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生命世界
无奇不有
走进科学
解读生命
一、第二代测序技术在无创产前诊断中的应用
二、第二代测序技术在无创肿瘤诊断中的应用
第二代测序技术在无创伤诊断中的应用
信号传导研究领域的年度突破
蟑螂的夜视能力源于对光信号的采集
专 题
热 点
百 态
本刊文章主要由国外网站文章编译而成，如有版权问题，请版权所有人与本刊联系。
凡本刊所载文章，版权归作者本人和本刊所有，如需转载，请注明作者及出处“生命奥秘”。
本刊提供的任何信息都不能作为医疗凭证和依据，仅供科研参考。
................................................................................ 10
..................................................... 10
下一期（2015年4月刊）预告：光片荧光显微技术
每年年底，《自然-方法》（Nature Methods）都会对过去一年中推动生物学发展的技术方法进行回顾与总结，由此评选出当年最受瞩目、影响力最大的技术。2014年，光片荧光显微技术（light-sheet fluorescence microscopy）荣膺《自然-方法》年度生命科学技术。
.......................................................................................... 23
................................................................................ 38
1. 肿瘤无创筛查测序的基本原理
2. 肿瘤无创筛查测序技术的演变3. 不同类型肿瘤无创筛查测序的比较4. 肿瘤无创筛查测序研究的进展
1. 多基因遗传病
2. 遗传性耳聋的无创诊断
鸟类基因族谱：为“老伙计”安置新位置 ......................................................................... 34
前言 ............................................................................................................................. 01
...................................................................................... 04
...................................................................................... 03
..................................................... 03
1. 无创产前诊断的基本原理
2. 无创产前诊断的技术路线
3. 无创产前诊断的发展现状
4. 无创产前诊断的发展趋势
三、第二代测序技术在其他无创诊断中的应用
四、伦理学与监管上的挑战
...................................................................................................... 18
..................................................... 18
......................................................................................... 19
..................................................................................... 20
...................................................................................... 07
...................................................................................... 08
................................................................................ 11......................................................................... 12
............................................................................... 13
11111111
专题Worthy Issues
第二代测序技术在无创伤诊断中的应用
第二代测序技术（next-generation sequencing, NGS）是指本世纪初涌现
的一大批基于高通量短读长序列产出和大规模序列拼接、比对分析的测序技术。
与第一代测序技术（以Sanger法为代表的焦磷酸测序）相比，第二代测序技术具
有高通量、低成本，以及高准确率的显著优点，但也存在前期投入巨大、准入门
槛较高的局限。《生命奥秘》曾在2009年的专题《新一代DNA测序技术的发展现
状》及2013年的专题《新一代测序技术的应用》中，对第二代测序技术的原理及
应用做过简要的介绍与展望。
前言：第二代测序技术的发展与成熟
特约编辑：闵力，男，在读博士，研究方向：分子生物学与肿瘤学
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现在，随着时代的进步，第二代测序技术的成本进一步降低，通量进一步
提高，其发展速度已经远远超过了计算机领域赫赫有名的摩尔定律（Moore's Law），如图1所示。目前第二代测序技术在各个科研领域中的应用也已经日趋成
熟和完善，逐渐开始从实验室研究走向临床应用，尤其是在各类无创伤诊断领域
中大放异彩，成为基础学科成果和技术成果向临床应用转化的经典案例，也给全
世界人民的健康带来了福音。在这期专题中，我们将紧跟时代的步伐，为您介绍
第二代测序技术在无创伤诊断中的应用。
图1. 第二代测序技术的发展速度与摩尔定律的比较。图片来源：Rama R Gullapalli1, Ketaki V Desai2, Lucas Santana-Santos2, Jeffrey A Kant1, Michael J Becich. (2012) Next generation sequencing in clinical medicine: 4. Challenges and lessons for pathology and biomedical informatics. Journal of Pathology Informatics , 3(1): 40–54.
每测
序1M
b的D
NA所
需的
花费
摩尔定律
2001年4月 2002年9月 2004年1月 2005年5月 2006年10月 2008年2月 2009年7月 2010年11月 2012年4月
年份
$10,000.00
$1,000.00
$100.00
$10.00
$1.00
$0.10
Roche 454SolexaIllumina
SOLiDLifeTech
Helicos
33333333
随着经济的发展，生活压力增大、环境污
染加剧、各类慢性疾病呈现进一步扩大的趋
势，这些因素都严重影响了现代人类的生殖能
力。不孕不育、胎儿先天缺陷等生育相关问题
日渐增多，这已造成了严重的社会问题。
人工辅助生殖和产前检查的普及很好地缓
解了这些问题，然而传统的羊膜穿刺活检和绒
毛活检均为有创伤性的检查技术，甚至这些技
术本身也会对孕妇造成流产的风险。近年来随
着技术的发展和进步，无创性的产前检验技术
以飞快的速度更新换代，成为学术界和产业界
一个共同的研究热点，也给千千万万有潜在需
求的家庭带来了福音。
胎儿最常见的遗传学异常是染色体的非整
倍性，这也是一般临床产前检查的主要项目。
常见的染色体非整倍性造成的疾病有21-三体
综合征、13-三体综合征、染色体缺失以及性
染色体异常等。
目前普遍使用的检查方式有异位妊娠的腹
腔镜检查、超声检查、血清学检查（AFP、
hCG等标记物水平），其中最常见的产前筛
查模式为超声筛查结合血清检测，其主要目的
是评估21-三体综合征风险。对于早期筛检识
别的高危人群，还需要做羊膜穿刺术或绒毛活
检等有创性检查，以便最终确诊。然而，无论
是羊膜穿刺术还是绒毛活检，都会对孕妇和胎
儿造成一定伤害，甚至可能引发流产，因而在
临床上使用范围也受到严格限制，必须有明确
临床指征表明胎儿有潜在较高风险时才能够使
用。因此，临床上一直对高准确率、无创性诊
断措施的开发有着强烈的需求。
1997年，Lo等人发现孕妇的外周血中存
在胎儿的游离DNA（Cell-free DNA），为
无创基因筛查带来了曙光。后续研究发现这
些游离DNA来源比较复杂，既有来自胎儿的
细胞DNA，也有来自母体胎盘滋养层的细胞
DNA，如图2所示。胎儿细胞的DNA自第四
周时即能从孕妇外周血的游离DNA中检测得
到，而且随着孕期延长，胎儿细胞的DNA在
孕妇外周血游离DNA中的比例逐渐提升，临
产前甚至可以超过20%。综合考虑检查的准
确率、稳定性和安全性等各方面因素，目前的
临床诊断一般取孕妇第七周的外周血。
1. 无创产前诊断的原理
一、第二代测序技术在无创产前诊断中的应用
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44
经过几年的摸索，目前研究人员已经基本
形成了一条相对比较固定的无创产前诊断技
术路线，即通过抽取特定孕期的孕妇的外周血
（例如第七周），通过离心去除其中的血细
胞，分离其中的游离DNA，再进行大规模平
行测序。由于得到的读长序列较短，所以需要
对照人类的参考基因组进行比对，以确定各段
序列之间的相对拷贝数比例，从而从侧面推断
出其染色体的倍型，如图3所示。
2. 无创产前诊断的技术路线
胎盘中的血浆游离DNA
单基因疾病
孕妇的DNA
孕妇血浆中的无细胞混杂DNA
红细胞
胎儿的DNA
非整倍体
对孕妇血浆中的总DNA进行大规模平行测序
使用孕妇体内没有的、具有胎儿特异性基因的引物进行
普通PCR或实时PCR
检测胎儿特异性基因（例如RHD基因）的
PCR产物
将测序得到的序列比对到参考基因组中并确定各个染色体出现的频率
检测染色体非整倍性（例如21三体综合征）
图2. 大规模平行测序检测胎儿遗传疾病的技术原理。从孕妇血浆中分离出的血浆游离DNA，一般为孕妇基因组DNA和胎儿基因组DNA的混合体，低成本的实时定量荧光PCR可以用来检测其中的胎儿特异性基因。特异性的引物可以用来扩增胎儿特异性的基因片段，例如对RHD基因的检测。图片来源：Diana W Bianchi. (2012) From prenatal genomic diagnosis to fetal personalized medicine: progress and challenges. Nature Medicine, 18(7): 1041–1051.
55555555
孕妇血液样品
孕妇及胎儿的血浆游离DNA
用大规模平行测序的方式对血浆游离DNA进行测序
比对并计数
chr 21整倍性 非整倍性
chr 21
图3. 大规模平行测序并计数检测胎儿DNA的非整倍性。从孕妇血浆中分离出血浆游离DNA，并对血浆游离的总DNA进行大规模平行测序，这样产生了数以百万计的读长序列。将所有的序列都比对到一个人类的参考基因组中，对比对上的序列进行计数，作为评估染色体倍数的主要依据。图片来源：Amy Swanson, Amy Sehnert, Sucheta Bhatt. (2013) Non-invasive Prenatal Testing: Technologies, Clinical Assays and Implementation Strategies for Women's Healthcare Practitioners. Current Genetic Medicine Report , 1(1): 113–121.
通常根据不同需求，研究人员还可以选择
不同的测序方式和分析流程，如图4所示，即
通过外显子组测序或全基因组测序，我们可以
选用不同的方法对各等位基因进行计数，结合
母体淋巴细胞的基因组序列，我们甚至可以较
为全面地揭示整个胎儿基因组的遗传学背景和
其来源，得到较为完整的单倍型图谱。基于最
新的技术，我们不仅可以轻易分辨染色体非整
倍性疾病，还能针对染色体结构异常和孟德尔
单基因遗传病做出准确判断。
→ → → → →
→ →
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66
图4.
基于
新一
代测
序技
术无
创产
前检
测中
对胎
儿基
因组
的分
子计
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来源
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13)
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1(1)
: 113
–121
.→
→ → → →
→
→
→→→
→
→
→
→
孕妇
外周
血 取3-
4个单
淋巴
细胞
直接
进行
全基
因组
单倍
型
分型
重建
由父
系特
异性
等位
基因
遗传
下的
单倍
型
由父
系遗
传的
单倍
型
推算
出决
定孕
妇每
个单
倍型
的等
位基
因列
表
孕妇
单倍
1型孕
妇单
倍2型
血浆
游离
DNA的
鸟枪
法测
序
对孕
妇的
每一
个单
倍型
进行
计数
，
统计
等位
基因
总数
对血
浆游
离DN
A的外
显子
捕获
外显
子磁
珠富
集外
显子
DNA
其他
DNA
外显
子富
集
外显
子组
测序
对每
个单
独位
点进
行等
位基
因计
数
胎儿
外显
子组
胎儿
基因
组
→→
判断
胎儿
基因
型如
果较
少的
那个
等位
基因
所占
比例
胎儿
为纯
合子
，孕
妇为
纯合
子
min(
A, G
)A
+ G
0 ε /2 1 - ε/
2
1/2
→ → → →
胎儿
为杂
合子
，孕
妇为
纯合
子
胎儿
为纯
合子
，孕
妇为
杂合
子
胎儿
为杂
合子
，孕
妇为
杂合
子
N(1 -
ε)
Nε N
N(1 -
ε)
0
N(1 -
ε)
Then
， if：
∑数
量数
量以下
表为
依据
判断
孕妇
的单
倍型
决定
孕妇
被遗
传的
单倍
型的
等位
基因
数量
决定
孕妇
未被
遗传
的单
倍型
的等
位基
因数
量来
源
孕妇
胎儿
总计
ε=胎
儿DN
A片段
;N
≈与采
样量
相当
的基
因组
个数
;
∑数
量＞
数量
＞∑∑
→ →
孕妇
的单
倍1型
被遗
传
孕妇
的单
倍2型
被遗
传
因为
：→
SNP1
：
SNP2
：
SNP3
：
SNP4
：
SNP5
：
SNP6
：
SNP7
：
SNP8
：
A G G G A A G A
父系
特异
性等
位基
因
推测
的等
位基
因∑
数量
数量
→→
SNP1
：
SNP2
：
SNP3
：
SNP4
：
SNP5
：
SNP6
：
SNP7
：
SNP8
：
G A A G A G G A
A A G G G G A A
决定
孕妇
单倍
1型的
等位
基因
决定
孕妇
单倍
2型的
等位
基因
N(1 -
ε)
Nε N
N(1 -
ε)
N(1 -
ε)
0
77777777
表 1. 以新一代测序为手段进行无创产前检测21-三体综合征的研究报告汇总
检测结果总数
敏感性 特异性
TP FN TN FP % 95%CI % 95%CI
大规模平行测序
Enrich等人 39 0 409 1 449 100 89.0-100 99.7 98.5-99.9 Palomaki等人 209 3 1468 3 1683 98.6 95.9-99.5 99.8 99.4-99.9 Bianchi等人 89 0 404 0 493 100 95.9-100 100 99.1-100 Dan等人 139 0 2819 1 2959 100 97.3-100 99.96 99.8-99.99 Futch等人 154 2 5515 1 5672 98.7 95.5-99.7 99.98 99.9-100 Liang等人 40 0 372 0 412 100 91.2-100 100 98.98-100靶向大规模平行测序
Sparks等人 39 0 252 0 291 100 91.0-100 100 98.5-100 Sparks等人 36 0 123 0 159 100 90.4-100 100 97.0-100 Ashoor等人 50 0 297 0 347 100 92.9-100 100 98.7-100 Norton等人 81 0 2887 1 2969 100 95.5-100 99.97 99.8-99.99 Nicolaides等人 8 0 1939 0 1947 100 67.6-100 100 99.8-100 Zimmerman等人 11 0 126 0 137 100 74.1-100 100 97.0-100 Nicolaides等人 25 0 197 0 222 100 86.7-100 100 98.1-100
表格来源：Philip Twiss, Melissa Hill, Rebecca Daley, Lyn Chitty. (2014) Non-invasive prenatal testing for Down syndrome. Seminars in Fetal and Neonatal Medicine, 19(1): 9–14.
目前，基于测序的非侵入性产前检验技
术已趋于成熟，并逐渐在临床上使用，针对
不同人群的不同需求，各试剂商也提供了不
同的检验试剂，在此我们选取了最有代表性
的Sequenom CMM®、Verinata Health®和
AriosaTM Diagnostics三种试剂盒，如表2所示，对其相关属性和参数进行了简要对比。
早在2002年，研究人员就已经可以利
用胎血中的有核红细胞进行荧光原位杂交
（Fluorescence in situ hybridization, FISH）
来鉴定染色体非整倍性疾病；而在2010年，
Tong等人首次使用无创式检验方式，通过检
测孕妇外周血来鉴定21-三体综合征。随后几
年随着技术革新，不断有课题组开发出无创产
前诊断的技术以鉴定21-三体综合征、13-三体
综合征等多种不同的染色体非整倍性疾病。
随着第二代测序技术的出现，其在产前诊
断应用中的摸索也在第一时间展开。21-三体
综合征作为最常见也是最重要的染色体非整倍
性疾病，近几年来也获得了最大的关注，如
表1就总结了基于新一代测序技术的无创产前
检测21-三体综合征的十几项研究。很明显，
一般来说基于新一代测序技术无创产前检测
21-三体综合征可以得到90%以上的敏感性和
99%以上的特异性，可以说这一技术已经成
为非常可靠的21-三体综合征检验方式。
3. 无创产前诊断的发展现状
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表2. 目前已上市的非侵入性产前检验试剂的参数比较
Sequenom CMM® Verinata Health®, anIllumina company
AriosaTM Diagnostics
适宜检测的染色体
类型
21, 18, 13, XX, XY, MX, XXY, XXX, XYY
21, 18, 13, XXX, XXY, XYY, MX, X/Y
21, 18, 13
可获得的实验结果 阳性 检测出非整倍性 高风险（≥1%）
阴性 未检出非整倍性 低风险（＜1%）
适宜检测的胎龄 （周）
10+ 10+ 10+
多胞胎妊娠条件下
是否可以检测
是 否 否
卵子捐献/代孕条件下
是否可以检测
是 是 否
检测时间周期 8-10天 8-10天 8-10天
表格来源：Amy Swanson, Amy Sehnert, Sucheta Bhatt. (2013) Non-invasive Prenatal Testing: Technologies, Clinical Assays and Implementation Strategies for Women's Healthcare Practitioners. Current Genetic Medicine Report , 1(1): 113–121.
对孕妇外周血中游离DNA大规模平行测
序的无创产前诊断的出现，将会改变我们现
有的产前诊断路径。对孕妇外周血中的游离
DNA大规模平行测序可以和原有的血清筛
查、超声检查相结合，为侵入性的检查提供更
有说服力的依据，甚至可以直接替代羊膜穿刺
术或绒毛活检等侵入性检查，如图5所示。参
考目前新技术对21-三体综合征诊断的准确率
和精确率，对孕妇外周血中的游离DNA大规
模平行测序甚至可以完全取代原有的血清筛
查、超声检联合侵入性检查模式。在经济允许
的情况下，可以直接作为普适性的产前筛查方
式，以更安全的方式提供比传统筛查模式更精
细、更全面的遗传学信息。
4. 无创产前诊断的发展趋势
99999999
随着时代的进步，无创产前诊断也有了长
足的发展，测序通量的提高带来的准确率、分
辨率的提高，使我们能够通过孕妇外周血分析
遗传风险的相关疾病的范围越来越广，相信随
着第三代测序技术的出现，我们可以逐渐从孕
妇外周血中获取胎儿的基因组全貌，从而能像
一般的遗传学鉴定那样，在胎儿出生前提供最
全面的遗传学咨询。
此外，单细胞测序技术的发展与改良也给
无创产前诊断带来了新的机遇。今年哈佛大
学的谢晓亮研究组开发的多重退火成环扩增
技术（multiple annealing and looping-based amplification cycles, MALBAC），为单细胞
基因组的扩增技术带来了革新。相对传统的单
细胞扩增技术，这种新技术可以更好地保留基
因组原貌、增加基因组覆盖率、减少偏倚。目
前北京大学第三医院的乔杰研究组已经利用这
一技术实现了单个卵细胞的高精度全基因组测
序，这一技术的应用可以将辅助生殖的产前检
查环节提前至供卵环节，显著改善活产率。相
信随着相关技术的进一步提升，辅助生殖领域
的产前诊断也能够获得长足的发展。
现 状 未 来血清筛查和/或超声检查
染色体非整倍性高风险
检查前咨询
侵入性细胞遗传学诊断
21-三体 综合征
遗传学咨询
终止妊娠
对血浆游离DNA进行测序
血清筛查和/或超声检查
侵入性细胞遗传学诊断
治疗胎儿
21-三体 综合征
遗传学咨询
终止妊娠继续妊娠为有缺陷的婴儿做好准备转诊到对特殊新生儿有特殊服务的医院
and/or
继续妊娠为有缺陷的婴儿做好准备转诊到对特殊新生儿有特殊服务的医院
图5. 以21-三体综合征为例展示的未来治疗策略图示。对比现有的血清筛查、超声检联合等侵入性检查的产前诊断模式（左侧）和未来基于孕妇外周血中的游离DNA大规模平行测序的新模式（右侧）。除此以外，胎儿转录组研究的进展甚至可能为其治疗方案的开发提供依据，这样就可在胎儿被诊断出疾病的同时尽早给出治疗方案，这一模式是传统产前诊断方式无可比拟的。图片来源：Diana W Bianchi. (2012) From prenatal genomic diagnosis to fetal personalized medicine: progress and challenges. Nature Medicine, 18(7): 1041–1051.
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1010
肿瘤是当今社会最常见的一种重大疾病，
不论在发达国家还是发展中国家，其发病率均
呈现出逐年增高的趋势，近年来每年的肿瘤新
发生病例均超过千万，在全球范围内造成了极
大的医疗压力和社会负担。
通常认为肿瘤起源于随机获得的体细胞突
变，并由其导致细胞信号传导失调、DNA修
复能力丧失，以及异常的细胞衰老和恶变。因
此，在肿瘤发生前或早期，对高风险人群进行
遗传学筛查，并以此为依据向其本人及其亲属
提供合理的医疗健康建议，对肿瘤的早诊、早
治有着非常重要的意义。
肿瘤的无创筛查核心在于有害突变的识
别，而基于第二代测序技术的高数据通量，我
们可以很容易地找出患者血液样本DNA中的
潜在有害突变，为患者本人及其亲属提供基于
这些突变信息的遗传学咨询和医学建议。
第二代测序技术有低成本、高通量及高准
确率的优点。虽然其单次测序所得到的读长
序列一般较短，但是基于这种高通量短序列的
新算法的开发可以很好地弥补这一缺陷。利用
高通量测序以识别突变位点的技术已经相当成
熟，不同测序仪生产商都开发了相应的软件系
统，如图6展示的就是一个典型的特定基因组
位点读长片段的软件比对结果。
1. 肿瘤无创筛查测序的基本原理
对比参考序列的碱基突变 比对中的读长片段（灰色长条）共有37条读长片段覆盖在高亮标注的位点
参考序列
杂合碱基位点识别
对比参考序列，16个G碱基被识别为突变碱基
杂合位点的相对比例是16G:21A
图6. 特定基因组位点读长片段比对的电脑软件展示。图片来源：Julianne M. O'Daniel, and Kristy Lee. (2012) Whole-Genome and Whole-Exome Sequencing in Hereditary Cancer. The Cancer Journal , 18(4): 287-292.
二、第二代测序技术在无创肿瘤诊断中的应用
1111111111111111
其实在引入NGS之前（2005年前），第
一代测序技术就已经普遍地用于一些重要的肿
瘤相关基因突变的检测，肿瘤先证者的血液
DNA通常用于对某个特定的潜在胚系突变进
行基于焦磷酸测序的基因分型，例如Sanger法测序。经过十余年的发展这一技术路线已
经逐渐成熟——从提取血液样本的DNA，到
PCR扩增，再到Sanger法测序，可以得到非
常稳定可靠的关于特定基因是否发生突变的临
床数据。由于肿瘤是一种多基因遗传学疾病，
对于单一基因的检测一般只能提供非常有限的
临床信息，因此随着测序成本的下降，临床上
开始使用基因群检测代替单基因检测。但不得
不指出的是，我们现在还没有克服其根本缺
陷：通量低而价格昂贵、步骤繁琐，且PCR过程有引入潜在偏倚的可能。
最终，NGS技术的出现使我们可以低成
本地对大量基因进行同时测序分析。对于以
上任何一种情况，为确证所发现的突变是否为
家族性有害突变，先证者的其他家族成员也要
进行基因分型，而对于那些确认携带致病基因
突变的人，则会在后续随访中对其进行肿瘤监
测。这两种监测手段都需要对所关注的致病基
因突变有预先的了解。随着新的NGS技术平
台的产生和发展，及其测序成本的大幅下降，
全外显子组测序和全基因组测序在研究领域和
临床领域的应用开始变得越来越广阔，这样我
们就可以不用基于预先了解的致病基因突变信
息，而可以直接依据测序结果对有潜在肿瘤易
感性综合症风险的人群进行诊断。图7展示的
就是随着时代进步和技术发展，关于肿瘤筛查
相关测序服务的演变。
然而，由于自由度的提高，关于不确定临
床意义的各类基因突变的解释缺乏统一规则，
因此对于与诊断无关的二级发现的解释是现阶
段的重要挑战之一。因此，检测前咨询显得尤
为重要，通常研究人员会在测序前和患者及其
相关亲属进行谈话，了解其潜在遗传性肿瘤
风险的信息，以选择最佳的测序方法和测序范
围。
检测后咨询，则包括向患者告知潜在的有
害突变、未知临床意义的突变和正常结果，以
及临床决策上如何谨慎使用测序结果。如图7虚线箭头所示，一些意料之外的发现也可以作
为其他家庭成员基因检测的必要依据，即除肿
瘤监测外，其他对于特定条件下的医疗干预也
需要加以考虑。
2. 肿瘤无创筛查测序技术的演变
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1212
疾病先证者（受疾病影响）
检测前咨询
基于遗传学表型的基因分型（例如TP53、WT1和SDH基因簇）
基于基因群的测序，例如
一个副神经节瘤患者的
SDH基因（SDHA / B / C / D / AF2）和VHL基因
NGS
检测到突变未检测到突变
靶向技术（例如全外显子组和基因组
位点测序）全基因组技术
检测到突变 未检测到突变
检测到已知的致病基因
突变
临床意义不明确的突变
/变异体
与诊断无关联的偶然
发现
检测后咨询
对其他家族成员的测序，疾病特异性干预对其他家族成员的测序，对肿瘤
监测提供建议
图7. 遗传性癌症相关基因临床筛查方式的演变。SDH：琥珀酸脱氢酶。图片来源：Nardin Samuel, Anita Villani, Conrad V. Fernandez and David Malkin (2014) Management of familial cancer: sequencing, surveillance and society. Nature Reviews Clinical Oncology, 11(1): 723-731.
虽然第二代测序技术有着高通量、低成
本、高准确率等多种优势，但也因为其前期投
入高、单次启动成本高和数据分析程序复杂而
有较高的准入门槛，目前尚未在临床肿瘤风险
的检测中普遍使用。而针对不同患者的不同需
求，选取合适的测序方式或多种不同测序方式
的恰当组合，往往可以起到最佳效果。
表3展示了单基因测序、少量基因测序和
3. 不同类型肿瘤无创筛查测序的比较
1313131313131313
全基因组/全外显子组测序这三类不同的测序
模式在遗传性肿瘤诊断中的作用。在实际使用
中，我们通常也会将不同测序模式科学合理地
结合起来，以获取最有价值的遗传学信息。以
某一具体的潜在风险人群为例，我们可以根据
已知高风险基因突变信息对其进行单基因或少
量基因测序，若判断为高风险基因型，则可进
一步采用全基因组或全外显子组测序的方式，
获取更为全面的遗传学信息，再根据整体潜在
突变来设计相应引物，为其亲属提供特定基因
突变的测序鉴定。
表3. 对比单基因测序、少量基因测序和全基因组/全外显子组测序在遗传性肿瘤中的作用
表格来源：Julianne M. O'Daniel, and Kristy Lee. (2012) Whole-Genome and Whole-Exome Sequencing in Hereditary Cancer. The Cancer Journal , 18(4): 287-292.
传统肿瘤相关测序 全基因组/全外显子组测序
范围 单个基因或一组基因，能够提供特定诊
断信息
所有基因，能够提供各类诊断相关的直
接或间接信息
单次所需时间 一般1-12周不等 一般6-12周不等
样本需求 5-10mL在含EDTA试管中保存的血液 5-10mL在含EDTA试管中保存的血液
所需费用 1,000-16,000美元或更高，取决于所测
基因数量
5,000-15,000美元
报告信息 报告特定基因相关的信息 报告所有临床相关的信息，可能包含一
些显著的二级发现
修订/更新报告方式 实验室发布意义不明突变的临床意义
解释
随着时间推移，报告的解读也会发生变
化，对于重复分析和解释更新没有固定
标准
约见次数 一般为1次 一般多于或等于2次
患者随访 做完诊断后，可能需要转诊到更细分的
专家处，也可能需要追加新的检测
可能需要多学科专家会诊以获得全面的
多层次诊断结果；可能需要考虑确认性
检测，数据可能需要被重复分析
肿瘤是一种复杂的多基因疾病，除了遗传
背景中的胚系突变外，后天发生的体细胞突变
也对肿瘤的发生、发展起着非常关键的作用。
临床上依然有相当一部分患者本身并不携带致
癌的胚系突变，单纯通过对其血液DNA进行
测序并不能很好地识别这一部分高危人群。随
着生命科学和基础医学的发展，结合已知肿瘤
相关知识和测序技术，肿瘤的无创筛查测序也
有了新的发展。
循环肿瘤细胞（Circulating Tumor Cell, CTC）是指在肿瘤患者血液中发现的一类有
癌蛋白特异性表达的细胞，通常认为这些细
胞从肿瘤的原发灶处发生上皮 -间质化转化
（Epithelial-mesenchymal transition, EMT）后脱落，随后穿过血管内皮细胞间隙进入血
液。循环肿瘤细胞对肿瘤的侵袭与转移起着非
常关键的作用，大量研究表明其与肿瘤患者的
预后生存有显著关联，因此，对患者血液中的
4. 肿瘤无创筛查测序研究的进展
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1414
循环肿瘤细胞分离富集后进行全基因组或全外
显子组测序的研究也逐渐展开。
Jens Lohr等人于2014年尝试对前列腺
癌患者的循环肿瘤细胞进行测序。如图8a所示，他们利用MagSweeper技术，从患者的血
液中富集细胞表面有EpCAM高表达的细胞，
再将这些潜在的循环肿瘤细胞逐个分配到小孔
中，进一步鉴定检测EpCAM蛋白的表达，选
择阳性的细胞（即认为是循环肿瘤细胞），将
其进行裂解、全基因组扩增和文库制备，最后
进行全外显子组测序，如图8所示。通过这一
方案，Jens Lohr等人研究了前列腺癌患者的
循环肿瘤细胞与原发瘤、转移瘤之间的潜在关
联。最后验证性的实验也证实：从循环肿瘤细
胞中鉴定出的73个变异中，有51个也在原发
瘤或转移瘤中被检测出来。除CTC的分离测
序以外，血液中的游离DNA和外显子组也能
够通过一定手段分离富集并测序，如图8b和8c。
外显
子组
全转录组 扩增
全基因组 扩增
CTC分离
cfD
NA
细胞裂解
金粒子
CTC
s
图8. 无创伤方式监测肿瘤基因组的演化。a. 使用细胞分选系统从患者全血中分离出循环肿瘤细胞（蓝色表示）、细胞裂解后产生纯的肿瘤细胞DNA（灰色标记）和肿瘤细胞RNA（黑色标记），被用于测序并分析肿瘤特异性突变；b. 无细胞DNA（cfDNA）可以通过多步骤的离心和过滤进行分离富集，这些DNA可能是从肿瘤细胞中释放（蓝色标记），也可能是从正常细胞中释放（棕色标记）；c. 使用nPLEX阵列可以有效地从血液中捕获外显子组，并用于后续的分析研究。图片来源：Michael R Speicher, Klaus Pantel. (2014) Tumor signatures in the blood. Nature Biotechnology, 32(1): 441–443.
1515151515151515
概括起来，这种技术路线，即采用肿瘤细
胞表面癌蛋白的特异性抗体在体外对患者血液
中的循环肿瘤细胞进行富集，再提取DNA后
进行测序可以很好地检测出早期肿瘤发生时产
生的体细胞突变，但相关技术依然在不断改善
中，尚未在临床上大范围使用。
除了循环肿瘤细胞，miRNA也是能够进
入患者血液的重要成分。虽然miRNA从肿瘤
组织进入血液的机制尚未研究清楚，但已有大
量研究表明血液中多种miRNA的表达水平与
肿瘤的发生、发展及预后有着重要关联，很多
miRNA都被认为有潜力作为新一代的肿瘤标
记物，而对患者血液中的miRNA进行特异性
富集后测序自然成为肿瘤无创筛查测序研究
的重点之一。Farazi等人三年前就已经建立了
较为成熟的模式，以检测乳腺癌患者血清中
的miRNA。他们发现let-7d、miR-210及miR-221三种miRNA在肿瘤发生的早期下调，而在
肿瘤进展后则上调，如图9所示。
正常乳腺
组织原位导管癌
侵袭性导管癌
ER+/HER2-的 乳腺癌
HER2+ER-的 乳腺癌
HER2+/ER+的 乳腺癌
三阴乳腺癌
图9. 从正常乳腺组织到乳腺导管内原位癌（ductal carcinoma in situ, DCIS），再到浸润性导管癌（invasive ductal carcinoma, IDC）的肿瘤发展过程中关键miRNA的表达改变。三种miRNA在肿瘤发展过程中发生了逆转现象，图中用粗体标注（其颜色表示变化模式，红色为上调，绿色为下调）；共有66种miRNA在第一阶段表达发生了显著的改变（图中只列举出最显著的几个miRNA），而在第二阶段则只有9种miRNA表达发生了显著的改变（全部列出）。图片来源：Stefano Voliniaa, Marco Galassoa, Maria Elena Sanaa, Timothy F. Wiseb, Jeff Palatini, Kay Huebner, and Carlo M. Crocea. (2014) Breast cancer signatures for invasiveness and prognosis defined by deep sequencing of microRNA. Proceedings of the National Academy of Sciences USA, 109(8): 3024–3029.
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资讯·频道
近十余年来，肿瘤生物学研究和测序技术
的发展都是生命科学和医学界所关注的热点问
题，随着学科的发展和交叉融合，新的肿瘤无
创筛查测序模式也将被源源不断地开发出来，
并逐渐在临床上普及，而临床推广后产生的数
据结合患者的随访资料，则更能进一步为我们
了解肿瘤的生物学行为和临床转归提供更多有
价值的信息，二者相辅相成地开启肿瘤临床研
究和应用的大数据时代。
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图10. 目前可通过第二代测序技术检测的疾病类型和对应基因数量。
多基因遗传病指由两对以上致病基因引起
的遗传学疾病，其致病机制相对单基因遗传病
更为复杂，也更容易受到环境等外界因素的影
响。相当大部分的先天性疾病，例如先天性心
脏病、少年型糖尿病、先天性哮喘、原发性高
血压等都是多基因遗传病。
随着测序技术的发展，如图10所示，研
究人员已通过第二代测序技术研究了近百种多
基因遗传病，其中部分类型疾病的研究成果已
经可以尝试用于临床诊断。
多基因遗传病的高危群体从健康状态到发
病需要一定时间，如果我们可以在病情进展前
及早地对其进行风险警示，早诊断、早治疗，
将会对患者后续生活质量的提高有重大的积极
意义；此外，多基因遗传病患者群体一般具有
很强的异质性，针对不同基因型的个体可能有
不同的治疗措施和方案，因此对于多基因遗传
病进行准确的基因分型也非常重要。
下面我们将以遗传性耳聋为例，解析第二
代测序技术在各类多基因遗传病诊断中的作
用。
1. 多基因遗传病
28%
12%
11%8%
14%
4%
5%
9%
5%4%
39%
疾病种类数比例
18%
14%
9%
6%
6%
3%2% 2%1%
疾病类别 基因数 疾病种类数
神经性疾病
眼科疾病
遗传性耳聋
发育性疾病
家族性肿瘤
肌营养不良
结缔组织疾病
代谢疾病
血液疾病
心脏疾病
223104
805134331514104
3113129
1556
1064
基因数比例
三、第二代测序技术在其他无创诊断中的应用
疾病类别 基因数 疾病种类数
1919191919191919
遗传性耳聋又称遗传性感音神经性听力损
失，是一种典型的多基因遗传学疾病。患者由
于听力障碍而不能与其他人正常语言交流，承
受着极大的生理痛苦和心理负担，也给患者家
庭及社会带来了沉重的医疗负担和社会压力。
流行病学统计表明，重度耳聋患者中一半
以上病例有遗传性因素，而由于环境因素对耳
聋的发生也有非常重要的作用，对是否是遗传
性耳聋的判断只能以基因检测的结果为依据。
对疑似病例进行基因检测，通过鉴别致病基
因，可以评估耳聋发病风险，提供基因分型、
预后判断，对疾病的早诊、早治和预防干预都
有重要意义。
由于遗传性耳聋相关的基础遗传学研究开
展较早，科学工作者发现了GJB2、GJB3、
PDS（SLC26A4）、线粒体12S rRNA为代表
的几十个关联基因，临床上的基因诊断也一直
在不断发展与改进。从最早的对于重点基因
突变的单基因检测（PCR后直接测序、RFLP及DHPLC等），到特异性寡核苷酸阵列芯片
（ASO）的多基因检测，已经可以较为准确
地判断患者遗传风险。近期随着第二代测序技
术的成熟和成本的下降，通过大规模平行测序
手段鉴别遗传性耳聋也成为可能的选择。
总之，第二代测序技术可以更为准确地识
别遗传性耳聋相关基因，预测患者疾病进展，
指导患者的婚配与生育，同时也能及早干预其
尚未达到发病年龄的高危亲属，在听力尚有残
存时通过辅助性装置的干涉延缓其听力的丧
失，防止患儿变哑，具有重要的卫生经济学意
义和社会意义。
2. 遗传性耳聋的无创诊断
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2020
随着新一代测序技术在临床上的应用逐渐
推广，在医学伦理和监管政策上也产生了一些
问题，虽然这一领域两年前尚处于监管缺失下
的不规范自由竞争状态，但随着2013年美国
食品药品监督管理局（FDA）叫停了著名的
23&me公司的遗传咨询服务，基于测序的产
前诊断试剂的管理也日趋规范。2014年，我
国国家食品药品监督管理总局与卫生和计划生
育委员会联合发出通知，叫停了国内所有基于
测序的临床检验服务。
虽然目前不论国际还是国内，考虑到技术
标准缺乏的大背景下各机构的服务质量难以保
证，以及遗传隐私和其可能带来的相关歧视，
监管部门对临床相关的测序服务逐渐持审慎态
度。但是这种搁置一定是暂时的，随着技术的
发展，市场的推动，监管部门会尽快出台相应
服务标准和准入制度，完善对这一新兴市场的
监管体系，促使其完成由“自由发展”到“监
管搁置”，最终到“规范发展”的转变，使其
得以更好地服务社会和人群。
四、伦理学与监管上的挑战
参考文献
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2323232323232323
2014年，信号传导研究领域的技术突破主要出现在四个领域：先天性免疫、宿主- 微生物相
互作用、细胞死亡信号传导，以及细胞信号传导研究上的方法学进展。提名包括先天免疫细胞
内信号传导、淋巴细胞和非血液细胞先天免疫功能、以及宿主微生物相互间作用对宿主生理学
调节的重要作用等方面的新发现。今年收到的很多提名都是关于p53参与慢性炎症的病理学过程
的分子机制，以及信号传导通路如何介导程序性坏死细胞死亡。此外，在2014年，我们也见证
了如何采用新技术对细胞信号传导进行研究，以及如何鉴定药物靶点等，例如，应用RNA干扰
技术在体内对T细胞的信号传导进行研究，以及应用新的计算机技术研究包括不同数据类型的大
型数据库。
1 3 届“信号传导研究的年度突破”
（Signaling Breakthroughs of the Year）由
审稿编委会（Board of Reviewing Editors）的成员进行评选并提名。他们的推荐大部分集
中在以下四个主要领域：先天性免疫、宿主-
微生物相互作用、细胞死亡以及细胞信号传导
研究中的方法学进展。
今 年 的 贡 献 者 包 括 M a r k A n s e l （University of California San Francisco, USA）、Henrik Dohlman （Universityof
热点Hot Topics
信号传导研究领域的年度突破
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North Carolina Chapel Hill, USA）、George Dubyak （Case WesternReserve University, USA）、Kevin Janes （University of Virginia Charlottesvil le, USA）、Rune Linding （University of Copenhagen, Denmark）、
Samuel Miller （University of Washington S e a t t l e , U S A ）、 G a b r i e l N ú ñ e z （University of Michigan Health System, USA）、Ute Römling （Karolinksa Institute, S w e d e n）、J o h n S i l k e （Wa l t e r a n d Eliza Hall Institute of Medical Research, Australia）和 EricVivier （INSERM-CNRS Université Méditerranée, France）。
免疫系统是2014年的热门话题。识别病
原相关分子模式（PAMP）或者损害相关分子
模式（DAMP）可通过细胞表面及内涵体受体
发生，例如TLR（Toll样受体），或者通过胞
浆内蛋白质复合体——炎症复合体进行，这
在包括单核细胞、巨噬细胞、树突细胞在内的
髓样细胞内是十分典型的现象。大部分典型的
炎症复合体由以下部分组成：半胱氨酸蛋白酶
1、配体蛋白ASC、以及几个分子模式识别传
感器中的一个，例如核苷酸结合寡聚结构域
（NOD）样受体家族（NLR）的成员，包括
NLRP3在内。通过PAMP或者DAMP对炎症复
合体传感器进行刺激，可以促进半胱氨酸蛋
白酶活化，导致炎性细胞因子（例如白介素
（IL）- 1β及IL- 18生成），以及程序性细胞
死亡（pyroptosis）。该过程如果过度活化，
会导致患者感染性休克及死亡。
此外，也存在着非典型的炎性复合体，
它由其它蛋白酶组成，采用不同的刺激因素
可以使其活化，该过程与典型炎症复合体作
用进程无关。小鼠的非典型炎性复合体包括
caspase 11，它与人caspase 4及caspase 5
或caspase 8同源。在原代小鼠的巨噬细胞
内，caspase 11不足会抑制caspase1 的活
性和IL-1β的产生，从而无法对某些革兰阴
性细菌感染作出反应。与caspase 1不同，活
化caspase 11不需要NLR或者ASC。此外，
caspase 11诱发巨噬细胞发生程序性死亡，
而不需要caspase 1的参与，表明在非典型炎
症复合体激活路径下游，存在着多条通路。 在革兰阴性细菌的细胞膜外层，存在着
大量的脂多糖结构性分子，可以刺激宿主免
疫细胞表面的TLR4。但是，缺少caspase 11的小鼠，对致死量的LPS具有抗性，表明需要
非典型炎症复合体的激活，才能够对LPS产生
完全的免疫反应。Miller和Núñez都推荐了由
Shi 等人进行的一项研究。该研究发现LPS可以直接与小鼠caspase 11或者人caspase 4或caspase 5结合，导致半胱氨酸蛋白酶寡聚化
并被激活。因此，这一研究揭示了半胱氨酸蛋
白酶作为模式识别受体发挥功能的机制，以及
如何独立于NLR被激活。
巨噬细胞和树突细胞的一个主要功能是，
在病原体感染细胞之前将其吞噬。事实上，
很少有进入机体的病原体可以到达细胞质；相
反，它们一般都被内含体分隔开来。因此，一
直以来，人们都在努力探寻，这些被隔绝的病
原体是如何激活细胞质内的NLR的。NLRP1及其协同受体NOD2与胞壁酰二肽（muramyl dipeptide, MDP）相结合，MDP是很多类型
的细菌内都存在的一种物质。Nakamura等人
的研究发现，两种肠道肽转运蛋白（peptide transporters）——SLC15A3和SLC15A4存在于树突细胞及吞噬细胞的内含体内，使得
MDP可以从内含体逃脱，并招募包含NOD2的信号传导复合体，到达内含体（图1），从
而促进了炎症复合体的激活。
2525252525252525
图1 在含有沙门氏菌的内含体（endosomes）里有大量NOD2聚集。科研人员用人胚肾293细胞（human embryonic kidney 293 cell）进行了试验，图中A和C是荧光显微镜下的图片，B是电镜下的图片。A至C中展示的是用红色荧光蛋白RFP标记的NOD2和用绿色荧光蛋白GFP标记的SLC15A4。A和B展示的是能够表达GFP的鼠伤寒沙门氏杆菌（Salmonella typhimurium）的图像，C展示的是能够表达蓝色荧光蛋白的鼠伤寒沙门氏杆菌的图像。本图是使用RFP抗体检测的RFP-NOD2。Salmonella：沙门氏菌; merged：重叠图像。
血液内的小分子蛋白构成了先天性免疫系
统的补体成分。在病原体的刺激下，这些蛋白
质，例如补体C3，会被剪切形成细胞因子，
从而增强炎症应答。Tam等人的研究发现，产
生病毒或者细菌感染时，补体C3会和病原体
一起，进入培养的未免疫细胞内。细胞内的
C3可以激发免疫信号传导，及促进病原体的
降解，这表明免疫细胞可以利用C3提示感染
的发生，从而诱导免疫反应，而无需识别来自
病原体的特异配体。
先天淋巴细胞（ ILC）构成了抵御感染
的一道重要防线，尤其对于黏膜组织而言更
是如此。在常规的抗原特异性受体被激活
后， ILC不会因此而产生细胞因子。在一系
列发表于2014年的有关ILC的研究文章中，
Vivier注意到“该领域呈现爆炸性的进展。对
ILC的活性加以应用，将有助于推动免疫治
疗及疫苗研制领域的技术进展。” Klose、Constantinides、Geiger 以及Serafini 等人的
研究，鉴定出ILC的前体细胞，并且对这些细
胞的不同亚群分化所需要的因子进行了描述。
转录因子RORγt（(retinoid-related orphan receptor γt，视黄醇相关孤儿受体γt）对
于ILC3亚群的生长来说是必需的，该因子可
以在小肠出现病原菌感染时，产生细胞因子
IL-22和IL-17。Guo等人发现，受到鼠类柠檬
酸杆菌（Citrobacter rodentium）感染的小鼠
体内，诱使细胞产生IL-22，需要在RORγt+ ILC内，通过转录因子STAT3（转录3的信号
传感器及激活器）进行信号传导。建立小鼠的
舒蕾柠檬酸杆菌感染模型，有利于对人感染大
肠杆菌（Escherichia coli）后发生腹泻的病
理进行阐释。抑制STAT3活性的药物已经被用
于化疗，Guo等人的研究提示，这些药物可能
会使患者出现病原菌诱导的腹泻，而酪氨酸激
酶抑制剂类药物舒尼替尼的一个常见副作用即
是腹泻，该药物阻断了STAT3的活性，研究结
果有可能对此做出解释。
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2626
炎症复合体样蛋白质复合体，可以在造血
系统之外的细胞内发挥作用，阻断感染。由小
肠杯状细胞产生的粘液，可作为一道物理屏障
将潜在的传染性微生物与宿主的小肠上皮分隔
开来。黏液外层含有大量病原性或共生细菌，
研究者一直想要揭示这些微生物是如何影响宿
主的生理学功能的。缺少NLRP6的小鼠，其
小肠的微生物群组成也有所改变。Wlodarska等人发现，缺少NLRP6、caspase 1 及 11或者ASC的小鼠，其清除由鼠类柠檬酸杆菌引
起的感染的能力有所下降。在缺乏NLRP6的受感染小鼠体内，大肠内IL-1β和IL-18的数
量，以及中性粒细胞和T细胞的数量均为正常
水平。在靠近黏膜层的小肠上皮细胞内，基因
Nlrp6及 Asc均有表达，缺少这些炎症复合体
组成的小鼠，产生的粘液有所减少。在缺少
NLRP6的小鼠的小肠杯状细胞内，粘蛋白颗
粒无法与细胞膜结合，从而发生胞吐作用，在
细胞外以完好的状态存在（图2）。细胞自噬
在粘液分泌过程中发挥重要作用，研究者在粘
蛋白颗粒上发现了自噬相关蛋白。研究发现，
缺乏NLRP6、caspase1或 11，或者ASC的小
鼠体内的小肠杯状细胞，其自噬功能有所降
低。因此，NLRP6的功能似乎不与免疫细胞
相关，而是小肠杯状细胞进行自噬作用所需要
的，自噬作用可以促进粘液的分泌。
A
B
WT NLRP6-/-
图2 NLRP6是小肠杯状细胞（intestinal goblet cell）分泌粘液所必需的因子。图A是用透射电镜（Transmission electron microscopy）分别对野生型（WT）小鼠结肠切片和NLRP6缺失型（NLRP6-/-）小鼠结肠切片拍摄的图像，图B是亮视野显微镜（brightfield microscopy），是分别对野生型小鼠结肠切片和NLRP6缺失型小鼠结肠切片拍摄的图像。图B中使用了阿辛蓝染色（Alcian blue stain）和过碘酸雪夫氏染色（periodic acid–Schiff's stain）来显示粘蛋白颗粒（mucin granules）。
2727272727272727
图3 含有一个钠离子的δ阿片受体（δ-opioid receptor）7次跨膜结构域结构图。上图展示的是包含有36~338位氨基酸残基的δ阿片受体与其配体纳曲吲哚（naltrindole）结合所形成的复合物的晶体结构图，该结构图的分辨率达到了1.8埃米。图中蓝色小球代表钠离子，红色和粉红色小球代表水分子，橙色多边形结构代表疏水残基（hydrophobic residues），橙色短棍代表纳曲吲哚，而虚线则代表氢键（hydrogen bond）。
Römling提到过一篇文章，讲到了另一个
例子：病原体相关的刺激，是如何绕过免疫系
统影响宿主生理学功能的。细菌利用环化单磷
酸双鸟苷（c-di-GMP）作为第二信使，对多
种进程进行调控，哺乳动物免疫系统已经进化
出了相应的机制，检测c-di-GMP，并启动抗
菌应答。
有趣的是，Lolicato等人发现，c-di-GMP可能影响心脏功能。研究者鉴定出了c-d i -GMP在超极化激活环化核苷酸（HCN）通道
中的结合位点。这些通道是形成心脏起搏电流
的基础，可被环磷腺苷（cAMP）增强。多种
刺激所导致的心率加快（例如β-肾上腺素刺
激），都可以促使cAMP的产生。研究者利用
c-di-GMP抑制cAMP活性后，提高了HCN活
性，这一结果表明，c-di-GMP可以对抗β-肾上腺素的刺激，这一结果有可能被进一步运用
到治疗中去。
宿主-微生物间的相互作用，除了可以影
响宿主的基础生理学功能外，还有可能导致
疾病的发生。炎症性肠病是一种自身免疫性疾
病，会减少肠道内共生细菌的多样性，导致
慢性炎症，并增加大肠癌发生的机率。碳水
化合物摄入量过多也会增加大肠癌的风险。
Belcheva等人报告，通过小鼠实验发现，使
用抗生素改变肠道内微生物菌群的组成，或者
减少膳食中的碳水化合物，都可以减少在遗传
上易患大肠癌的小鼠肠道内形成息肉的机率。
肠道内的微生物会将饮食中的碳水化合物转化
成相应的代谢产物（例如丁酸盐类物质），其
可以作用于小肠细胞，增加这些小鼠形成肿瘤
的风险。
Fenalti和Piala两人的研究结果也证实，
我们的膳食组成会对生理学功能造成影响。
Dohlman指出，这些研究结果中给出的晶体
结构“为我们呈现了生理性钠和氯的蛋白质
‘传感器’的精细画面”，这有助于从机制
上阐明“膳食摄入盐分的数量与高血压之间
的关系”。Fenalti等人发现，在δ-阿片样受
体的七次跨膜结构域中间，存在着部分水合
的钠离子（图3），不禁让人联想到其它A类
G蛋白偶联受体。钠离子可以异构性地修饰
与δ-阿片样受体结合的肽类激动剂，从而产
生“钠离子效应”，以便区分阿片样激动剂
与拮抗剂。结合了的钠离子还可以决定受体
是通过Gα i还是β-arrestin传递信号。另一篇
由Piala等人发表的文章中，叙述了WNK1[无赖氨酸（K）]的晶体结构。WNK1是一种蛋
白激酶，它参与氯化物转运蛋白和离子通道
的调控，保证正常血压的维持。Piala等人
发现，氯化物可以使WNK1无活性的构象稳
定，阻止激酶对自身进行磷酸化从而产生活
性。正如Dohlman所解释的，“这些数据为
下列问题提供了分子水平的解释：细胞是如
何对细胞内的氯化物进行检测和应答的，以
及WNK1中的突变，为何可以导致假性醛固酮
（pseudohypoaldosteronism）减少症 II中的
高血压。”
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2828
在血压调节以及炎症反应介导中，一氧
化氮（NO）和蛋白的靶向修饰扮演着重要的
角色，蛋白修饰是通过NO和半胱氨酸之间的
反应进行的，该过程被称为S-亚硝基化。炎
症可以导致NO的产生，NO作为自由基破坏
感染性的微生物。与此相反，通过S-亚硝基
化对蛋白质进行靶向和特异性修饰，是一种
调控良好的机制，它可对修饰蛋白的定位及
功能产生影响。由于NO是一种具有高度活性
的自由基，所以目前对于位点特异性的S-亚硝基化作用是如何发生的，还不甚明了。Jia等人发现，炎性物质会使胞浆内钙离子的浓
度提高，从而促进外周血单核细胞内炎性介
质S100A8和S100A9、可诱导的一氧化氮合
成酶（ iNOS），以及甘油醛 3-磷酸脱氢酶
（GAPDH）结合。与S100A8的相互作用，
对于NO从S100A9到GAPDH的Cys247的位点
特异性转移是必需的，这表明，位点特异性
S-亚硝基化过程，至少是依赖其中之一的机
制完成的。
S-亚硝基化的靶点多种多样，并且可进行
多种其它类型的翻译后修饰，或者参与其它靶
点的翻译后修饰过程。因此，与磷酸化、泛素
化、乙酰化及甲基化一样，S-亚硝基化也会
参与一系列高度复杂的调控过程。Shinozaki等科学家对这些复杂进程进行了研究，结果表
明蛋白质脱乙酰基酶SIRT1的CXXC基序的S-亚硝基化过程，抑制了其脱乙酰基的功能，
并且降低了两个参与应急应答的转录因子的
活性：p53，是一种可以诱导细胞凋亡的转录
因子；而p65（也被称作RelA）则是炎性介质
NF-κB的一个亚基。科学家利用小鼠构建了
各类病理模型：感染性休克、帕金森病、老年
性肌肉萎缩等，所有这些疾病都有慢性炎症的
参与。模型研究显示，SIRT1的S-亚硝基化与
p53和p65的乙酰化及激活相关，表明翻译后
修饰过程中出现失衡，可能会导致慢性炎症的
病理性影响。
尽管一直以来，p53都被描述为具有促进
细胞循环停滞或细胞凋亡功能的转录因子，
而有两项新的研究发现，p53还有其它的功
能。如果暴露于紫外线（UV），会诱导皮肤
细胞的DNA出现损伤，而这一DNA损伤会激
活编码前促黑激素（POMC）基因的p53依赖
性转录，POMC可以被翻译及剪切形成多种
生物活性肽，包括色素诱导性激素α-MSH以
及内源性阿片类β-内啡肽。Fell等人发现，
中等强度的UV照射，会增加系统内β-内啡肽
的浓度，导致小鼠出现成瘾样行为，通过给
予阿片受体拮抗药，或者敲除编码p53的基因
（TP53），可以实现逆转。因此，鉴于UV可以刺激内源性阿片类物质的产生，对于人们尽
管知道暴露于紫外线下有健康风险，仍然十分
喜欢晒太阳、享受日光浴的行为，似乎可以得
到部分的解释。
TP53可以产生数种异构体。Senturk等人
鉴定出一种叫做p53φ的p53变异体，这是通
过选择性剪切获得的。该变异体没有核转移及
DNA结合结构域，并且没有转录活性。p53φ定位于线粒体中，可以促进线粒体渗透性转
移孔的开放，从而提高活性氧分子（ROS）
的产量。在某些组织内，增加的ROS量与上
皮-间质细胞转移（EMT）相关，其中包括发
生于癌症转移过程中的EMT样转移。p53φ促
进肺癌细胞的间质表型的出现，并提高编码
p53φ的mRNA的表达，这些都与癌症病人生
存率降低相关。
细胞的死亡，因时间及环境的不同，会依
赖于不同的机制，而不同的细胞死亡机制又会
导致不同的结果。但是，细胞凋亡是一种自成
一体的细胞死亡形式，很少引起炎症反应；而
细胞坏死则会导致细胞膜破裂，释放其胞浆内
物质，从而启动炎症反应。最初，人们认为细
胞坏死是一种被动、不可调控的过程。但是，
有遗传学及药理学研究证据表明，程序性坏死
（programmed necrosis，或necroptosis），
是对特异刺激产生的应答。如Dubyak所指
出的那样，“程序性坏死是一种可调节的
细胞死亡信号传导级联反应，与细胞凋亡
（apoptosis）具有同等的重要意义。”由肿
2929292929292929
瘤坏死因子（TNF）刺激产生的程序性坏死，
需要受体相互作用激酶1（RIPK1）激活一个
相关激酶，RIPK3。除了诱导程序性坏死，
RIPK1也可通过与蛋白质FADD（含死亡结构
域的Fas相关蛋白）及caspase-8相互作用，
促使细胞凋亡。如果caspase-8介导的细胞
凋亡被阻断，RIPK1就会启动程序性坏死。
但是，由Silke提名的一些研究，其中之一来
自于他自己的研究小组，强调了RIPK1在某
些环境下，也可以抑制、而非促进由细胞凋
亡或者程序性坏死引起的细胞死亡。Rickard等人进行了相应的遗传分析，Dannappel等人也利用全面敲除、或者特定组织敲除Ripk1基因的小鼠进行了研究，结果表明RIPK1可以抑制程序性坏死的发生（图4），这一结
果也被Kearney等人的研究所证实。另一方
面，Takahashi、Dillon等人的研究结果，和
Rickard、Dannappel的研究一起，都表明
RIPK1具有在小肠内阻止细胞凋亡的作用。
所有上述研究，包括Kaiser等人在内，一起揭
示了在体内不同组织中，程序性坏死及细胞
凋亡路径中RIPK1介导的重要性。Berger等人和Newton等人发现，表达没有催化活性的
RIPK1的小鼠，生长发育正常，但是对TNF诱导的程序性坏死具有抗性。此外，Berger小组的研究结果表明，这种突变对患有自身免疫
性皮肤病的小鼠模型的慢性增殖性皮炎有缓解
作用。所有这些结果，都为我们展示了RIPK1在调控细胞死亡路径中所扮演的复杂角色，正
如Silke所指出的那样，研究成果为我们展示
了“一种可能性——在诸如银屑病、炎症性肠
病等人类自身免疫性疾病研究中，程序性坏死
可以成为研究的靶点。”由Silke提名的最后
几篇文章，都集中于RIPK3的研究。与RIPK1有所不同，人们一度认为RIPK3的功能仅限于
促使程序性坏死的发生。Newton、Mandal等人的研究则表明，RIPK3的激酶活性，对于阻
止由细胞凋亡所引起的细胞死亡而言，是必需
的条件。
程序性死亡的效应器属于混合系激酶结
构域样物质（MLKL），被RIPK3进行磷酸化
后，可以诱导坏死细胞样的细胞膜穿透过程。
由Dubyak提名的文章重点论述了MLKL导致
细胞膜崩解的机制。Wang等人的研究结果也
发现，RIPK3-介导的磷酸化会导致MLKL出现寡聚化。Wang等人和Dondelinger等人的
研究结果均显示，程序性坏死过程需要MLKL寡聚化，并且N端的四个螺旋状分子束结构域
与带负电的脂类，例如磷脂酰肌醇磷酸盐类
（PIP）相结合，可以促进MLKL在细胞膜处
富集。两个研究小组都阐明，MLKL可以穿透
含有PIP的脂质体。Su等人的研究，进一步证
实了四个螺旋束结构域在细胞的程序性坏死过
程中所发挥的介导细胞膜崩解的作用。Su等人采用核磁共振图谱，证实了MLKL的C末端
螺旋可以作为四个螺旋样分子束结构域所形成
的孔状结构的“插头”。
P3:Keratin-14P3:Keratin-6皮肤 皮肤
Rip
k1-/-
Mlk
l-/-R
ipk1
-/-
Rip
k3-/-
Rip
k1-/-
对照
组
P0
图4 RIPK1缺乏会导致过度的程序性坏死。图中展示了各种基因型小鼠皮肤切片在荧光显微镜下的图像，其中红色代表keratin-6因子或keratin-14因子，蓝色代表细胞核。keratin-6因子和keratin-14因子在Ripk1−/−
小鼠过度增生的角化细胞（hyperp las t i c keratinocytes）里分布异常（这是皮肤细胞过度死亡的一种表现）的情况可以因为缺乏Ripk3基因或Mlkl基因而得到部分缓解。
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3030
每一年，各种年度技术突破的提名会覆盖
该年度内，学界里出现的各类解决生物学难题
的新方法、新技术。新技术不仅仅为科学研究
带来便利，也为科学家提供更为确凿的数据，
回答之前不甚明了的问题。癌症药物研发的过
程中，在最开始，往往都需要对大量小分子进
行筛选，鉴定出那些能够杀死培养的癌细胞的
分子。在药物研发进程中的一个主要瓶颈是，
如何有效鉴定出这些小分子的靶点。Janes提出一项由Savitski等人所进行的研究，该方法
将对细胞裂解物进行定量质谱的分析，与配体
诱导的蛋白热稳定性的改变分析结合起来，从
而对蛋白质-药物间的相互作用进行鉴定（图
5）。Janes表示，该研究为我们介绍了一种
相当简单的方法，用于对小分子引起的蛋白质
构象改变进行监测。这些小分子包括激酶抑制
剂和第二信使。该方法为我们提供了与其它蛋
白质组学方法所获得的信号传导网络互补的信
息。其中的一个优势是，对蛋白质热稳定性的
检测可以通过采用等压标签及质谱法进行无偏
倚的应用，或集中对特异靶向蛋白进行免疫印
迹分析。尤其引人注目的是，该技术鉴定出了
一个亚铁血红素生物合成酶[FECH]，这是在
临床上具有光毒性副作用的蛋白激酶抑制剂的
脱靶分子。Janes希望能够将蛋白热稳定性图
谱系统应用于所有FDA批准的激酶抑制剂药
物上。此外，FECH的遗传缺陷还与人的光敏
感性有关，表明药物介导的FECH抑制作用可
能是这一常见副作用的基础。
药物治疗前 药物治疗后
治疗药物 加热
空载对照
加热后
质谱分析
药物靶向情况分析
直接靶向
温度
不受影响的蛋白质
温度
蛋白
质的
数量
蛋白
质的
数量 -药物 +药物
图5 蛋白质组学热力分析（Thermal proteome profiling）技术是寻找药物蛋白质作用靶点的好方法。上图展示的就是寻找某种药物未知蛋白质作用靶点的流程图。细胞经药物（红色）或对照品作用之后，将细胞或细胞裂解液加热。由于药物能够与靶点蛋白质（橙色）结合，所以增加了靶点蛋白质的热稳定性。热变性之后的蛋白质会聚集并从溶液中沉淀、析出。经质谱分析之后可以得到靶点蛋白质的定量数据，从而找到能够与药物发生作用的靶点蛋白质。
3131313131313131
新的计算机及基因组筛查方法可以帮助科
学家鉴别能够用于靶向治疗的蛋白质以及分子
网络。例如，Ansel提名的Zhou及Chen等人
所进行的研究中，“通过在体内采用RNAi筛选参与免疫应答的基因，克服了巨大的技术难
题。”两个研究小组都采用了在小鼠模型上富
集分子的方法，来筛选对T细胞生物学产生影
响的短发夹RNA（shRNA）。在Zhou等人的
方法中，将表达大量shRNA的T细胞移植入小
鼠体内，并且鉴定出哪些基因对于T细胞在小
鼠黑色素瘤的微环境内增殖、存活、发挥功能
是所需的。与之不同，Chen等人的方法是，
将大量T细胞移植入小鼠体内，T细胞含有不
同的shRNA，从而鉴定出哪些因子参与了细
胞毒性T细胞及辅助性T细胞在应对病毒感
染时的分化过程。这两种方法都依赖于RNA的深度测序，从而在细胞内鉴定出足够量的
shRNA。Linding推荐了两项将不同类型的大型数
据组进行融合的研究。Vinayagam 等人论
述了如何分辨某个蛋白质 -蛋白质之间的相
互作用对蛋白质功能的影响是正向的还是负
向的。研究者将不同来源，及来自RNA干扰
的不同表型数据的蛋白质 -蛋白质相互作用
网络进行了整合，筛选出了~50不同的果蝇
（Drosophila）表型，或者培养的果蝇细胞。
AlQuraishi等人进行了一个与此相关的研究，
他们利用计算机技术对癌症相关突变与蛋白
质-蛋白质相互作用网络进行整合，研究集中
于含有SH2（Src homology 2）结构域的蛋白
质，与含有可与SH2结构域结合的磷酸化酪氨
酸的蛋白质之间的相互作用。这一分析说明，
酪氨酸磷酸化的蛋白质内的突变，往往会产生
新的蛋白质间相互作用，而SH2结构域则会选
择性地抑制蛋白质间的相互作用。由于含有
SH2结构域的蛋白质往往是多种信号通路的中
心，这提示我们，在癌症中出现的路径重构以
及获得性药物抵抗中，存在着某个特异性的机
制。
我们期待突出的科学研究成果能够促进信
号传导领域的进展，在新的方向引领细胞及有
机体内调控机制的研究工作，从而最终促进基
础科学及人类健康发展。
2014: Signaling Breakthroughs of the Year. (2015) Jason D. Berndt & Wei Wong.
Sciencesignaling, 8(358): 1-6.
原文检索：
筱玥/编译
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3434
研究人员运用手头所有的共48种鸟类的基因图谱，发现蜂鸟（左上图）、虎皮鹦鹉（右图）和斑胸草雀（左下图）都是利用与人类说话相同的基因网络进行鸣唱的。
百态Amazing Lives
鸟类基因族谱：为“老伙计”安置新位置
此项研究通过基因对照的方式理清了鸟类的家族亲缘关系，并确定了使鸟类学会鸣唱的基
因。
3535353535353535
麝雉（hoatzin）是一种体型如山鸡般大
小的鸟类，其翼有爪，消化系统如牛，常漫步
于亚马逊地区。这家伙常使试图将它归入鸟
类族谱树的人们感到困惑不已。而现如今，研
究人员认为他们已经确定了这种怪鸟的亲缘关
系——这要归功于2014年12月12日所披露的
一个发现。此发现源于一项大型国际性项目，
该项目主要分析了48种鸟类（几乎代表了鸟
类中的所有目类）的基因组序列。这项分析
的成果以八页的版面发表于当周出版的《科
学》（Science）期刊，同时在另外数家期刊
上发表了20余篇追加报道，代表了数十年来
鸟类生物学最大的进展。其影响力正如瑞典自
然历史博物馆（Swedish Museum of Natural History, 位于斯德哥尔摩）的一名进化生物学
家Per Ericson所言：此前，从未有任何一种
生物物种的研究能达到如此成就，它真是激动
人心。
那么，这到底是怎么回事呢？
原来，这个大型分析研究耗费了数月的超
级计算机处理时间，囊括了来自80个研究室
的200名研究人员，产生了迄今为止最为明确
的鸟类族谱树，同时还确定了潜藏于其表面特
征（表面特征决定了某种动物是否归属于鸟
类，例如有羽毛，有喙，无齿等）之下的基因
网络。此外，其中一个研究小组在某项激动人
心的发现中，还识别出潜藏于鸟类复杂鸣唱特
征之下的基因网络，随之发现人类的基因也存
在着同样的网络操控，这种操控可能对语言起
到关键作用。
下面让我们来认识Erich Jarvis：这位仁
兄是杜克大学（Duke University，位于北卡
罗来纳州杜勒姆）的一名神经生物学家，他希
望了解鸟类在模仿声音能力方面进化的次数。
正是出于对动物发音学习的求知欲，才使得他
一开始就负责协调整个项目的开展。不过，他
并不迷信现成的鸟类族谱树，毕竟它们都是建
立在基因对照不足12组、碱基仅有数千个的
基础上。
于是，Jarvis开始思考解决方案，那就是
要建立一个基于全部基因组的族谱树——它能
提供上百万个碱基对照。同时，其他研究人员
还开始了一项雄心勃勃的工作：为10000种脊
椎动物进行基因测序。而中国的测序巨头——
华大基因（BGI）也同意开始着手解决101种动物（包括11种鸟类）的基因分析问题。这
要归功于Jarvis和哥本哈根大学（University of Copenhagen）的古基因学家Tom Gilbert的努力。2010年，他们一同帮助说服了BGI及其合作者将其分析的鸟类种类增至43种。截
至2011年末，总共完成了48种鸟类的基因测
序。
后来证明，在以上项目中这是相对容易的
部分。据Jarvis回忆，当研究人员试图建立新
的鸟类族谱树的时候，他们“震惊地发现：居
然无法得到一个可靠的答案”。原来，研究联
盟开发了更为复杂的生物信息工具来分析基因
组数据。他们发现，能为蛋白质编码的基因自
身对于建立一个好的族谱树而言，并非是最可
靠的；而在基因内部及基因之间的非编码区域
（又称内含子）却能给出更好的答案。但是，
尽管研究小组有超级计算机来进行处理，却仍
需将分析工作分配到其附属的多个微处理器中
才能解决问题。结果如Gilbert所言，他们耗费
了整整3年，才算搞定这种种疑惑。
而今，由Jarvis研究小组绘制出的新鸟
类族谱树（Science 346, 1320; 2014）很像
2008年的另一个族谱（不过，该族谱的建立
仅仅基于169种鸟类的内含子）。在那个早期
的族谱树版本中，某些种类的分支分类在当时
还相当异类，但事实证明他们是具有远见卓识
的：曾参加过较早期的分析工作、来自伊利
诺伊州芝加哥洛约拉大学（Loyola University Chicago）的进化生物学家Sushma Reddy发表评论说，即便是通过全部基因组的分析，
许多当时认为如此的亲缘关系至今依然能够
得到同样的支持。例如，2008版族谱树提示
鸽子、沙鸡（sandgrouse）以及一种被称
为拟鹑（mesite）的弱翅马达加斯加鸟具有
很近的亲缘关系，它们类似于所谓“现代鸟
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类”（包括除鸡、鸭及不能飞行的鸟类，如
鸵鸟等以外的现有的全部鸟类种属）”的祖
先。还有，2008年，很少人能够接受火烈鸟
（flamingo）和鸊鷉（grebe）具有近亲关系
的说法，但新的分析则确认了这一点。
而与2008年版的鸟类族谱树相对的是，
新的分析明确了鸽子、沙鸡和拟鹑与火烈鸟和
鸊鷉具有近亲关系，从而产生了与此前相异
的关于早期现代鸟类的创见。纽约美国自然
历史博物馆（American Museum of Natural History）的进化生物学家，同时也是合作作
者的Joel Cracraft表示，那是很重要的生物种
系发生的发现。同时，新族谱显示，虽然麝雉
与杜鹃（cuckoo）在表面上有点相似，但两
者并不具有亲缘关系。实质上，麝雉属于鹤科
以及珩科鸟。
有意思的是，此项研究的结果超越了鸟类
的族谱关系。例如，分析表明：鸟类进行鸣唱
学习的演化经历了三个独立的时期：在分类上
形成了鸣禽、蜂鸟以及鹦鹉。在《科学》期刊
（Science 346, 1311; 2014）中，中国深圳
华大基因的Guojie Zhang等人证实，鸟类的
基因组比其它脊椎动物的要小，它们具有较少
的重复性DNA，而且缺失了7%的基因——总
共有5800万碱基，这缺失的基因在蜥蜴的远
亲——变色龙中有发现。Zhang还提出，在与
其它非鸟类种族的对照中显示，鸟类特有的
基因（如与角蛋白相关的基因）可能参与了
鸟类羽毛的生长。而俄罗斯圣彼得堡州立大
学（St. Petersburg State University）的遗传
学家、同时也是Jarvis的合作作者的Stephen O'Brien表示，他们能够像从解剖学中获得进
化学观点一样从基因组中获得进化学观点。
以Jarvis津津乐道的“发音学习问题”为
例。近几十年来，研究人员已获知：人类的说
话与鸟类的鸣唱学习在行为上是相似的。而
Jarvis等人最近研究的成果进一步表明，无论
是鸣禽、鹦鹉、蜂鸟，还是人类，都利用等
同于前脑的区域来完成相应的过程。有一项
研究甚至表明，对于动物而言，无论有无羽
毛，其发音学习都依赖于一种名为FOXP2的
基因。而今，新的鸟类基因族谱使Jarvis和剑
桥麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）的Andreas Pfenning等人能够
进一步地评估这个共同的基因网络是否总是动
物进行发音学习的基础。
首 先 ， P f e n n i n g 将 长 尾 小 鹦 鹉
（parakee t）、蜂鸟和斑胸草雀（zebra finch）的不同类型的基因在大脑不同部位的
活动情况进行了对照，上述物种代表了出现模
拟鸣唱发音能力的三种鸟类谱系。此外，他们
还研究了缺乏发音学习能力的两种鸟类：斑鸠
（ring dove）和鹌鹑（quail）。结果表明，
出现在三种具有鸣唱学习能力的鸟类中的同一
类型基因，未在缺乏发音学习能力的后两者之
中呈现。
研究者继续开展研究。他们将与鸣唱相关
的基因类型与其他研究者绘制出来的人类及
对猕猴（macaque）的大脑基因活动图谱相
对照（注：猕猴的语音交流能力不如人类说话
那么复杂）。结果表明，类似的基因也在与
人类语言相关的大脑区域起作用，而猕猴则
缺失这种基因，该报道刊登在《科学》期刊
（Science 346, 1333; 2014）上。加利福尼
亚大学洛杉矶分校（UCLA）的神经生物学家
Kelsey Martin表示，结果确实很好地切合了
行为学和解剖学的趋同性。对Martin而言，研
究强调的基因网络与其它动物用于空间学习的
“与此前相比，我们已经尽可能地接近真正的种系发生了。” ——瑞士自然历史博物馆Per Ericson
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很相似。因此，她认为，这表明存在一种与动
物学习相关的基因表达核心类型。
《科学》期刊（Science 346, 1334; 2014）还讲述了另一项研究：即由Jarvis的实
验室（主管人：Osceola Whitney）对已经学
会鸣唱的成年斑胸草雀大脑中的基因活动类型
开展进一步的观察。结果，研究小组从中识别
出调控鸣唱的2700多个基因，在斑胸草雀的
四个与鸣唱相关的大脑结构中，均有不同类型
的基因活跃的身影。一位UCLA的神经科学学
家Stephanie White点赞说，上述两篇论文都
是精妙之作。在他们的阐述中，鸣禽可能逐渐
“意识”到能赋予其表达和语言交流的东西的
存在。
当然咯，鸟类基因组计划还是相当具有
挑战性的，Jarvis等人将目前所取得的成果视
为万里长征的第一步。比如说，Pfenning和Whitney目前就在计划探索新近发现的与发音
学习相关的基因功能。 据Cracraft记录，在新的鸟类族谱树中，
46个节点（或称分支点）中仍有6个属于未
知。出现这种不确定现象的原因之一就是：鸟
类和哺乳动物一样，在6600万年前经历了迅
猛的变化。那时大多数恐龙从世上消失，同时
也为新的物种开放了许多生态位来进行填补。
这种进化步伐的急速迈进导致生物的基因组成
为新区域和共有区域同存的混合物，使之难以
进行分析，并留下一些目前仍然无法回答的问
题——比如说，猫头鹰到底属于何种生物？
芝加哥菲尔德博物馆（Field Museum）
的一位鸟类学家、同时也是2008年鸟类族谱
树的第一作者Shannon Hackett认为，若要解
决大量诸如此类的问题，需要获取更多的鸟类
基因组信息。Ericson则说：“尽管与此前相
比，我们已经尽可能地接近真正的种系发生
了，但尚未真正抵达。”。当然，那也不需要
很长的时间。目前在BGI，大约200多种鸟类
的基因组已经锁定，正待分析；另外，还有几
千种鸟类已经列入计划。一切如同新年的来
临，我们拭目以待。
Elizabeth Pennisi. (2014) Bird genomes give new perches to old friends. Nature, 346, 1275-
1276.
原文检索：
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在死寂的夜色中，美国蟑螂（American cockroach）通常喜欢依靠触觉和嗅觉来制定
自己逃脱的路线。期间，它们总不忘仔细寻找
暗处的某个螺栓孔，并设法溜进去。于是问题
就来了：如果蟑螂能够通过某种精细的调控来
引导自己向黑暗的角落进发，那么在极度黯淡
的光线条件下，其视觉能有多灵敏呢？对于这
个问题，芬兰奥卢大学（University of Oulu）的Matti Weckström等人很感兴趣。于是，他
们研究小组决定利用蟑螂的趋向性——当落入
其眼中的周边环境映像发生移动时，它们会随
之朝相应的方向移动，以探查它们的视觉灵敏
度到底如何，并设法获知更多有关蟑螂在极低
强度光线下如何处理视觉信息的情况。
研究小组将蟑螂一只只地置于一个滚动的
球上面，这样它们就只能以足部与之接触，从
而指示出移动的方向。然后，研究者用不同强
度的光线（强度范围从明亮的房间（500lx）至无月光的黑暗夜晚（0.005lx）不等）对移
动格区进行照射，并显示出光照格区的图像，
以测试蟑螂的反应。结果颇受瞩目：原来蟑螂
拥有令人难以置信的灵敏视觉。因此，尽管这
种昆虫的每一个光感受器在每10s内仅能接收
到一个光子，但就算在光照强度低至0.005lx的情况下，蟑螂依然能够看到格区的移动。为
了进一步找出原因，研究小组分析了蟑螂的反
应力，结果使他们意识到：在这种低强度光的
水平下，蟑螂通过采集和处理源自成千上万个
光感受细胞的信号，才察觉出物体的移动。
Weckström等人总结说，蟑螂的视觉系统
能察觉出移动的物体，依赖于较深部位的神经
中枢进行的某种未知的神经处理，其目的是为
蟑螂的夜视能力源于对光信号的采集
Dave，你忘了带头
灯吗？
不，Tony，我不需要。我天生的能力就已经
很够用了。
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Honkanen, A., Takalo, J., Heimonen, K., Vähäsäyrinki, M. and Wecksträm, M. (2014).
Cockroach optomotor responses below single photon level. J. Exp. Biol. 217, 4262-4268.
原文检索：
文佳/编译
了解决它们无法避免的空间分辨力弱化现象。
此外，他们希望能应用所认识到的有关蟑螂灵
敏视觉的原理，设计更为优良的自动化夜间视
觉系统。
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