科研进展--中国科学院广州分院

该工作通过在哺乳动物构建人工正交转录系统，实现了单个和多个启动子转录活性的精准微调，构建了具有预测能力的多基因表达量的定量热力学模型，并将这个定量模型应用于甲型流感病毒（H1N1）病毒样颗粒（VLP）组分与产量的优化设计。
　　北京时间3月18日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所娄春波课题组与北京大学物理学院定量生物学中心欧阳颀/钱珑团队合作在Nature Communications上发表精准控制哺乳动物细胞多个基因表达剂量的人工基因线路，题为“Precise programming of multigene expression stoichiometry in mammalian cells by a modular and programmable transcriptional system”。该工作通过在哺乳动物构建人工正交转录系统，实现了单个和多个启动子转录活性的精准微调，构建了具有预测能力的多基因表达量的定量热力学模型，并将这个定量模型应用于甲型流感病毒（H1N1）病毒样颗粒（VLP）组分与产量的优化设计。秦宸睿、项延会和刘杰为共同第一作者，中科院深圳先进院娄春波和北京大学钱珑为文章共同通讯作者。
　　
　　
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　　在哺乳动物细胞中，精确调控基因线路对于细胞适应环境、稳态维持和发育分化等生理功能至关重要。关键基因表达量过量或不足都可能导致癌症等重要疾病。此外，多个细胞命运决定因子表达剂量也是重塑细胞命运分化和发育的关键因素。然而，在哺乳动物细胞中，基因表达受到多种复杂因素的影响，例如：基因顺序、基因组位置、表观遗传修饰和宿主细胞类型等，使得精确控制基因表达剂量变得非常困难。比如说，常用的启动子EF1α的转录活性在HEK293T等七个细胞系中受到细胞类型的显著影响；而CMV强启动子在运动神经元细胞中的表达活性会出现起始活性很高而随后逐渐减弱的情况。因此，模块化、不受细胞类型影响且可编程的基因表达系统成为哺乳动物细胞生物学和合成生物学研究中的重要瓶颈问题。
　　本文提出一种设计策略，旨在开发一种模块化、独立于宿主的正交型转录系统。该正交型转录系统由正交型启动子库和单体RNA聚合酶（RNAP）组成。该系统通过将RNA加帽酶与单体RNAP融合，可确保原核来源的单体RNAP在哺乳动物细胞中按照“跨域（domain）”方式实现基因转录、转录后修饰、出核和翻译等真核系统蛋白质表达的必需步骤（图1）。
　　本论文发现了不同基因表达活性的竞争效应，并建立了定量的热力学模型。针对两个基因的竞争问题，研究团队设计了一个哺乳动物细胞系中的两个报告基因（图2）。在这个双报告基因体系中，每个报告基因由正交型启动子库中的七个代表性启动子之一控制，共有49种不同的组合。实验结果发现一个基因的强启动子显著降低了另一个基因的表达。这个结果证明了两个报告基因在竞争有限资源（ [RNAP]free）。因此，本论文提出了利用[RNAP]free取代的[RNAP]tot的新型热力学方程式（图2e）。　　
　　在哺乳动物细胞中，多个基因的先后顺序也会显著影响基因表达量。为了研究基因先后顺序对基因表达量的影响，研究团队设计了三个报告基因的六种可能的先后顺序（1-2-3， 1-3-2， 2-1-3， 2-3-1， 3-1-2， 3-2-1），并计算了报告基因在所有六种组合中的表达量的方差 (图3)。作者们发现同一启动子的表达量的方差系数(CV) 非常小。这个结果表明启动子活性不受其局部基因环境的显著影响，而且在CHO和HEK293T细胞株中都保持类似行为。另外，研究团队在50个启动子库中，针对三个不同报告基因任意选择其启动子（活性变化100倍左右）。通过修正的热力学模型，文章预测了三种报告基因的活性。根据实验结果发现哺乳动物细胞中的三个基因的蛋白表达量都可以由模型预测（R2=0.81~0.88）。　
　　为证实正交转录系统的优势，研究团队使用定量热力学模型优化了病毒样颗粒的多个亚基的基因表达剂量。病毒样颗粒（VLP）是由多个蛋白质组成的无病原性并且不能进行复制的纳米颗粒。在疫苗和药物传递等生物医学领域具有广泛的应用潜力。多个蛋白亚基的表达水平对于VLP的组装效率和免疫原性至关重要。因此，团队研究了表达水平的可编程性以及它对VLP产量的影响。首先，作者们验证了在适当的表达剂量条件下，甲型流感病毒的三个关键亚单位（血凝素（HA）、神经氨酸酶（NA）和基质蛋白1（M1））可以形成稳定的VLP。然后，构建了两个融合基因（egfp-M1和NA-mCherry），用于定量表征VLP的产量和完整度。接着，使用修正后的定量热力学模型预测了所有预设启动子参数和基因特异性参数的VLP产量（共157,464个组）。通过虚拟筛选和理论分析，研究团队发现HA基因的高表达对产生VLP有害，而适当表达的三个基因则可以产生更多的VLP颗粒。最后，团队选择了十余组高产组合进行实验验证，结果发现所有组合都产生了更多的VLP颗粒，并且实验结果与预测值相符，其中预测值越高实验结果越好。
　　综上所述，本研究开发了一种模块化、可编程的正交型转录调控系统。此外，该研究还建立了基于胞内资源竞争和结合能的定量热力学理论模型，可以实现对哺乳动物细胞中多个基因表达剂量的精确设计和预测。通过利用这种正交型转录系统，研究团队还成功地优化了甲型流感病毒病毒样颗粒（VLP），为新型高效甲型流感疫苗的开发和生产提供了潜力。
　　该工作得到了国家重点研发计划项目，国家自然科学基金，中科院先导计划、青年交叉团队项目和深圳合成生物学创新研究院的资助。
　　
　　图1. 正交型启动子库和跨物种通用转录系统的构建和定量模型的实验验证
　　
　　图2. 哺乳动物细胞内关键因子的共享造成多个启动子活性的竞争效应和相关定量热力学模型
　　
　　图3. 基因先后顺序对正交型转录系统的影响很小，及相关定量热力学模型的预测性
　　
　　图4. 甲型流感病毒的病毒样颗粒（VLP）的三个亚基基因的表达剂量的可预测优化与实验验证
　　

2023-03-20

深圳先进院SEER-FISH成像技术：解析微生物组空间结构的新利器

团队发展了一种可容错编码的序贯荧光原位杂交（SEER-FISH）技术，用于解析复杂微生物群落的空间结构。
　　3月17日，中国科学院深圳先进技术研究院合成微生物组学研究中心、深圳合成生物学创新研究院戴磊课题组在Nature Communications上发表了基于成像的空间微生物组最新研究成果，题为"Spatial profiling of microbial communities by sequential FISH with error-robust encoding"。该团队发展了一种可容错编码的序贯荧光原位杂交（SEER-FISH）技术，用于解析复杂微生物群落的空间结构。该方法可识别复杂群落中的不同微生物物种，在单细胞尺度上原位解析微生物物种之间以及微生物-宿主之间的相互作用，是研究微生物群落的生态和功能的重要工具。团队成员博士生曹朝辉和左文龙博士为共同第一作者，戴磊研究员为文章通讯作者。
　　
　　
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　　自然界中的微生物群落有着丰富的物种多样性，各种微生物独特的生存方式和相互作用关系构成了群落特定的空间结构。尽管现有的高通量测序技术能够描绘微生物群落的物种组成及丰度，仍缺乏解析群落空间结构的有力工具。由于传统荧光显微成像技术可分辨的物种数量受限于荧光基团的颜色种类，绘制高物种分辨率的复杂微生物群落的空间结构仍有重大挑战。基于此，研究团队发展了新的SEER-FISH成像技术并将其用于复杂微生物群落，在微米尺度上绘制了拟南芥根系定植的微生物群落的空间分布，观测到不同物种在根表上的空间异质性定植，以及在受到宿主代谢物扰动后的空间分布变化和物种空间关联改变。SEER-FISH技术可以精准解析复杂微生物群落的空间结构，对于研究植物根际、人体肠道等宿主共生微生物组的生态规律和生理功能提供了有力工具。
　　SEER-FISH通过序贯荧光原位杂交的方式实现微生物群落空间结构的解析。其工作原理是为每种微生物分配特定的多色编码，每轮使用带有相应颜色荧光基团的寡核苷酸探针来标记对应的微生物，再通过多轮荧光原位杂交成像获取每个细胞的多色编码，从而确定其对应的物种（图1a-c）。进一步对编码进行优化，使用不同汉明距离（HD, hamming distance）的纠错编码可以提高物种准确识别率，并且具有高度的可扩展性（图1d）。　
　　研究团队首先在不同微生物群落的体外成像实验中对SEER-FISH技术进行系统评估。实验验证了该方法对群落组成识别的准确性和可重复性，能够准确量化群落物种组成的变化（图2a-c），使用不同的编码方案所得到的群落组成高度一致（图2d-f）。
　　植物根际定植着高度多样的微生物群落，它们受到植物宿主的调控又影响着植物的生理健康。然而我们对于根际微生物群落的空间结构却鲜有认知。研究团队将SEER-FISH应用于根表微生物的空间成像，勾勒了不同生理分区分布定植的微生物群落组成（图3a-c）。研究团队发现，定植在根表的微生物群落并非随机分布，而是倾向于形成聚集体。这些微生物聚集体的尺度在几十到几百微米，并且存在多个物种（图3d-f）。微生物聚集体的形成的具体原因有多种假说，包括偏好性定植、提高在根际环境下的适应性等。此外，通过对群落中的微生物进行邻近关系分析，发现了显著的菌-菌空间关联（图3g）。　
　　通过外源添加拟南芥根际分泌的代谢产物植保素（camalexin）和香豆素（fraxetin），研究团队发现根际微生物的组成和空间分布都发生了显著的变化（图4a-c）。比如，中华根瘤菌主要定植于靠近根尖的位置，而这种偏好性的定植在加入植保素和香豆素后发生了改变（图4d）。农杆菌本身在根上的定植没有偏好性，但在受到香豆素扰动后表现出更多的定植于根成熟区（图4e）。根际微生物空间分布的高度异质性和物种之间的差异，与环境异质性、微生物本身的特性都有关。进一步对定植微生物的空间关联进行分析，发现植保素和香豆素都不同程度地影响改变了物种之间的空间关联（图4f）。微米尺度下的空间关联暗示了微生物群落中不同物种之间广泛存在的短程相互作用 (如营养竞争与互养、接触抑制、群体感应等)，对于进一步的机制研究有重要的指导意义。
　　该工作得到了国家重点研发计划项目（No.2019YFA0906700）、国家自然科学基金（No.31971513, No.32061143023, No.32100072）、广东省自然科学基金（No. 2022A1515011513）及深圳合成生物创新研究院的资助。
　　
　　SEER-FISH拍摄的植物根际微生物组
　　
　　图1 SEER-FISH多轮成像的工作原理
　　
　　图2 SEER-FISH可以精准解析复杂微生物群落的组成
　　
　　图3 在单细胞水平上解析定植于拟南芥根表的微生物群落
　　
　　图4 解析拟南芥根际分泌的代谢产物对微生物组空间分布的影响
　　

2023-03-20

深圳先进院在随机过程视角下的细菌细胞分裂调控研究获得进展

研究文章指出，分子层面的随机涨落是影响细菌细胞分裂调控的重要因素。
　　合成生物学的核心愿景之一是人工合成单细胞生命。要实现这一目标，科研人员需要精准控制细胞的分裂时机，以保证每一代细胞的大小保持一定范围。若过长时间不进行分裂，细胞体积会越来越大， DNA复制和分离等过程的错误率增加，细胞代谢也会受到影响。反之，如果细胞过早分裂，可能导致分裂后的细胞体积过小、细胞质不足甚至DNA尚未完成复制，导致生命活动停止。细菌是一种生长迅速的微生物，其细胞体积可在20分钟内翻倍，为实现快速生长，细菌不像真核生物那样设置检查点明确区分细胞生长、染色体复制等过程。这种情况下，细菌如何决定分裂时机？虽然人类已经观测到细菌已有数百年之久，但至今仍未完全理解其中奥秘。
　　近日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所傅雄飞研究员及白阳副研究员联合华中农业大学罗亮博士在Physical Review Research杂志发表研究文章指出，分子层面的随机涨落是影响细菌细胞分裂调控的重要因素。
　　
　　
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　　目前，有三种可能的调控机制可以描述细菌的细胞分裂。首先是体积决定机制，它假设细胞监测自身体积，当其达到一个特定的分裂阈值时，就会执行细胞分裂。其次是增量决定机制，即细胞会记录自上一次分裂以来的体积增加值，并在增量达到特定的分裂阈值时执行分裂。最后是时间决定机制，即细胞记录自上一次分裂以来经过的时间，并在达到特定的分裂阈值时执行分裂。然而科学家们未能明确细菌的细胞分裂究竟使用的是哪种决定机制，以及这背后的分子基础是什么。
　　细胞分裂时机对于细胞生长和遗传稳定性的重要性不言而喻，长期以来科学家们一直在探索细胞分裂时机的决定机制。科学家们近年来实现了对单个细菌细胞的长时间拍照观测，记录了多代细胞出生-生长-分裂的过程。通过这些观测，他们发现了一个有趣的现象：尽管细菌的体积有所不同，但是，平均而言，两次分裂之间的体积增加值却并不随它出生时的体积变化。这个发现似乎表明细菌细胞以体积增量为调控目标，决定分裂时机。该发现引发了新一波细菌细胞分裂调控机制的研究，极大加深了我们对细菌细胞周期的理解。然而，新的研究又对体积增量决定细胞分裂时机的机制提出了质疑。科学家们至今依然未能确定细菌细胞分裂时机的决定机制。
　　傅雄飞课题组在新发表的文章中指出，人们可能误解了“细菌的体积增量不随它出生时的体积变化”这一实验观测背后的真正含义。这是因为，细胞内无处不在的随机过程也会作用在细胞分裂阈值之上，使得三种不同的细胞分裂决定机制都能展现出“体积增量不随细菌出生体积改变”的实验现象。通过构建包含随机性的理论模型，该研究充分解析了随机过程对细胞分裂行为的影响。研究发现，随着分裂阈值随机过程自身特性的不同（自关联系数），三种细胞分裂时机的决定机制，都可以展现出看似体积决定、增量决定或者时间决定的实验现象。因此，实验人员需要进一步测量分裂阈值本身的自关联系数，才能更准确地理解细菌细胞分裂的调控机制。　
　　这一发现大大提高了人工细胞理性设计的灵活度。科研人员可以在细胞分裂决定机制难以改动的情况下，通过对分裂阈值随机过程特征的巧妙设计，控制细菌细胞的分裂行为。该工作获得了国家科技部重点研发计划项目、中国科学院先导项目，国家自然科学基金面上项目及深圳合成生物学创新研究院的支持。
　　图：细菌细胞分裂的三种决定机制
　　
　　图：细菌分裂阈值的随机过程会影响细胞分裂行为特征，使得同样的分裂决定机制展现出多样化的实验观测结果
　　

2023-03-20

深圳先进院在超声分子成像肿瘤细胞上皮-间质转化可评估肿瘤转移潜力

该工作利用生物合成的纳米气囊实现了对肿瘤上皮-间质转化（EMT）动态变化的超声分子成像，为评估肿瘤转移潜力提供了新方法。
　　近日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所严飞研究员团队最新成果以“Ultrasound Molecular Imaging of Epithelial Mesenchymal Transition for Evaluating Tumor Metastatic Potential via Targeted Biosynthetic Gas Vesicles”为题在线发表于材料科学知名期刊Small (IF：15.3)。该工作利用生物合成的纳米气囊实现了对肿瘤上皮-间质转化（EMT）动态变化的超声分子成像，为评估肿瘤转移潜力提供了新方法。
　　深圳先进院合成所严飞研究员为该文章的通讯作者，合成所硕士研究生郝永胜，深圳市第二人民医院李振洲医师，深圳大学硕士研究生罗静娜为该文章的共同第一作者。
　　
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　　上皮-间质转化（Epithelial Mesenchymal Transition，EMT）是驱动肿瘤转移的重要因素。研究表明，EMT演变过程中伴随着多种分子标志物的变化，其中“钙黏蛋白转换（Cadherin Switch）”是最典型的分子变化：肿瘤细胞表面E-钙黏蛋白（E-cadherin，E-cad）的表达逐渐下调，而N-钙黏蛋白（N-cadherin，N-cad）的表达逐渐上调。在这一过程中，肿瘤细胞逐渐失去上皮特征，获得间质表型，促使肿瘤细胞的侵袭转移能力增强。因此，实现对肿瘤EMT变化的检测对于评估肿瘤转移潜力具有重要意义。超声成像作为一种成像深度高、性价比高的医学影像方法已被广泛应用于临床。近年来，微生物合成的纳米级气体囊泡（Gas vesicles, GVs）为实现肿瘤血管外肿瘤细胞标志物的无创在体超声分子成像检测提供了可能。
　　这项工作中，研究团队首先评估了GVs的肿瘤血管渗透能力，与微米级的磷脂微泡对比，GVs能够通过肿瘤血管内皮间隙，进入血管外肿瘤组织中并实现超声造影成像。随后研究团队利用GVs构建了靶向E-cad/N-cad的超声分子成像探针E-cad-GVs/N-cad-GVs，并测试了其与不同EMT状态下肿瘤细胞的粘附能力，结果表明，E-cad-GVs/N-cad-GVs与细胞的结合效率取决肿瘤细胞的EMT状态（图1）。
　　为了实现对肿瘤EMT变化的在体检测，研究团队对处在不同EMT状态的早期荷瘤小鼠和晚期荷瘤小鼠通过尾静脉注射了E-cad-GVs/N-cad-GVs超声分子探针，并对肿瘤进行超声分子成像检测。结果显示，超声分子成像可以成像早期和晚期肿瘤不同的EMT状态，其结果与传统免疫组织化学染色检测的E-cad/N-cad表达水平十分吻合（Pearson r：0.83），表明基于E-cad-GVs/N-cad-GVs的超声分子成像可用于评估肿瘤EMT变化（图2）。最后，研究团队进一步分析了肿瘤EMT变化的成像结果与肿瘤转移情况相关性，进一步评估了基于E-cad-GVs/N-cad-GVs的超声分子成像评估肿瘤转移潜力的可行性（图3）。
　　该工作获得了国家科技部重点研发计划项目、国家自然科学基金面上项目、深圳市科创委以及深圳合成生物学创新研究院等项目的支持。
　　
　　图1. E-cad-GVs/N-cad-GVs探针与不同EMT状态肿瘤细胞的黏附效果
　　
　　图2. E-cad-GVs/N-cad-GVs探针成像早期和晚期肿瘤EMT状态的结果
　　
　　
　　图3. 超声分子成像信号及免疫组化信号与肿瘤肺转移结节的相关性分析
　　
　　

2023-03-20

广州地化所：南海“海马”冷泉区自生锰微结核的矿物学特征及其对冷泉系统锰地球化学的指示

　　海底冷泉（Cold Seeps）是一种来自海底沉积界面以下，以水、甲烷或其他碳氢化合物为主要组分的低温流体，是海洋物质和元素循环的重要途径。冷泉逸出的甲烷90%以上由硫酸盐还原和甲烷缺氧氧化（Anaerobic Oxidation of Methane, AOM）作用消耗。一般认为，SO42-是AOM的主要电子受体。但有研究提出，锰（Mn）有可能参与了AOM，并为化能微生物提供高于SO42-的能量，但该过程尚未在冷泉系统中实际观察到。另一方面，锰的自生矿物广泛分布于海洋各种沉积环境中，在海底累积形成多金属结核和富钴结壳等资源，部分以铁锰微结核的形式存在，近年来广受关注。已有研究发现，冷泉系统中存在富锰沉积层和菱锰矿等自生锰矿物，但缺乏关于现代活动冷泉中自生锰微结核的研究。
　　本研究团队从南中国海（SCS）的活跃“海马”冷泉区采集到了富锰沉积物，从中提取到锰微结核并开展了矿物学和地球化学分析。研究结果表明，冷泉区的自生微结核粒径较小（大部分颗粒直径小于100μm），主要呈不规则状或近球形，表面粗糙多孔（图1）。物相主要为弱结晶的7？-和10？-层状锰酸盐矿物（图2）。
　　图1 “海马”冷泉区锰微结核样品形貌以及微生物矿化与化学沉淀产物结构特征
　　图2 “海马”冷泉区锰微结核样品中7？和10？层状锰酸盐矿物结构特征
　　相较于其它普通沉积环境中发现的铁锰微结核，“海马”冷泉区的锰微结核样品中富含Mn而相对亏损Fe、Co、Ni、Cu和稀土。该锰微结核中具有微生物矿化结构和化学沉淀特征（图1），剖面结构较均一，无明显层状结构。依据Co年代学计算方法，基于其Co、Fe、Mn含量计算发现，该微结核的生长速率异常高（平均达～8267mm/Myr），说明锰微结核的物质来源可能是深部富金属冷泉流体，而锰微结核很可能形成自生物矿化和化学沉淀共同作用下的快速沉淀过程。基于以上分析，本研究团队提出了锰在活跃冷泉环境下的运移模式：在缺氧/还原环境的AOM过程中，沉积物中的Mn(IV) 可以被还原活化为Mn(II)，并释放到孔隙水中；Mn(II)将向上扩散，在氧化环境中重新氧化并沉淀形成锰微结核（示意图见图3）。
　　图3 活跃冷泉区锰迁移过程示意图
　　该南海“海马”冷泉区自生微结核的发现，指示了现代活跃冷泉区中锰细菌的活动，支持了其中依赖Mn的AOM作用发生的可能性，从而加深了对冷泉系统中锰的地球化学的认识。
　　该研究成果已在线发表于国际期刊Journal of Geophysical Research：Oceans。论文第一作者为中科院广州地球化学研究所博士生张欢，通讯作者为袁鹏教授（中国科学院广州地球化学研究所/广东工业大学）和自然资源部第二海洋研究所董彦辉副研究员。该研究受到国家高层次人才计划项目、国家自然科学基金项目等的资助。
　　论文信息：Huan Zhang(张欢), Junming Zhou(周军明), Peng Yuan(袁鹏)*, Yanhui Dong(董彦辉)*, Wenxiao Fan(樊文枭), Xing Yu(余星), Jianggu Lu(鲁江姑), 2023. Implication from mineralogical and geochemical characteristics of authigenic micronodules in the Haima cold seeps for understanding the manganese geochemistry in active seepage, Journal of Geophysical Research: Oceans, https://doi.org/10.1029/2022JC019194
　　论文链接
　　（中国科学院矿物学与成矿学重点实验室供稿）
　　

2023-03-20

广州地化所在贫锡型多金属矿床中铟的富集机制研究方面取得重要进展

　　铟是一种重要的战略性关键矿产资源，在许多新兴高科技产业中都有着不可替代的作用。纵观全球范围，重要的铟矿床多伴生于岩浆热液型锡多金属矿床。中国作为铟资源大国，大部分的铟资源也都产自华南的锡多金属矿床。长期以来，这些富铟的锡多金属矿床被认为是研究铟成矿作用的理想案例。然而，近年来的研究发现，一些贫锡的岩浆热液矿床中也有铟的富集，甚至达到中型-大型规模。但是，有关铟在贫锡矿床中富集机制的研究还非常少。因此，查明贫锡的多金属矿床中铟的赋存状态、富集机制，对全面理解铟成矿作用和资源的开发利用都具有重要意义。
　　针对“贫锡矿床中铟的富集机制”这一科学问题，中国科学院广州地球化学研究所博士生陈程及其导师赵太平研究员等，以华北克拉通南缘、与晚中生代花岗岩有关的赤土店铅锌银矿为研究对象，利用微区分析技术对赤土店矿床中铟的主要载体——闪锌矿开展了详细的研究，取得了以下重要认识：
　　1. 赤土店矿区的闪锌矿富集Fe、Mn、In，贫Ge、Ga，平均Zn/Cd为219.5，指示这些闪锌矿形成于与岩浆热液有关的中高温环境。其中，In在赤土店矿床中主要以微量元素的形式赋存于闪锌矿中，其在闪锌矿中的替代机制为In3+ + Cu+？2Zn2+。
　　2. 传统的观点认为，温度是控制铟在矿床中发生富集的重要因素，通常高温矿体相对富铟，低温矿体相对贫铟。但是，在赤土店矿床中，远离成矿岩体的低温矿体在变形部位也具有高的铟含量，暗示铟的富集还受控于其他因素。
　　3. 对这类变形矿体中的硫化物开展的显微观察表明，产自矿体变形部位的硫化物多发生碎裂，暗示这些矿物遭受了应力破坏（图1a-e）。其中，矿体变形部位的闪锌矿明显分为两期，早期有环带结构的闪锌矿在被构造-流体改造后，又被晚期的闪锌矿胶结（图1f-k）。元素面扫描分析显示，赋存在早期闪锌矿中的铟（及其他微量元素）发生了活化、迁移，并向晚期的闪锌矿中再次富集（图2-3），从而导致矿脉变形部位的铟含量显著提高。
　　因此，对于贫锡的赤土店矿床，后期构造-流体对原生硫化物矿体的改造是导致铟在该矿床中富集的重要因素之一（图4）。
　　图1 赤土店矿床矿体变形部位硫化物显微结构
　　图2 矿体变形部位闪锌矿LA-ICP-MS面扫描分析结果
　　图3 矿体变形部位闪锌矿EMPA面扫描分析结果
　　图4 构造-流体改造过程中铟的富集模式图
　　本文得到国家自然科学基金委“战略性关键金属超常富集成矿动力学”重大研究计划培育项目（项目编号：92062102）和国家自然科学基金委重点项目（项目编号：42230807）的资助。相关成果近期发表在国际矿床学期刊《Ore Geology Reviews》上。
　　论文信息：Chen, Cheng（陈程）; Meng, Lei（孟雷）; Xu, Jing（徐净）; Zhan, Qiang（詹强）; Zhao, Taiping（赵太平）*. 2022. Texture and geochemistry of sphalerite from the Chitudian Pb-Zn-Ag deposit, southern "TEXT-ALIGN: justify">论文链接
　　

2023-03-17

利用蚀变洋壳绿帘石脉约束海底热液循环过程

中科院深海所田丽艳研究员（通讯作者）、自然资源部第二海洋研究所丁巍伟研究员（共同通讯作者）及团队利用国际大洋发现计划（IODP）368航次在南海初始洋壳区钻探的U1502B钻孔（图1）蚀变玄武岩，首次开展了绿帘石脉的矿物学和原位地球化学研究，约束了南海海底扩张初期海底热液循环系统的蚀变流体类型和化学组成、绿帘石生长环境特征等信息。
　　海底热液循环可以改变海水和洋壳的化学组成，也会影响洋壳的增生和冷却过程，对于理解岩石圈-水圈的物质和能量循环具有重要意义。作为中-高温热液活动的产物，绿帘石对于沉积热力学环境变化尤为敏感，是探究岩石圈热液循环系统的极佳示踪对象。由于受到温度、水-岩比值等条件约束，洋壳中热液绿帘石脉通常会出现在较深位置（例如在ODP504B钻孔中，绿帘石脉出现在沉积物/基岩界面以下900米），取样难度极大，目前关于热液绿帘石的认知大多来自于陆上蛇绿岩，缺少原位大洋玄武岩中绿帘石的详细研究，极大限制了对海底热液循环系统的认知。
　　中科院深海所田丽艳研究员（通讯作者）、自然资源部第二海洋研究所丁巍伟研究员（共同通讯作者）及团队利用国际大洋发现计划（IODP）368航次在南海初始洋壳区钻探的U1502B钻孔（图1）蚀变玄武岩，首次开展了绿帘石脉的矿物学和原位地球化学研究，约束了南海海底扩张初期海底热液循环系统的蚀变流体类型和化学组成、绿帘石生长环境特征等信息。
　　图1 IODP 368航次U1502站位位置图
　　本研究发现U1502B钻孔蚀变玄武岩中出现的绿帘石脉破碎严重，具有再胶结现象和环带结构，表明在绿帘石脉形成时，钻孔附近区域构造运动活跃。根据绿帘石的稀土元素和原位Sr同位素组成特征（图2），可以推测U1502B钻孔热液系统的循环流体包括三种类型：（1）改性海水（具有负Ce异常，87Sr/86Sr = ~0.708）；（2）高温热液（具有正Eu异常，87Sr/86Sr = ~0.706）；（3）岩浆流体（具有负Eu异常，87Sr/86Sr = ~0.704），且以高温热液流体为主。
　　图2 U1502B钻孔热液系统中三种循环流体的地球化学特征
　　此外，单个绿帘石颗粒的元素含量和87Sr/86Sr比值变化（图3）表明在其生长过程中，残余高温热液流体的演化或者后期岩浆流体的补给造成了不同类型蚀变流体之间的混合，形成了绿帘石复杂的稀土分布模式。
　　图3 单个绿帘石颗粒生长过程中的地球化学特征变化图
　　通过绿帘石脉的岩相学和地球化学特征，结合区域地质背景，本研究认为U1502B钻孔基岩绿帘石脉的形成可能与南海的初始扩张相关。与典型的洋中脊热液系统不同，U1502B钻孔的热液系统以侵入岩墙作为热源，以海底扩张初期在初始洋壳形成的正断层作为流体迁移通道；在侵入岩墙的加热下，高温热液、岩浆流体与改性海水混合上涌在洋壳浅部的热液释放区形成绿帘石脉（图4）。该项工作弥补了利用陆地非原位体系绿帘石示踪热液循环系统的不足；同时也证明了洋壳绿帘石化现象不仅限于洋中脊热液系统，也可以发生在与海底扩张初期拉张活动相关的热液活动中，完善了对于海底热液循环系统的认知。
　　图4 U1502B钻孔热液系统模式图
　　这一研究成果近期在国际地学期刊Lithos在线发表，论文第一作者为中国科学院深海科学与工程研究所硕士研究生陈凌轩，合作者包括来自自然资源部第二海洋研究所、澳大利亚科学与工业研究组织（CSIRO）、中国地质大学（北京）和浙江大学的研究人员。该项工作得到了国家自然科学基金（41876044，42025601）、海南省重点研发计划科技合作方向项目（GHYF2022009）、海南省自然科学基金（421RC594）等多个科研项目的资助。
　　论文信息：Chen, L., L. Tian*, S.-Y. Hu, X. Gong, Y. Dong, J. Gao, W. Ding*, T. Wu, and H. Liu (2023), Seafloor hydrothermal circulation at a rifted margin of the South China Sea: insights from basement epidote veins in IODP Hole U1502B, Lithos, 444-445, 107102, https://doi.org/10.1016/j.lithos.2023.107102.
　　

2023-03-16

单细胞转录组数据揭示脑皮层细胞类型在鲸类与人类之间高度保守

近日，中国科学院深海科学与工程研究所联合青岛华大基因研究院等科研团队，在Molecular Ecology Resources上发表了以A genome and single-nucleus cerebral cortex transcriptome atlas of the short-finned pilot whale Globicephala macrorhynchus为题的研究论文。
　　从距今约5550万年前的陆地到如今海洋生境的转变对于鲸类而言无疑重塑了大脑，鲸类大脑集早期哺乳动物的保守特征与独有衍生特征于一身。鲸脑内各个细胞类型高效协同工作以维持其独特的认知、运动、听觉及视觉感知等过程。细胞水平的转录组学可以系统地表征脑内细胞的多样性，实现神经科学研究范式由重视细胞解剖向细胞类型分子分类进行过渡。近日，中国科学院深海科学与工程研究所联合青岛华大基因研究院等科研团队，在Molecular Ecology Resources上发表了以A genome and single-nucleus cerebral cortex transcriptome atlas of the short-finned pilot whale Globicephala macrorhynchus为题的研究论文。
　　该研究获得短肢领航鲸首个公开可用的染色体水平基因组资源（图1a），为加深对短肢领航鲸演化和比较基因组学的认知奠定了基础，并为成功获得鲸类脑皮层单核转录组数据提供了可能。该研究进而利用单核转录组测序技术（single-nuclei RNA sequencing，snRNA-Seq）分析了短肢领航鲸脑皮层五个功能区，揭示了短肢领航鲸脑皮层的细胞多样性（图1b）。该研究定义了鲸类六种主要皮层细胞类型，分别为兴奋性神经元、抑制性神经元、少突胶质细胞、少突胶质前体细胞、星形胶质细胞、内皮细胞，并进一步将神经元划分为8个兴奋性神经元亚群及4个抑制性神经元亚群。这些数据揭示了高分辨率的细胞类型，与之前对短肢领航鲸神经解剖学的发现相呼应，从而为了解鲸脑分子和细胞网络的形成提供了基础数据。鲸类与灵长类动物大约在9000-9500万年前从共同祖先分开，鉴于大脑结构和功能存在明显的相似性与差异性，将鲸类与灵长类动物并列加以比较具有重要意义。因而在上述工作基础上，该研究将短肢领航鲸与灵长类物种人、猕猴（Rhesus macaque, Macaca mulatta）的单核转录组测序数据进行整合，发现三个物种脑皮层细胞类型具有高度的相似性与保守性（图1c-d）。
　　收集保存新鲜鲸类大脑这类罕见大型标本非常来之不易，导致鲸类大脑的转录组分析研究极具挑战。本研究成功构建出一个较为完整的短肢领航鲸脑皮层单核转录组图谱实属不易，对于进一步深刻理解鲸类大脑演化及其分子机制提供了科学基础。
　　图1(a) 短肢领航鲸染色体圈图；(b) 脑皮层细胞类型的UMAP图；(c) 短肢领航鲸、人类和猕猴皮层细胞的UMAP图；(d) 显示短肢领航鲸（左）、猕猴（中）、人（右）皮层细胞类型之间连通性的桑基图
　　论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/1755-0998.13775
　　

2023-03-16

深圳先进院王立平团队首次阐明摄食全过程的序列性神经调控机制

这项研究加深了人们对摄食行为和摄食过程中神经调控机制的认识，将为摄食障碍相关疾病的治疗提供新的理论基础。
　　自然环境变幻莫测，自然界中的动物即使在摄食过程中也需要时刻关注环境中的各种线索，这样一方面有助于及时发现危险，另一方面也有利于获取更多资源。由于缺乏细致分析动物多种自发行为的手段，长期以来研究者们主要用摄食量这一指标来评价动物的摄食行为。当前的研究将摄食行为简化为三个阶段：饥饿-寻找食物、摄入食物、饱食-停止摄食[2]。目前已发现数十个脑区的多种神经元参与摄食行为不同阶段的神经调控[2-5]，然而，关于这些神经元如何平衡动物的各种动机并调控各种自发行为，人们还知之甚少。
　　3月15日，中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所王立平团队在Neuron 杂志在线发表了题为“An iterative neural processing sequence orchestrates feeding” 的研究论文[1]，详细描述了小鼠摄食行为与非摄食行为交替出现的片段化摄食行为特征，并揭示了多群神经元依次调控每次摄食行为的准备、发起和维持的神经机制。
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　　王立平团队利用深度学习算法辅助的行为跟踪与记录系统，对小鼠摄入食物这一阶段中的自发行为进行了细致研究。通过深度学习算法识别单帧录像中小鼠的动作，总共识别出14种特征动作，并通过聚类算法将这些动作划分为8种有意义的行为，进而将这些行为分为摄食、行走和探索环境等三类，并将小鼠在摄入食物这一阶段的自发行为描述为“靠近食物、摄食、离开食物、探索环境”等一系列行为的循环。
　　研究者们通过分析不同自发行为过程中的神经元钙反应发现，ARCAgRP神经元在小鼠饥饿，环境中有食物，但小鼠在探索环境而没有去吃的情况下被激活，在靠近食物和摄食过程中被抑制；LHGABA神经元在小鼠发起摄食行为的时候被激活，激活时间与摄食行为持续时间无关；而DRGABA神经元在摄食过程中持续激活，激活时间与摄食时间成强烈的正相关关系，同时这些神经元在小鼠离开食物探索环境时被抑制。
　　进一步，研究者们利用光遗传方法验证了ARCAgRP，LHGABA和DRGABA神经元在小鼠片段化摄食行为中的功能。抑制ARCAgRP神经元会使饥饿小鼠表现出更多的探索环境行为并减少摄食行为，而激活这些神经元，在有食物的情况下会减少探索环境行为而增加摄食行为，但在只有塑料假食物存在的情况下并不影响探索环境行为。先前的研究表明，ARCAgRP神经元编码负性价值[6]。由此推测，ARCAgRP神经元的功能是，在饥饿情况下对正在进行的与摄食无关的行为进行限制，由此可以使摄食相关动机占据主导地位，从而帮助发起摄食行为。激活LHGABA神经元会使小鼠表现出强烈的啃咬行为，而抑制这些神经元会导致饥饿的小鼠无法啃咬食物。由此推测，LHGABA神经元介导了摄食行为的发起。激活DRGABA神经元会显著延长小鼠的摄食行为，而抑制这些神经元会显著缩短摄食行为，由此推测，DRGABA神经元参与调控摄食行为的维持。
　　因此，ARCAgRP，LHGABA和DRGABA神经元分别调控片段化摄食行为的准备、发起和维持。
　　与小鼠类似，人类也存在片段化摄食的现象，在摄食过程中并不会一直关注食物，而是会不断关注周围环境。集中时间吃饭是社会化训练的结果，幼童会一边吃饭一边玩耍，而成人通常在吃饭的同时进行社交活动。这项研究加深了人们对摄食行为和摄食过程中神经调控机制的认识，将为摄食障碍相关疾病的治疗提供新的理论基础。
　　本研究建立的行为精细分析方法也适用于各种其他本能行为的研究。动物的各种本能行为都包含多种动机相互竞争，行为发起、维持以及被其他动机所干扰而中断等过程，在这个过程中也会涉及多群神经元的分工合作。外界环境和动物的内在状态会对各群神经元的反应模式进行动态调控，从而实现对动物行为的调控，使得动物可以适应环境，生存繁衍。本研究为解析多种本能行为各阶段的精细神经调控机制打下了基础，为深入理解动物在自然选择中形成的本能行为策略的神经计算机制提供了理论框架，将为通用人工智能的发展提供更多的理论依据。
　　深圳先进院王立平研究员为该论文的通讯作者，助理研究员刘清晴、高级工程师杨星和先进院与港城大联合培养博士生罗墨轩为论文的共同第一作者。港城大Rosa Chan副教授等人也参与了本项工作。论文还得到了新加坡科技研究局（A*STAR）傅玉教授等人的宝贵意见，并获得国家自然科学基金委，广东省重点领域研发计划等项目的资助。
　　利用深度学习辅助的行为分析系统解析小鼠的片段化进食行为
　　摄食片段的准备、发起与维持分别由ARCAgRP，LHGABA和DRGABA神经元调控
　　参考文献
　　1. Liu, Q., Yang, X., Luo, M., Su, J., Zhong, J., Li, X., Chan, R.H.M., and Wang, L. (2023). An iterative neural processing sequence orchestrates feeding. Neuron 1–15
　　2. Alcantara, I.C., Tapia, A.P.M., Aponte, Y., and Krashes, M.J. (2022). Acts of appetite: neural circuits governing the appetitive, consummatory, and terminating phases of feeding. Nat. Metab. 4, 836–847. 10.1038/s42255-022-00611-y.
　　3. Duerrschmid, C., He, Y., Wang, C., Li, C., Bournat, J.C., Romere, C., Saha, P.K., Lee, M.E., Phillips, K.J., Jain, M., et al. (2017). Asprosin is a centrally acting orexigenic hormone. Nat. Med. 23, 1444–1453. 10.1038/nm.4432.
　　4. Li, Y., Zhong, W., Wang, D., Feng, Q., Liu, Z., Zhou, J., Jia, C., Hu, F., Zeng, J., Guo, Q., et al. (2016). Serotonin neurons in the dorsal raphe nucleus encode reward signals. Nat. Commun. 7. 10.1038/ncomms10503.
　　5. Li, Y., Zeng, J., Zhang, J., Yue, C., Zhong, W., Liu, Z., Feng, Q., and Luo, M. (2018). Hypothalamic Circuits for Predation and Evasion. Neuron 97, 911-924.e5. 10.1016/j.neuron.2018.01.005.
　　6. Betley, J.N., Xu, S., Cao, Z.F.H., Gong, R., Magnus, C.J., Yu, Y., and Sternson, S.M. (2015). Neurons for hunger and thirst transmit a negative-valence teaching signal. Nature 521, 180–185. 10.1038/nature14416.
　　

2023-03-16

深圳先进院等揭示膜孔通道膜蛋白Panx2的三维精细结构和激活机理

该工作揭示了Pannexin 2 (Panx2) ATP膜孔通道膜蛋白质的分子机理
　　近日，中国科学院深圳先进技术研究院袁曙光团队与南方科技大学张华威团队合作，在Nature communications 杂志(IF=17.7)在线发表了题为“Cryo-EM structure of human heptameric pannexin 2 channel”的文章，揭示了Pannexin 2 (Panx2) ATP膜孔通道膜蛋白质的分子机理[1]。
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　　ATP膜孔通道膜蛋白在人体和细胞生理过程中发挥着重要的生理功能，包括免疫调节、能量产生和癌症等。ATP膜孔通道膜蛋白的功能异常，则会导致缺血性脑梗塞、神经胶质瘤、多形性恶性胶质瘤等严重后果。以脑胶质瘤为例，高水平Panx2的患者总生存时间比低水平的患者长，这提示Panx2可能在胶质瘤早期具有抑瘤效果[3]。　
　　Pannexins蛋白质家族包含Panx1、Panx2和Panx3三个成员，可以形成大孔非选择性膜通道，在细胞通讯和稳态中发挥重要作用。Panx2蛋白质是Pannexins家族中氨基酸序列最大的成员，主要在中枢神经系统中表达[2]。团队通过冷冻电镜解析了Panx2膜蛋白的高分辨率结构（图1），发现Panx2是四次跨膜蛋白，七个单体蛋白聚集到一起形成跨膜孔道。通过比较Panx2与Panx1的结构差异（图2），团队推测Panx2可能是ATP进出细胞的通道。　
　　团队随后通过ATP扩散实验和分子动力学模拟来验证上述假设。在ATP扩散实验中，团队发现Panx2-NT-R89A比野生型Panx2在通过ATP的效率方面有显著提升，这说明R89氨基酸是ATP通过Panx2的主要门控因素。此外，分子动力学模拟显示Pnax2蛋白的R89氨基酸侧链会灵活摆动，同时此处的通道孔径也随侧链摆动而变大，这有利于ATP的扩散（图3）。
　　图1.Panx2通道的结构。
　　图2.比较Panx2与Panx1的蛋白质结构。
　　
　　图3.R89门控Panx2通道蛋白。
　　本工作系统阐述了膜孔通道膜蛋白Panx2的三维精细结构和激活机理。为脑瘤药物设计奠定了重要的理论基础与指导。
　　
　　
　　参考文献
　　1. Zhang, H., Wang, S., Zhang, Z. et al. Cryo-EM structure of human heptameric pannexin 2 channel. Nat Commun 14, 1118 (2023).
　　2. Shestopalov, V. I. & Panchin, Y. Pannexins and gap junction protein diversity. Cell. Mol. Life Sci. 65, 376–94 (2008).
　　3. Lai, C., Bechberger, J. & Naus, C. Pannexin2 as a novel growth regulator in C6 glioma cells. Oncogene 28, 4402–4408 (2009).
　　

2023-03-13