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新突破!國內科學家連發6篇Nature、Science和Cell


青塔近年來,隨著國家自然科學基金、國家重點研發計劃等科研經費投入的增加,中國基礎科學研究取得了非常多的研究成果,在國際頂尖學術期刊上中國科學...

- 2019年7月19日17時33分
- 科學文摘 / 青塔

青塔

近年來,隨著國家自然科學基金、國家重點研發計劃等科研經費投入的增加,中國基礎科學研究取得了非常多的研究成果,在國際頂尖學術期刊上中國科學家發表的高水平學術論文也越來越多。

近日,國際頂尖學術期刊《自然》(Nature)、《科學》(Science)和《細胞》(Cell)刊登了最新的學術論文。其中南開大學、瀋陽師範大學、北京化工大學等各以第一完成單位發表Science文章,復旦大學參與發表一篇Nature,北京生命科學研究所發表一篇Cell。如果加上昨天青塔已經推送過的中山大學發表的一篇Nature,本周國內共發表6篇三大頂級期刊論文。這麼多頂尖論文的發表也表明中國的基礎研究正迎來快速發展的時代。

Science:南開大學曹雪濤院士團隊天然免疫領域再獲重要發現


機體如何精準地發現病毒入侵併及時啟動抗病毒免疫應答反應以清除病毒?其物質基礎與分子機制是什麼?這是生物醫學領域的重要科學問題之一。

《科學》網站文章頁面截圖

7月19日,學術期刊《科學》(Science)雜誌以研究長文形式在線發表了中國工程院院士、南開大學校長曹雪濤團隊的論文,報導該課題組發現了機體感知與甄別入侵病毒DNA的一種新型天然免疫識別受體(hnRNP-A2B1)。就像「哨兵」一樣,該受體分子能夠在細胞核內特異性地識別病毒DNA,隨後激活天然免疫信號通路和誘導干擾素產生,啟動天然免疫應答反應以清除DNA病毒的感染。這一細胞核內抗病毒「哨兵」的發現,開闢了天然免疫與炎症研究領域的新方向,也為抗病毒治療與炎症疾病防治提供了潛在藥物研發新靶標。

人們對於機體如何識別外源病原體DNA的分子機制已有多年研究並取得了重要進展,但目前發現的能夠識別病毒DNA的天然免疫受體(例如cGAS)存在於細胞質中,而絕大多數DNA病毒感染宿主細胞後會進入細胞核內釋放病毒基因組DNA並在核內進行複製。然而,科學界對於細胞核內是否存在病毒DNA特異性的天然免疫識別分子尚不清楚。

為了篩選能夠識別病毒DNA的細胞核內天然免疫受體,在國家自然科學基金委員會、國家科技部等支持下,曹雪濤院士與南開大學生命科學學院副教授王蕾、第二軍醫大學醫學免疫學國家重點實驗室講師溫明岳一起,首先利用生物素標記的病毒基因組DNA,從細胞核提取物中沉澱出DNA結合蛋白並進行質譜鑑定是否存在能夠結合病毒基因組DNA的蛋白質分子。另一方面他們通過二維電泳聯合質譜檢測尋找出DNA病毒感染後從細胞核轉移到細胞質以具有激活天然免疫信號通路潛在作用的蛋白分子。整合上述兩種技術體系的研究結果之後,得到了23個候選分子。通過後續的體內外系列天然免疫效應與抗病毒功能篩選,包括通過hnRNPA2B1髓系細胞特異性基因敲除小鼠的體內試驗,該團隊最終鑑定出了異質性細胞核核糖蛋白A2B1(heterogeneous

nuclear ribonucleoprotein A2B1, hnRNP-A2B1)是能夠識別病毒DNA並誘導抗病毒干擾素產生的一種核內DNA天然免疫識別受體。


隨後,課題組研究了hnRNPA2B1核內識別病毒DNA後如何激活天然免疫的具體分子機制,發現hnRNPA2B1在DNA病毒感染後發生二聚化並發生第226位精氨酸(Arg226)位點的去甲基化,之後轉位至細胞質中與STING等相互作用形成複合體,激活TBK1-IRF3信號轉導途徑,從而啟動干擾素等基因表達。

另外,該團隊還發現hnRNPA2B1能夠促進cGAS、IFI16、STING等已知DNA識別受體與信號分子mRNA的m6A修飾及出核,從而放大和增強這些已知的細胞質天然免疫分子信號通路以誘導更多干擾素產生,有效激發抗病毒天然免疫反應。

研究表明,在無感染狀態下,作為一種RNA結合蛋白分子,hnRNPA2B1保持其與RNA相關的常規功能;但是,當細胞感染DNA病毒之後,其在細胞核中能夠識別外源DNA並發生功能「極化」,轉而作為DNA識別受體發揮抗病毒天然免疫激活作用。該研究為天然免疫識別及其信號轉導的機制研究提出了新思路,深化了人們對抗病毒天然免疫的認知。

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瀋陽師範大學周長付等發表最新Science文章

哺乳動物特有的一個特徵是乳汁吮吸。哺乳需要在喉部存在穩定性和運動,這兩者都需要複雜的舌骨組織。哺乳動物和其他脊椎動物的早期胚胎通常有六個咽弓,早期大腦下的組織帶發育成頭部和頸部的結構。第一個拱形產生哺乳動物的錘骨和砧骨(中耳骨),下頜骨(下顎的一部分)和鼓膜骨(支撐耳鼓);第二個是鐙骨(中耳骨)和舌骨的一部分(頸部的馬蹄形結構);第三個是舌骨的其餘部分。雖然化石證據證明了第一個咽弓的進化過渡,但第二和第三個弓的進化過渡在發育和古生物學文獻中很少受到關注。

2019年7月19日,瀋陽師範大學周長付(瀋陽師範大學第一單位)在Science在線發表題為「New Jurassic mammaliaform sheds light on early evolution of mammal-like hyoid

bones」的研究論文,該研究報告了一個新發現的,保存完好的docodontan骨架,它提供了關於舌骨轉化和哺乳動物中最早的語言功能演變的新見解。該研究表明,在哺乳動物發育之前存在肌肉化的喉嚨。

另外,紐約理工學院解剖學系Simone Hoffmann等人在Science 發表題為「Tongues untied」的點評文章,該點評文章系統介紹了研究成果,同時指出該研究為進一步研究咽弓進化發育的相互依賴性或獨立性打開了大門。

哺乳動物和其他脊椎動物的早期胚胎通常有六個咽弓,早期大腦下的組織帶發育成頭部和頸部的結構。第一個拱形產生哺乳動物的錘骨和砧骨(中耳骨),下頜骨(下顎的一部分)和鼓膜骨(支撐耳鼓);第二個是鐙骨(中耳骨)和舌骨的一部分(頸部的馬蹄形結構);第三個是舌骨的其餘部分。雖然化石證據證明了第一個咽弓的進化過渡,但第二和第三個弓的進化過渡在發育和古生物學文獻中很少受到關注。

Mammaliaform Microdocodon gracilis

中生代的哺乳動物形式是現代哺乳動物最近的前身,並提供了哺乳動物結構如何進化的直接化石證據。一個早期的哺乳動物組是docodontans,在侏羅紀和白堊紀的Laurasian大陸上分布廣泛。研究人員在這裡報告了一個新發現的,保存完好的docodontan骨架,它提供了關於舌骨轉化和哺乳動物中最早的語言功能演變的新見解。

哺乳動物與非哺乳動物舌骨特徵的比較

Microdocodon屬於一種稱為docodontans的早期哺乳動物分支,這是一個已經滅絕的群體,廣泛分布於中侏羅世至早白堊紀時期的北部大陸,在1.74億至1億年前。像爬行動物一樣,docodontans的中耳骨完全附著在下頜。然而,Microdocodon有一種類似哺乳動物的舌骨。在Microdocodon幾乎完全保存。

哺乳動物形態發育過程中舌骨結構和中耳的演化

Microdocodon gracilis, gen. et sp.

nov來自中侏羅世,在中國Daohugou地區被發現。在docodontans中,Microdocodon在系統發育上嵌套在Tegotheriidae,但與其他tegotheriids存在不同的牙齒特徵。在地質學上,它是最古老的tegotheriid分類群。該研究報導了一個新發現的1.65億年前的中國化石,其中保存了前三個咽弓的骨頭。化石定義了一個名為Microdocodon的新分類群。

該研究報告了一種新的侏羅紀docodontan哺乳動物形態,它在中國發現,舌骨組織完整保存,

其basihyal,ceratohyal,epihyal和thyrohyal骨骼具有活動關節,並且以馬鞍形狀配置,如現存哺乳動物的舌骨組織。舌骨組織為喉部和收縮的肌肉化食道提供框架,這對於現存哺乳動物中的咀嚼食物和液體的運輸和動力吞咽至關重要。在冠狀哺乳動物的中耳與下頜骨斷開之前,這些衍生的舌骨結構成分在早期發散的哺乳動物形態中進化。該研究為進一步研究咽弓進化發育的相互依賴性或獨立性打開了大門。

參考信息:

北京化工大學博士生劉緒博在《Science》發表研究論文

北京時間7月19日,《Science》在線刊登了北京化工大學軟物質高精尖中心最新研究成果 「Reconfigurable ferromagnetic liquid droplet」

,即可重構的鐵磁性液滴,或稱液態磁鐵。該研究發現一種新型磁性液體,通過控制磁性納米粒子在水油介面的自組裝,最終成功引導鐵磁流體從順磁性轉變成鐵磁性。通俗來講,磁鐵不再一定是堅硬的固體,也可以是流動的液體。

磁性材料的廣泛使用大大提升了人類的生活水平,小到家用電器如冰箱,大到航天設備如磁導航儀,固態磁性材料的身影無處不在。而一般液態磁性材料,如傳統鐵磁流體,雖具有靈活形態但本身不存在磁極,只有在外加磁場作用下被持續磁化才能表現出特定磁性。該研究中發現的鐵磁性液滴

(FLD),或稱液態磁鐵,既擁有類似固態磁鐵的磁性,又具備液體的可流動性,二者結合形成一種全新的磁性軟物質材料。這裡,將水基磁流體材料與有機相混合,分散於水相中的羧基化四氧化三鐵磁性納米粒子(Fe3O4-COOH

NPs)與溶解於相鄰油相中的氨基化籠形倍半矽氧烷(POSS-NH2)在水油介面相互作用,原位自組裝形成磁性納米粒子表面活性劑,吸附到介面處並實現阻塞相變,形成磁流體液滴。室溫下測量該液滴磁滯回線發現,不同於傳統順磁性磁流體,這種液滴表現出一定強度的剩磁和矯頑力,轉變為鐵磁性。結合最新的全液相3D列印和微流控成型技術,研究人員可在全液態條件下,製造任意形貌的磁性液態器件。此外,已成型的液體還可以通過改變液體內酸鹼環境進行重構,實現可逆磁化或消磁。這種新型鐵磁液滴具有諸多奇特性質,未來有望用於磁控液態機器人、可編程液態微反應器等領域,並推動新型液態磁材料表征技術如極化中子磁場成像等向前發展。

北京化工大學為本文第一完成單位,其他主要合作單位包括美國勞倫斯伯克利國家實驗室(LBNL)、加州大學伯克利分校(UC Berkeley)等。麻薩諸塞大學安姆斯特分校的Thomas Russell教授為本文的通訊作者,軟物質高精尖中心史少偉研究員和我校材料學院王東教授也參與了該項目。本文第一作者劉緒博是高精尖中心博士生,已在Adv. Mater., Angew.

Chem.等期刊上發表論文多篇。本研究工作得到北京軟物質科學與工程高精尖創新中心專項科研經費的支持。

復旦大學參與Nature:石墨烯超導再獲得突破

2018年3月5日,《自然》連刊兩文報導石墨烯超導重大發現。年僅21歲麻省理工學院博士生曹原發現了石墨烯的「魔角」。當溫度冷卻到1.7K時,當兩層平行石墨烯堆成約1.1°的微妙角度,就會產生神奇的超導效應。前人的研究集中在氧化銅材料的超導電性,氧化銅材料的超導電性往往需要在高溫下才得以顯現。曹原等僅僅通過簡單的雙層石墨烯碳材料,提供了一個複雜超導物理的探索平台。

哥倫比亞大學物理學家Cory Dean指出,雙層石墨烯只有在兩個石墨烯層的原子晶格相對於彼此扭轉了1.1°的「魔角」時才具有超導 -在已知的最薄材料上進行這項操作是非常困難的。「如果稍有偏離就行不通,」近日,史丹福大學的物理學家David Goldhaber-Gordon和加州大學伯克利分校的物理學家Wang Feng 和復旦大學Zhang

Yuanbo團隊在更容易獲得的三層石墨烯片中發現了超導電性的跡象,相比於雙層石墨烯超導,三層石墨烯不必發生扭曲,每層原子晶格的上層和下層對齊,這在生產多層石墨烯時自然而然的形成這樣的結構。藉助三層石墨烯,有望幫助研究人員更快了解銅氧化物中的超導性。相關研究以「Signatures of tunable superconductivity in a trilayer graphene moiré

superlattice」為題發表在《Nature》上,第一作者為Chen Guorui。

該文採用了現有標準的方法來剝離石墨烯薄片。首先,將一塊透明膠帶粘在一大塊石墨上 - 大多數鉛筆中的成分- 然後對此進行剝離。通過撕膠帶的方法(機械剝離法)。Wang Feng 團隊之前開創了一種技術,發現三層石墨烯中獨特的光學特徵。

機械剝離法製備石墨烯

然後,該團隊將這些三層薄片作為製造電氣設備的起始材料。它們將三層薄片夾在氮化硼層之間,防止石墨烯被污染的同時防止其發生彎曲。在一些地方,氮化硼層中的原子與石墨烯層中的碳原子精確對齊,但是在幾納米之外它們是偏移的。在大約10納米之後,層中的原子再次對齊,產生「莫爾」重複圖案,其在扭曲的雙層石墨烯中也是明顯的。每個重複的莫爾晶胞除了材料本身的電子外,可以容納多達四個額外的電子,從而改變材料的導電性。

接下來,研究人員在薄片頂部構築金屬圖案,用「柵極」構建電晶體,控制在材料中添加電子。通過操縱柵極上的電場,研究人員能夠精確控制每個重複莫爾晶胞中存在電子數量。當他們向每個晶胞添加三個電子並將溫度降至低於2K時,他們注意到電阻急劇下降,這是超導性的一個標誌

。他們還注意到,當他們對樣品外部施加磁場時,接近零的電阻消失了,這是超導的另一個跡象。Goldhaber-Gordon補充說,這些信號還不確定,目前仍然存在兩個問題:首先,電阻沒有完全降至零,這可能是由於石墨烯薄片中的雜質導致的;其次,它可能無法實現大面積超導。

儘管如此,Goldhaber-Gordon指出,三個額外電子的表觀超導性與傳統的高溫超導體(1986年發現的銅基材料)相似。這提高了三層石墨烯作為超導材料的希望。一個很好的模型系統,用於解決這個長期存在的謎團。他說,三層石墨烯提供了是一個清晰的研究系統,它提供了一種探索複雜物理學研究的簡單方法。」


參考資料:

Cell:邵峰團隊揭示吞噬細菌的分子機制

抗菌自噬(xenophagy)是一種重要的宿主防禦,但它是如何開始的還不清楚。

2019年7月18日,北京生命科學研究所邵峰團隊在Cell 在線發表題為「A Bacterial Effector Reveals the V-ATPase-ATG16L1 Axis that Initiates

Xenophagy」的研究論文,該研究進行了細菌轉座子篩選,並鑑定了一種T3SS效應物SopF,其有效阻斷了沙門氏菌自噬。SopF是一種通用的xenophagy抑制劑,不影響經典自噬。在細菌引起的液泡損傷時,V-ATP酶將ATG16L1募集到含有細菌的液泡上,該液泡被SopF阻斷。哺乳動物ATG16L1具有與V-ATP酶相互作用所需的WD40結構域。SopF抑制自噬在體內促進鼠傷寒沙門氏菌增殖。SopF靶向V-ATP酶中ATP6V0C的Gln124用於ADP-核糖基化。Gln124的突變也阻止了抗菌自噬。因此,SopF的發現揭示了V-ATPase-ATG16L1軸,其關鍵性地介導細胞內病原體的自噬識別。

2019年4月9日,北京生命科學研究所邵峰團隊在Molecular Cell上發表題為「Structural and Functional Insights into Host Death Domains Inactivation by the Bacterial Arginine GlcNAcyltransferase

Effector」的文章,該研究揭示精氨酸N-乙醯葡萄糖胺化修飾的酶學機理,酶和底物識別機制以及其酶學活性在動物感染模型中的作用;

2019年4月8號,邵峰團隊等人在Nature immunology上發表了題為「Innate immunity to intracellular LPS」的綜述性文章。在這裡,該綜述回顧了關於細胞溶質LPS感知及其調節和病理生理功能的最新研究進展;

2018年8月16日,北京生命科學研究所邵峰研究組在Nature 在線發表題為「Alpha-kinase 1 is a cytosolic innate immune receptor for bacterial

ADP-heptose」的研究論文,該論文揭示α-激酶1是細菌ADP-庚糖的細胞溶質先天免疫受體;通過宿主腺苷醯轉移酶將HBP轉化為ADP-庚糖7-P,其可以比ADP-Hep更小程度地激活ALPK1。ADP-Hep(但不是HBP)單獨或在細菌感染期間誘導小鼠的Alpk1依賴性炎症。研究結果分別將ALPK1和ADP-Hep鑑定為模式識別受體和有效的免疫調節劑。

自噬是真核生物中細胞溶質成分的溶酶體降解的分解代謝過程。鑑定了超過30種自噬相關(ATG)基因,其中大多數從酵母到哺乳動物是保守的。在自噬相關基因(ATG)中,微管相關蛋白輕鏈3(LC3,即酵母中的Atg8)對於自噬體膜形成是關鍵的,通常用作自噬標記物。在自噬中,細胞質LC3(LC3-I)在其C末端甘氨酸被磷脂醯乙醇胺(PE)(LC3-II)通過ATG編碼的兩種泛素樣綴合系統之一進行修飾

在這裡,研究人員確定了沙門氏菌T3SS效應器SopF,它有效地阻止了細菌自噬。從鼠傷寒沙門氏菌中去除sopF導致約80%的細胞內細菌被自噬靶向。另外,該研究還鑑定了V-ATPase-ATG16L1軸,其在細菌誘導的液泡損傷時引發xenophagy。SopF特異性地在V-ATP酶中ADP-核糖基化ATP6V0C的Gln124以阻斷其募集ATG16L1。總而言之,該研究結果表明,V-ATPase-ATG16L1軸關鍵地介導細胞內病原體的自噬識別。

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