，这很可能使太阳能转换成为未来可持续能源生产计划的一部分。光合生物体在近35亿年的时间里一直在演化太阳能利用策略，因此对生物光伏设备集成而言，包括非常稳定的光系统I在内的反应中心非常有意义。虽然这些生物杂交装置一直在进步，但与传统光伏相比，它们的产出仍然很低。来自田纳西大学诺克斯维尔分校基因科技研究生院的Alexandra H. Teodor 和Barry D. Bruce讨论了基于光系统I的生物光伏的改进策略和方法，重点讨论了光系统I与表面相互作用的强化、电解质以及增强光收集的能力。此外，他们还讨论了基于光系统I的生物光伏器件的理想特性和现存缺点。
Trends in Neurosciences
伽马同步对神经回路、胶质细胞和治疗机会的影响
研究表明，伽马振荡（30-100Hz）与神经回路功能、行为和记忆有关。为了研究伽马振荡与认知功能之间潜在的因果关系，最近的研究采用了各种类型的脑刺激来诱导伽马振荡。与那些由感觉经验驱动的技术类似，光遗传学或感觉刺激等技术似乎通过规范的神经回路，包括兴奋性和抑制性中间神经元，诱导伽马同步（gamma entrainment）。在小鼠模型上，感觉诱发的伽马同步能改善认知功能。传统上，针对振荡的研究一直是在神经生理学水平上进行的，然而感觉诱发伽马同步能够诱导包括神经元和小胶质细胞在内的多种细胞的基因表达变化。此外，有证据表明，慢性伽马同步具有神经保护作用。
Trends in Microbiology
基因线路辅助智能微生物工程
DNA合成、遗传操控和生物传感器的快速发展，极大地提高了人们设计具有复杂功能的微生物的能力。通过准确地集成高质量的生物传感器和复杂的基因线路，最近出现的智能微生物为剖析复杂的信号网络并在没有人工干预的情况下做出反应提供了宝贵的机遇。然而，由于缺乏设计原则，开发这种智能微生物仍然具有挑战性。在这篇综述中，来自江南大学和美国马里兰大学巴尔的摩县分校的Cong Gao等人提出了智能微生物工程（smart microbial engineering，SME）的概念，并描述了基本SME的一般特征，包括电路结构、组件和设计过程。由于该领域在不断发展，Cong Gao等人还总结了SME的最新进展、现存挑战以及潜在的解决方案。
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Trends in Endocrinology & Metabolism
昼夜节律紊乱对心血管功能和疾病的影响
昼夜节律系统广泛存在于各个物种，在几乎所有的生物过程中产生了24小时的节律，并使它们能够预测和适应24小时的昼夜循环，从而确保最佳的生理功能。流行病学研究表明，不良心血管事件存在日内变化，而对照实验室研究亦表明，昼夜节律对心血管功能和风险的关键标志物有影响。此外，昼夜节律失调会增加心血管风险因素。通常倒班工人以及吃夜宵、倒（社会）时差或昼夜节律睡眠-觉醒紊乱的个体会出现昼夜节律失调。因此，了解昼夜节律系统调节心血管功能的机制，以及其中哪些机制受到昼夜节律紊乱的影响，可能有助于制定干预策略、降低心血管风险。
Trends in Parasitology
光合寄生是顶复门寄生虫进化的一种中间状态
尽管光合作用有好处，但许多藻类已经失去了光合作用的能力，转为异养生物。寄生是一种异养策略，其中顶复门寄生虫（apicomplexan parasites）是对人类最具破坏性的寄生虫之一。顶复门寄生虫体内存在无光合作用的质粒，这表明其起源为光养生物。与之相关的光营养性色虫门生物的发现，为研究顶复门寄生虫在光营养和寄生之间的过渡提供了可能。色虫门生物Chromera velia既可以珊瑚幼虫胞内寄生虫的方式生存，也可以光养生物的方式独立生存，来自捷克布杰约维采南波西米亚大学的Miroslav Oborník将这种光营养体和寄生体的结合称之为光合寄生（photoparasitism）。由于顶复门寄生虫的早期分支生活在细胞外，所以它们不太可能是从细胞内共生体进化而来的。在这篇观点文章中，Miroslav也讨论了从胞外光合寄生虫进化到专性顶复门寄生虫的可能轨迹。
Trends in Ecology & Evolution
虹彩信号的悖论
信号能将信息稳妥地传递给接收者。为保障可靠性，个体之间在信号特性上的差异必须是一致且易于被接收者感知和评估的。彩虹色的物体通常是醒目而生动的，但它们的外观会随着观察几何（viewing geometry）和照明度的变化而发生显著改变。虹彩表面的可变性由此形成一个悖论：这样的话，它们怎么能作为可靠的信号呢？来自墨尔本大学的Devi Stuart-Fox等人认为，只有伴随着特定的适应性变化，比如一些能限制色调变化感知或增强、控制方向性的结构和行为，来增强可靠性，彩虹色泽才能成为可靠的信号。Devi等人强调了研究彩虹色泽所面临的挑战，以及评估其适应性意义时所应考虑的关键因素。
Trends in Genetics
神奇的鱼，神奇的性状：利用珊瑚鱼了解颜色模式的演变
颜色模式可以很好的反映表型多样性，也让人们对性状的适应性价值或表型进化的制约因素提出质疑。珊瑚鱼有望帮助人们解答这些疑问，因为它们在生态和系统发育上具有多样性，并且拥有脊椎动物中已知最多样的色素细胞。除了遗传资源方面的最新进展，珊瑚鱼还有实验模型，可以帮助人们区分生态、发育和进化过程对表型的影响。来自法国索邦大学的Pauline Salis等人强调从生态、进化和发育的角度，对珊瑚鱼的颜色模式进行全面研究，他们的研究表明，这种方法可以为复杂表型的进化带来新的见解。
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