科研进展--中国科学院广州分院

近日，中国科学院广州生物医药与健康研究院王杰课题组开发了新的计算工具CACIMAR（Cross-species Analysis of Cell Identities, Markers, Regulations），用于分析跨物种单细胞转录组测序数据（scRNA-seq），揭示物种间细胞类型、标志基因、细胞内调控以及细胞间相互作用的进化保守性。近日，中国科学院广州生物医药与健康研究院王杰课题组开发了新的计算工具CACIMAR（Cross-species Analysis of Cell Identities,Markers,Regulations），用于分析跨物种单细胞转录组测序数据（scRNA-seq），揭示物种间细胞类型、标志基因、细胞内调控以及细胞间相互作用的进化保守性。相关成果以“CACIMAR: cross-species analysis of cell identities,markers,regulations,and interactions using single-cell RNA sequencing data”为题目发表在学术期刊Briefings in Bioinformatics上。物种不仅在基因层面，也在细胞类型、基因表达、基因调控、细胞间相互作用等方面显示出进化保守性。单细胞转录组测序技术已广泛用于不同物种的单细胞表达研究，为在细胞类型水平研究物种的进化保守性提供了新机会。已有的算法能通过分析跨物种单细胞转录组数据识别进化保守的细胞类型，如Seurat和SAMap等。但是，这些方法主要通过跨物种的单细胞聚类确定保守细胞类型，其准确性在很大程度上取决于跨物种批次效应校正的能力。这些软件对进化距离较远物种进行聚类分析，仍存在明显不足。此外，目前仍没有方法能确定细胞间相互作用的进化保守性。针对以上问题，我院王杰课题组开发了新的R软件包CACIMAR，用于分析跨物种的单细胞转录组数据。CACIMAR的保守性分析主要包含三个步骤（图1）。第一步，CACIMAR基于每个物种内的单细胞聚类结果确定每个物种的细胞类型、标志基因、细胞内调控和细胞间相互作用。该策略不用进行跨物种的单细胞聚类，有效避免了跨物种的批次效应。第二步，基于标志基因的统计值（statistical power）和物种同源性（homolog），CACIMAR计算细胞类型的保守性分值。此外，CACIMAR还建立了特征加权和的模型（weighted sum model），分别计算细胞内调控网络的保守性分值和细胞间相互作用的保守性分值。最后一步，基于计算的不同保守性分值分别确定跨物种保守或特异的细胞类型、细胞内调控和细胞间相互作用。该研究将CACIMAR应用于小鼠、斑马鱼和小鸡的视网膜损伤再生的公共单细胞转录组数据中，有效地确定了小鼠、斑马鱼和小鸡视网膜中保守的细胞类型、标志基因、细胞内调控和细胞间相互作用。总体上，CACIMAR提供了一种新的算法，能克服现有跨物种单细胞转录组数据分析的挑战，特别是在识别跨物种保守和特异的细胞类型、基因调控以及细胞间相互作用方面。通过该算法，研究人员能深入地分析不同物种的细胞和分子水平的进化保守性，为理解物种进化的机制提供了新的视角。广州健康院的王杰研究员和徐雪丽助理研究员为本论文的共同通讯作者，蒋俊尧和李金连为论文的共同第一作者。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省自然科学基金等项目的资助。论文链接图1 CACIMAR进行跨物种单细胞转录组数据分析示意图

2024-07-02

姚红杰课题组揭示染色质结构蛋白CTCF-R567W点突变导致神经发育障碍的分子机制

2024年7月1日，姚红杰研究团队在Nature communications（《自然通讯》）期刊上发表了题为CTCF mutation at R567 causes developmental disorders via 3D genome rearrangement and abnormal neurodevelopment的研究论文。真核生物的基因组DNA以复杂而有序的层级结构折叠于细胞核中，包括：远距离染色质环、拓扑相关结构域（TAD）、染色质区室和染色质疆域等。这些染色质高级结构的动态变化与细胞命运决定以及疾病的发生发展密切相关。CCCTC结合因子（简称CTCF）最初被报道作为绝缘子结合蛋白发挥作用。另外，CTCF作为染色质架构蛋白在调节染色质高级结构中同样发挥重要的功能。姚红杰课题组前期在CTCF的分子生物学功能研究方面取得了一系列进展，包括筛选CTCF的共定位因子、鉴定CTCF可变剪切体并解析其分子细胞功能、CTCF调控染色质绝缘和染色质开放协同调控体细胞重编程为诱导多能干细胞等。此外，临床研究发现CTCF基因突变与多种发育障碍疾病相关，如智力发育迟缓、自闭症谱系障碍和先天性心脏病等。CTCF精氨酸567突变为色氨酸（R567W）的临床表现为智力障碍、喂养困难，并伴随自闭症样等特征。然而，CTCF R567W突变导致这些复杂发育异常的分子机制仍不清楚。2024年7月1日，姚红杰研究团队在Nature communications（《自然通讯》）期刊上发表了题为CTCF mutation at R567 causes developmental disorders via 3D genome rearrangement and abnormal neurodevelopment的研究论文。该研究综合运用小鼠模型和人源类器官模型，揭示了染色质架构蛋白CTCF的R567W点突变通过调控CTCF在染色质上的结合和局部三维基因组结构，进而导致神经发育障碍的分子机制。这一发现为理解CTCF突变导致临床发育疾病提供了重要见解。研究团队首先在小鼠模型中引入CTCF-R567W点突变，以模拟其对发育的影响。结果显示，CTCF-R567W杂合突变小鼠除了幼年时期的瘦小表型外，与野生型小鼠相比没有明显异常，未能很好地模拟临床杂合病例的神经发育障碍行为表型；而携带纯合CTCF-R567W突变的小鼠在出生30分钟内死亡，并表现出大脑、心肺组织的发育异常。研究团队对纯合突变小鼠进行深入研究，发现纯合突变导致神经发育和突触通路紊乱，并揭示纯合突变导致神经祖细胞和放射状胶质细胞等干性细胞过早耗竭，而抑制性GABA能神经元加速发育。研究团队同时将CTCF-R567W突变引入人胚胎干细胞（hESCs）中，并构建了大脑皮质类器官模型。研究人员发现携带杂合突变的类器官在分化早期表现出神经祖细胞减少和GABA能神经元增加，具有与小鼠模型类似的神经发育失衡现象。这一发现与近期在多个自闭症风险基因的皮质类器官研究中的报道结果相一致，表明CTCF突变可能与自闭症风险因子通过共享的细胞发育通路诱发神经发育障碍。在分子机制层面上，该研究团队发现CTCF-R567W突变减弱了CTCF在染色质上部分位点的结合（尤其是在具有上游结合基序特征的位点）。这种结合减弱进一步导致了局部染色质结构重组（特别是在对神经元身份识别和神经回路组装至关重要的成簇原钙黏蛋白（cPcdh）基因座）。该基因座由Pcdhα、Pcdhβ和Pcdhγ三个基因簇构成。CTCF-R567W突变主要导致Pcdhβ基因簇多个基因启动子上的CTCF结合减弱，并通过降低远距离启动子与增强子相互作用进而改变了cPcdh基因座的染色质高级结构，使该基因座TAD结构发生分裂，同时伴随着Pcdhβ基因的全局性表达下调，而这些基因的表达异常与神经发育及功能受损密切相关。该研究阐明了CTCF-R567W突变的作用机制，揭示了CTCF-R567W突变与人类神经发育障碍之间的联系，对理解CTCF突变调节发育障碍的发病机制具有重要意义，并为进一步探索基于三维染色质结构调控的干预方法奠定了基础。中国科学院广州生物医药与健康研究院为该论文第一完成单位。广州国家实验室姚红杰研究员为该论文通讯作者。中国科学院广州生物医药与健康研究院博士后章杰博士、广州实验室副研究员胡功成博士、中国科学院广州生物医药与健康研究院博士生卢玉丽和山西农业大学博士生任华伟为该论文共同第一作者。该研究工作得到了来自广州国家实验室苗智超研究员、张炜研究员、马宁研究员、刘会生研究员，暨南大学曲宜波教授，安徽医科大学王华教授和张玲玲教授，中国科学院广州生物医药与健康研究院潘光锦研究员以及山西农业大学王海东教授的大力帮助。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。论文链接揭示染色质结构蛋白CTCF-R567W点突变导致神经发育障碍的分子机制

2024-07-02

National Science Review | 马晴/徐锦团队非编码突变引起干细胞性别转换，扰乱体细胞-生殖细胞间通讯稳态

该研究在单细胞水平解析了“性别开关”Chinmo的非编码突变导致的果蝇精巢体干细胞雌性化的分子特征，揭示了体细胞-生殖细胞间通讯异常导致生殖细胞性别紊乱和肿瘤化的信号传导机制。该研究强调了干细胞性别不稳定性作为导致生殖系统肿瘤发生的新机制的潜在重要性，并为理解肿瘤发生和不孕症背后的复杂机制提供了新见解。很多疾病的发生发展呈现性别偏好性（Sex bias），但机制尚不清楚，前期研究表明干细胞的性别维持和紊乱可能是疾病性别偏好的新机制。干细胞如何协调胞内外信号以维持性别特征从而保持组织稳态是关键问题。尽管目前对性别决定机制以及胚胎发育期间体细胞的性别对生殖细胞的影响已有广泛报道，但成年期干细胞性别身份维持的分子机制以及体细胞与生殖细胞之间的相关信号在很大程度上仍未被探索。2024年6月22日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所、深圳合成生物学创新研究院马晴课题组和中山大学生命科学院徐锦课题组在National Science Review杂志在线发表了题为Soma-Germline Communication Drives Sex Maintenance in the Drosophila Testis的最新研究成果。文章上线截图，链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwae215 该研究利用果蝇精巢干细胞性别转变导致的雄性特异的生殖系统肿瘤模型，联合应用scRNA-Seq和CUT&Tag技术表明了成年果蝇体干细胞（Somatic cyst stem cells,CySCs）的性别维持（Sex maintenance）通过Chinmo蛋白的非编码突变介导的保守性别决定信号通路（Sex determination pathway）和胰岛素信号通路（Insulin signaling pathway）调控。该研究在单细胞水平解析了“性别开关”Chinmo的非编码突变导致的果蝇精巢体干细胞雌性化的分子特征，揭示了体细胞-生殖细胞间通讯异常导致生殖细胞性别紊乱和肿瘤化的信号传导机制。该研究强调了干细胞性别不稳定性作为导致生殖系统肿瘤发生的新机制的潜在重要性，并为理解肿瘤发生和不孕症背后的复杂机制提供了新见解。图1："性别开关"Chinmo受JAK-STAT信号通路的调控，直接作用于雄性性别决定因子DsxM（果蝇中与哺乳动物性别决定因子DMRT1同源的基因）和胰岛素信号通路因子，以维持CySC谱系的雄性身份并促进正常的精子发生。在许多生物中，细胞性别身份在胚胎发育期间就已建立且在过去认为其性别是不可改变的，但最近的研究发现成年性腺中体干细胞的性别也可以发生转变，这表明体细胞的性别身份在成年期或出生后是需要维持的。那么成年期的（干）细胞是如何维持其性别身份，以及体细胞与生殖细胞之间是如何相互作用以维持正常的配子发生呢？作者前期报道了一种果蝇精巢突变表型，其体干细胞在成年期发生性别转变，为研究体细胞的性别维持以及体细胞-生殖细胞间通讯提供了一个合适的模型。作者前期发现JAK-STAT信号通路的关键效应因子和“性别开关”Chronologically inappropriate morphogenesis (Chinmo)的非编码突变（chinmoSex Transformation,chinmoST）诱导了CySCs的性别逆转进而导致雄性偏好的肿瘤发生。由于只有少量性别特异性体细胞标记物，无法全面解析随时序发生转分化的体干细胞的谱系轨迹以及不同体细胞和生殖细胞的分子特征。此外，Chinmo诱导的“性别转变”体干细胞与本应“雄性”的生殖细胞之间的信号通讯又是否发生了变化呢？图2：野生型精巢、chinmoST突变型精巢和野生型卵巢示意图，以及野生型和chinmoST突变型精巢染色图围绕上述问题，作者对成年果蝇的多个发育时段的精巢进行了单细胞RNA测序（scRNA-seq）来表征野生型和chinmoST突变精巢的转录组图谱。作者鉴定了chinmoST特有的细胞群体，并检测到了与表型相对应的转录组变化。通过比较分析野生型和chinmoST突变精巢之间的细胞间通讯网络（Cell-cell communication network），发现包括胰岛素信号通路在内的几个体细胞-生殖细胞间信号通路在chinmoST突变精巢中发生了紊乱，其中胰岛素信号通路从雌性化的CySCs到生殖细胞干细胞（GSCs）之间的信号传导显著增强。Chinmo CUT&Tag（Cleavage Under Targets and Tagmentation）检测分析揭示了Chinmo直接调控两个雄性性别决定因子，doublesex（dsx）和fruitless（fru），以及胰岛素信号通路的调控因子。进一步的果蝇遗传实验确认了在chinmoST突变精巢中观察到的配子发生障碍的部分原因是由于胰岛素通路信号的失调。总之，研究表明体细胞维持性别是通过Chinmo介导的保守性别决定通路和胰岛素信号通路共同促进了正常的配子发生。图3：成年果蝇精巢单细胞数据图，精巢细胞间的信号传导，以及Chinmo靶基因示例这一发现为体干细胞性别维持和单细胞水平上的体细胞-生殖细胞通讯的复杂机制提供了新的见解，为理解不孕症背后的复杂机制提供了新的视角，强调了干细胞性别维持的不稳定性与睾丸肿瘤发生、生育能力受损之间的直接联系。另外，作者前期还发现“性别开关”Chinmo能被一些非编码元件调节，在果蝇生殖干细胞中心行使调控干细胞性别和生殖系统肿瘤发生的功能，这也暗示着非编码调控在干细胞性别维持和性别偏好疾病发生过程中的重要作用。更为重要的是，许多疾病的发生发展具有明显的性别偏向性，如自身免疫疾病、神经系统疾病、心血管疾病、感染类疾病（包括新冠肺炎COVID-19），甚至多种癌症。传统的疾病治疗手段往往忽略了性别因素，有时会导致疾病治疗效果表现出性别差异性响应。全面解析干细胞性别维持的分子机制及其介导的细胞间相互作用有望为性别偏好的疾病防治提供新的靶点。中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所研究员马晴和中山大学生命科学院教授徐锦为本文的共同通讯作者。中国科学院深圳先进技术研究院助理研究员张睿，研究助理施佩瑜（原中山大学硕士研究生）为共同第一作者。本工作获得了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、广东省合成基因组学重点实验室、深圳市合成基因组学重点实验室等多个项目的经费支持。

2024-06-28

Cell Death & Disease丨陈宇/陈岳文团队发现神经核仁应激发生机制

研究团队发现一种新的核仁组分coronin 2B，参与调控核糖体DNA（rDNA）的转录以及核仁应激发生过程。细胞核的核仁是真核生物中核糖体生成的主要场所，核糖体是蛋白质合成的机器。核仁能够快速调整自身结构和功能，以调节细胞内核糖体的数量，从而满足不同生命活动对蛋白质合成的需求。近年来，越来越多的研究表明，核仁是一种能够快速响应外界环境变化的高敏感细胞器。在缺氧、饥饿、氧化应激、紫外辐射、热激等外界应激条件下，核仁会发生形态和功能的退化，并释放大量的核糖体蛋白。这些游离的核糖体蛋白会严重干扰一些细胞核内的信号转导途径，导致细胞周期阻滞、凋亡等应激反应。核仁功能紊乱也常见于许多神经退行性疾病中，如阿尔茨海默症（AD）、帕金森症（PD）、肌萎缩侧索硬化症（ALS）、前额叶痴呆（FTD）等。这些退行性疾病严重威胁到全球数十亿老龄人口的健康。然而，核仁应激如何通过分子机制造成神经细胞损伤，目前尚不完全清楚。文章上线截图6月27日，中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研所/深港脑科学创新研究院陈宇/陈岳文课题组在Cell Death & Disease上在线发表了题为“Coronin 2B deficiency induces nucleolar stress and neuronal apoptosis”的研究论文。研究团队发现一种新的核仁组分coronin 2B，参与调控核糖体DNA（rDNA）的转录以及核仁应激发生过程。在本项研究中，研究人员采用超分辨率单分子荧光显微成像技术，分析coronin 2B蛋白在神经元核仁中的定位情况，发现其主要富集在核仁的致密纤维组分（DFC），与调控rDNA转录的蛋白Upstream binding factor（UBF）共定位（图1）。图1. 超高分辨率显微成像分析coronin 2B与核仁不同组分的共定位情况随后，研究团队进一步发现coronin 2B能够通过与UBF结合来调控rDNA转录起始复合物的组装。在coronin 2B缺陷的情况下，UBF与rDNA转录起始复合物的组分以及rDNA启动子区域的结合能力明显减弱，阻碍了rDNA转录起始复合物的组装，进而抑制rDNA转录水平，引发神经元的核仁应激反应（图2）。图2. Coronin 2B结合于UBF，调控rDNA转录起始复合物的组装最后，研究人员发现，coronin 2B缺失引发的核仁应激反应，会抑制p53蛋白的降解，从而导致细胞核内p53的过过度积累与激活，启动细胞凋亡程序，引发神经元的死亡（图3）。图3. 敲减coronin 2B导致神经元内p53蛋白过渡积累与激活，启动细胞凋亡综上所述，本项研究发现了一种维持神经元存活的关键核仁组分coronin 2B,解析了其参与调控rDNA转录以及核仁应激发生的分子机理（图4），为探究神经系统核仁应激发生的分子机制及其引发神经退化的机理提供新的线索。本研究不仅增进了人们对rDNA转录调控机制的理解，也将有助于发展基于核仁应激调控的新型神经退行病变干预策略。图4. Coronin 2B调控神经元核仁应激反应的分子机制示意图中国科学院深圳先进技术研究院陈宇研究员、陈岳文副研究员为该论文的共同通讯作者，助理研究员吴红姣为论文第一作者。中国科学院深圳先进技术研究院为第一通讯单位。本研究受到国家自然科学基金委（NSFC）-香港RGC联合基金、广东省粤深联合基金团队项目以及深圳市科创委重点项目等研究计划的资助。

2024-07-02

红头羊新品种培育工作取得阶段性研究进展

6月27日，中国科学院A类先导专项创建生态草牧业科技体系在呼伦贝尔农垦集团呼伦贝尔羊种羊场召开了红头羊新品种群鉴定会，对由呼伦贝尔农垦集团与中国科学院等相关单位共同培育的红头羊新品种群进行评审鉴定。6月27日，中国科学院A类先导专项“创建生态草牧业科技体系”在呼伦贝尔农垦集团呼伦贝尔羊种羊场召开了红头羊新品种群鉴定会，对由呼伦贝尔农垦集团与中国科学院等相关单位共同培育的红头羊新品种群进行评审鉴定。呼伦贝尔农垦集团公司党委委员、董事牟春雨，集团公司畜牧林草部和哈达图农牧场公司有关负责同志及相关技术人员，内蒙古自治区农牧业技术推广中心农垦经济发展处有关领导，以及中国科学院亚热带农业生态所谭支良研究员和生态草牧业科技生态草牧业团队成员参加了鉴定会。会议邀请内蒙古农业大学教授、国家畜禽遗传资源委员会羊专业委员会委员张燕军，内蒙古自治区农牧业科学院研究员、国家肉羊产业技术体系首席科学家金海，内蒙古自治区农牧业科学院荣威恒研究员，华中农业大学教授、国家肉羊体系育种功能研究室主任姜勋平等5位专家组成鉴定专家组。中国科学院亚热带农业生态研究所贺志雄研究员代表项目团队，从八个方面对红头羊新品种群的育种技术工作进行了汇报。鉴定专家通过现场考察、查阅资料、听取汇报和质询，一致认为红头羊新品种群具备新品种培育的基础，并从提高生长性能和繁殖性能，扩大种群数量方面为后期的品种培育提出建议。红头羊新品种群是近年来呼伦贝尔农垦集团与中国科学院草牧业团队经多年连续培育形成的红头、体格大、外貌特征一致、生长发育快、生产性能好的新品种群，目前已组建形成存栏3000余只规模的群体。该新品种群的建立为呼伦贝尔肉羊良种繁育体系建设提供有力保障。现场鉴定技术汇报与专家质询

2024-07-01

广州健康院发现内涵体上GPCR-G蛋白信号转导的分子调控新机制

中国科学院广州生物医药与健康研究院研究团队揭示了分选转运蛋白SNX25通过氧化还原依赖的方式调控内涵体GPCR-G蛋白信号转导的分子机制。相关研究以“Redox-Modulated SNX25 as a Novel Regulator of GPCR-G Protein Signaling from Endosomes”为题在线发表于氧化还原领域权威期刊Redox Biology.中国科学院广州生物医药与健康研究院研究团队揭示了分选转运蛋白SNX25通过氧化还原依赖的方式调控内涵体GPCR-G蛋白信号转导的分子机制。相关研究以“Redox-Modulated SNX25 as a Novel Regulator of GPCR-G Protein Signaling from Endosomes”为题在线发表于氧化还原领域权威期刊Redox Biology.最近十几年来，越来越多的研究表明，GPCR与G蛋白偶联的信号转导不仅可以发生在细胞质膜上，也可以发生在细胞内的内涵体上。内涵体上GPCR-G信号转导与癌症、骨骼发育、神经兴奋和糖尿病等生理和病理过程密切相关。RGS蛋白(G蛋白信号转导调节因子)能激活Gα亚基的GTP水解酶活性，促进Gα亚基的失活，从而终止G蛋白信号转导。 RGS蛋白对质膜上GPCR-G蛋白信号转导的调控作用被广泛报道。但内涵体上GPCR-G蛋白信号转导的调控机制，尤其是内涵体上G蛋白信号终止的分子机制，仍有待进一步研究。研究团队利用免疫沉淀-质谱联用技术和荧光共定位等实验方法，发现SNX25的PX结构域能结合一些经典的RGS蛋白，包括RGS2、RGS4、RGS8和RGS17。通过结构生物学和细胞生物学实验，研究团队发现SNX25与RGS蛋白的相互作用主要依赖SNX25-PX结构域中C566与RGS蛋白N端半胱氨酸形成的分子间二硫键，且该相互作用受氧化还原的调控。通过荧光共定位实验，团队进一步发现PXA和PXC结构域可以介导SNX25靶向内涵体。通过招募经典RGS蛋白到内涵体，SNX25可以促进内涵体上Gαi/q蛋白的失活，最终抑制内涵体上GPCR-Gi/q偶联的信号转导（图1）。此外，团队还发现SNX25/RGS复合物不仅可以结合激活型Gi/q (GTP结合态)，也可以结合失活型Gi/q (GDP结合态)。通过将失活型Gi/q 募集到内涵体上， SNX25/RGS蛋白复合物还可以抑制质膜上GPCR- Gi/q信号转导。广州健康院博士后张玉龙和硕士研究生余致君为共同第一作者，徐进新研究员和刘劲松客座研究员为共同通讯作者。该研究获得了国家自然科学基金面上项目和呼吸疾病全国重点实验室自主课题等项目的支持。论文链接图1 SNX25调控GPCR-G蛋白信号转导的分子机制

2024-06-25

新型半人工光合涂层材料有望应用新能源领域

大自然中的植物树叶能通过光合作用将光能转化为化学能，释放出氧气，固定二氧化碳。而人工光合作用可以通过厚度仅几微米的导电细菌生物被膜层就能实现，这是真的吗？近日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所研究员钟超团队与上海科技大学物质科学与技术学院研究员马贵军团队在《科学进展》上联合发表最新研究。文章上线截图原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn6211研究人员提出了一种新型的半人工Z-scheme光合作用涂层，以模拟自然过程并提高光能转换效率，并依托工程化大肠杆菌生物被膜，成功开发了共形贴附导电生物被膜。这种稳定、可持续规模化生产的半人工Z-scheme涂层，不仅推动了活体能源材料在可持续清洁能源方面的应用，同时也为生物整合系统设计提供了参考意义。该研究中，钟超研究员和马贵军研究员为共同通讯作者，深圳先进院副研究员王新宇和上海科技大学博士毕业生张博杨为论文共同第一作者。深圳先进院为该研究第一单位。新型半人工杂化涂层，实现完全水分解光催化全解水是一项重要的绿色能源转换技术，光催化剂在光照条件下,将水分解为氢气和氧气，在环境可持续发展和新能源等领域具有重要意义。近年来，尽管许多研究团队正致力于全解水技术的研究，但目前仍然缺乏高效、稳定、可持续的方法。 “人工合成的半导体材料具备优异的可见光吸收能力，可以突破自然光合作用的效率限制。通过整合生物材料和无机半导体两种材料的优势，可以实现光催化产氢、固碳、固氮等应用。”钟超介绍。在该研究中，两个团队合作提出结合导电生物被膜与无机光催化材料各自的优势，采用层层沉积技术，成功构建了一个稳定且可持续的半人工光合杂化Z-scheme涂层，旨在利用光能高效驱动高附加值化学品的合成。研究人员首先通过滴涂法，将具有可见光吸收特性和高光催化活性的两种催化剂涂覆于玻璃上，制备了光催化剂混合物涂层；随后通过培养“细菌种子”，在涂层表面进行大肠杆菌生物被膜的原位生长；由于细菌本身不具备导电性，需要再利用原位聚合的方式制备导电生物被膜，通过化学修饰使其获得导电能力。 “在半人工Z-scheme涂层中，细菌形成的生物被膜则充当着导电介质的作用，能促进电子在涂层中的传递。”王新宇介绍。为了理解微观尺度下的电荷分离效果，研究人员通过光辅助的开尔文探针力显微镜观察到，在光照条件下，涂层的电荷分离和迁移能力显著增强；同时产物中氢气和氧气的比例稳定维持在2:1，与水分子的化学组成一致，验证了光催化全解水实验结果的有效性。实现规模化制备，应用领域广泛研究团队介绍，这种半人工杂化涂层的制备方案简单，易于规模化制备。他们在不同面积尺寸的杂化涂层测试了光催化全解水，发现催化效率基本保持不变，证实了基于生物被膜的半人工杂化Z-scheme涂层的规模化生产潜力。此外，这一涂层在不同压力下表现出了卓越耐受性。即便在常压条件下，其催化效率也能保持稳定，有效避免了金属导电材料在逆反应中常见的催化效率下降的问题。研究结果表明，该涂层在连续运行100小时后，催化效率未见衰减，且材料结构保持完好，显示出了优异的长期稳定性。此外，研究团队制备的共形贴附的导电生物被膜，在液体环境和空气环境下均具备良好的导电性能，这一发现不仅为光催化应用提供了新的材料选择，同时也为电子器件和其他设备的创新开辟了潜在的应用前景。更有意思的是，按照这种方案制备的半人工Z-scheme杂化涂层不仅能够被轻松揭起形成独立的自支撑膜，而且还展现出了较强的机械稳定性。工程活体材料因其在医疗、环境和能源等领域的应用潜力而日益受到全球关注。王新宇介绍：“我们团队聚焦利用合成生物技术开发活材料并拓展其应用，活体能源材料是重要的研究方向之一。与传统能源材料相比，半人工Z-scheme杂化涂层这类材料有望实现能源的转化与存储，具有独特的生物活性和可持续性”。研究团队介绍，半人工Z-scheme杂化涂层中尚存在部分难以降解循环的合成无机材料，在处理小型电子器件等低收益废弃物时，长期直接填埋可能会对生态环境造成持续压力。未来，团队将致力于研发全生物降解体系，并计划进一步利用太阳光驱动的化学反应，开发在产氢、固氮或固碳等环境可持续的应用功能。人工Z-scheme涂层示意图研究团队供图

2024-06-25

Chemical Reviews｜半人工光合系统中的能量流动

6月21日，科学家在国际著名学术期刊Chemical Reviews联合在线发表综述文章“Revisiting solar energy flow in nanomaterial-microorganism hybrid systems”。文章从系统层面论述了纳米材料-微生物杂合体系捕获太阳能并转化为化学能的过程与机理，对该体系相关研究的重要进展和面临的挑战进行了分析与总结，对未来发展方向和潜在应用领域进行了思考与展望。6月21日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所材料合成生物学研究中心（以下简称“深圳先进院合成所材料中心”）王博团队、高翔团队和钟超团队在国际著名学术期刊Chemical Reviews联合在线发表综述文章“Revisiting solar energy flow in nanomaterial-microorganism hybrid systems”。文章从系统层面论述了纳米材料-微生物杂合体系捕获太阳能并转化为化学能的过程与机理，对该体系相关研究的重要进展和面临的挑战进行了分析与总结，对未来发展方向和潜在应用领域进行了思考与展望。文章上线截图王博团队此前曾发表综述对半人工光合领域进展进行了回顾与展望（Energy Environ. Sci. 2022,15,529-549.)，本篇文章针对该领域进行了更深层次认识、思考与总结。当今社会对于对可持续发展的需求正在不断提升。半人工光合系统是近年来出现的多样化利用太阳光能的策略之一。该系统兼具自然与人工光合系统的优势（图1），在清洁能源生产、碳减排、绿色化学品生产等领域具有不可忽视的潜在价值。相比之下，基于半导体纳米材料-微生物活细胞杂合体系（Nanomaterial-microbial hybrid system,NMHS）构建的半人工光合系统最具发展潜力。图1. 自然光合作用、半人工光合作用和人工光合作用的主要特征以及各自优势。虽然相关研究进展迅速，绝大多数NMHS成功实例都因为能量转换效率欠佳而无法投入实际应用。造成这一现象的主要原因是对NMHS复杂且瞬态的内在能量流动过程缺乏系统性了解与分析，从而难以着手进行系统设计与优化。在这篇综述中，研究团队通过梳理NMHS内部能量流动过程（光能捕获-跨膜能量传递-能量转化），针对当前研究面临的挑战并提出合理的优化方案。在光能捕获阶段，半导体纳米材料吸收光子能量激发光电子。光电子被微生物细胞直接或间接用于驱动化学品生产。纳米材料的能带结构决定了材料的捕光范围和光电子的催化活性（图2）。对于这一阶段的优化策略应综合考虑光照条件和材料的生物安全性，对包括调节材料能带结构以优化捕光范围和催化活性，强化材料和细胞的光耐受水平以适应更高的光强，以及优化纳米材料的生物安全性以降低其对微生物的损害。在跨膜能量传递阶段，纳米材料捕获的光能需要跨越细胞膜进入胞内驱动代谢反应。该阶段优化工作应充分关注材料与细胞的结合方式（胞外悬浮、表面贴附、进入胞内）和能量跨膜传递模式（电子直接传递、借助电子介体或氢气等）。优化策略包括构建人工传递途径实现高效能量跨膜，强化材料和细胞的结合程度（贴附或胞内富集），缓解胞内材料对微生物活性的影响，以及构建胞内材料和目标酶之间的特异性亲和力。在能量转化阶段，微生物细胞通过酶催化将光能转换并储存为产物分子的化学键能。驱动关键代谢途径的目标酶可以从辅因子（NAD(P)H或ATP）、纳米材料或载体获取能量。该阶段的优化策略应着眼于降低能量耗散，包括强化微生物对辅因子的利用效率，强化整微生物对特异性载体（比如H2和甲酸）的代谢活性，以及构建材料和目标酶之间的高特异性能量传递与转化途径。图2. 典型NMHS当中半导体纳米材料的能带结构。研究团队还从系统性角度分析了当前NMHS所面临的挑战并提出了相应的应对方案，包括利用现代仪器分析技术、合成生物学、高通量与自动化、机器学习和人工智能等最新技术实现从机理解析、系统设计、实验操作到数据分析的全流程高效运行（图3）。图3. 系统性优化NMHS当中能量流动的策略。NMHS有潜力成为太阳能驱动生产化学品的清洁平台，这对于推动能源结构转型和实现人类社会可持续发展至关重要。通过本篇综述，研究团队回顾了该领域最新的研究进展，明确了NMHS后续发展所面临的挑战，提出了系统级别的解决方案和优化策略。以合成生物学技术为代表的现代科技手段可以在提高产品价值、丰富产物多样性和优化微生物生产效率等关键环节赋能NMHS，从而有效推动系统的持续迭代进化。一套具有实际应用价值的NMHS需要有机整合并充分协调所有有利因素，而高效能量流动的成功实现是NMHS能从实验室迈向工业生产的基石。深圳先进院合成所材料中心研究员钟超、副研究员王博、副研究员高翔，以及助理研究员曾翠平为本文的共同通讯作者。深圳先进院合成所材料中心助理研究员梁俊，香港中文大学化学系博士肖可蒙，深圳先进院合成所材料中心副研究员王新宇为共同第一作者。深圳先进院合成所材料中心助理研究员侯天凤对本文撰写也做出重要贡献。本工作获得了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、深圳市材料合成生物学重点实验室、广东省基础与应用基础研究基金、深圳市自然科学基金、深圳合成生物学创新研究院等项目的经费支持。

2024-06-24

JACS | Glut1介导用于靶向蛋白降解的溶酶体嵌合体技术

靶向蛋白质降解技术在生物医学领域具有巨大潜力，尤其是在治疗肿瘤和其他蛋白质相关疾病方面。利用分子胶和PROTAC技术降解细胞内蛋白的研究处于领先地位，而通过溶酶体途径降解膜蛋白和胞外蛋白及其它大分子的研究仍处于临床前阶段。可利用靶点的匮乏极大地限制了技术的进步，因此探索新的、潜在有效的溶酶体靶向降解策略至关重要。靶向蛋白质降解技术在生物医学领域具有巨大潜力，尤其是在治疗肿瘤和其他蛋白质相关疾病方面。利用分子胶和PROTAC技术降解细胞内蛋白的研究处于领先地位，而通过溶酶体途径降解膜蛋白和胞外蛋白及其它大分子的研究仍处于临床前阶段。可利用靶点的匮乏极大地限制了技术的进步，因此探索新的、潜在有效的溶酶体靶向降解策略至关重要。6月20日，中国科学院深圳先进技术研究院医药所耿晋团队在Journal of the American Chemical Society上发表了题为“Lysosome Targeting Chimaeras for Glut1-Facilitated Targeted Protein Degradation”的研究成果。这项工作创新性地利用葡萄糖转运蛋白Glut1作为溶酶体靶向受体，设计了Glut1促进溶酶体降解（GFLD）策略。通过可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合制备了潜在的Glut1配体，并通过生物正交反应合成了抗体-糖寡聚物共轭物，将其作为溶酶体靶向蛋白降解分子，用于治疗PD-L1高表达的三阴性乳腺癌。本研究证明了葡萄糖转运体Glut1作为一种溶酶体靶向受体，在生物医学领域有着更广泛应用的潜力。文章上线截图鉴于糖转运蛋白对采用吡喃糖环椅构型的戊糖和己糖的D-立体异构体（如D-葡萄糖、D-半乳糖）具有很强的特异性，研究团队选择以D-葡萄糖和D-半乳糖为基础制备了带丙烯酰胺的糖单体，并进一步通过可逆加成断裂链转移（RAFT）聚合制备了五种含糖寡聚物。五种寡聚物随后被作为候选的葡萄糖转运蛋白Glut1配体进行了体外实验，包括用Glut1蛋白和五种糖链进行分子对接与计算模拟、结合亲和力测试，并通过细胞实验筛选出细胞摄取量高的配体来合成溶酶体靶向嵌合体分子。图1. 有潜力的Glut1配体的表征由于人源三阴性型乳腺癌细胞系MDA-MB-231和MCF-7具有Glut1高表达的特点，因此本研究以之为细胞模型开展体外实验。体外筛选分为三个部分，先通过细胞流式实验比较细胞对五种候选配体的摄取情况，结果表明Gal6，Gal4Glc2和Glc6这三种糖寡聚物的内化程度较高，通过激光扫描共聚焦显微镜观察上述三种配体与溶酶体的共定位情况，发现摄取量高的三种糖寡聚物内化进入细胞后与溶酶体的共定位程度也较高。鉴于这一结果推测这三种糖寡聚物的内化途径与溶酶体相关，因此团队进一步通过细胞流式实验探究配体的摄取途径，证明了糖寡聚物在细胞中的摄取是通过溶酶体途径且与Glut1相关。综合上述细胞实验结果，研究团队筛选出了有潜力的Glut1配体Gal6，Gal4Glc2和Glc6进行下一步的溶酶体靶向嵌合体分子合成。图2. 在MDA-MB-231细胞系中筛选Glut1配体研究团队以MDA-MB-231细胞系高表达的免疫检查点PD-L1为目标蛋白，选取内化有限的PD-L1抗体Avelumab进行Ave-糖寡聚物共轭物分子的合成。通过三个经典的正交反应将筛选出的有潜力的Glut1配体Gal6、Gal4Glc2和Gal6分别连接到抗体Avelumab上，得到三种有潜力的溶酶体靶向嵌合体分子。通过CCK8检测法评估了三种Ave-糖寡聚物共轭物分子对MDA-MB-231细胞的毒性作用，确保细胞中PD-L1的减少并非由于Ave-糖缀合物分子的细胞毒性引起。随后通过免疫印迹法和免疫荧光检测验证了三种Ave-糖缀合物都是有潜力的能适度降解PD-L1的蛋白降解剂，其中Ave-Gal6的降解效果最佳。图3. Ave-糖寡聚物共轭物的蛋白质降解活性具有浓度依赖性此外，免疫印迹检测的结果显示PD-L1和Glut1的蛋白表达量随处理时间的延长具有一致的变化趋势，对此研究团队认为在逆转运复合体的作用下，Glut1有从溶酶体逃逸并返回细胞膜表面的行为，进而引发PD-L1-Ave-糖寡聚物-Glut1复合物也被带回到膜上，导致PD-L1蛋白的降解效果尚有提升空间。团队进一步探讨了Ave-糖缀合物降解 PD-L1蛋白的降解机制是否与糖寡聚物内化进入细胞的途径相关，免疫印迹实验结果显示Ave-糖寡聚物共轭物分子降解PD-L1蛋白是通过溶酶体途径介导，并且揭示了Glut1在此策略中扮演了重要角色，相信葡萄糖转运蛋白Glut1将在未来的靶向蛋白降解技术中得到更广泛的应用。图4. Ave-糖寡聚物共轭物靶向蛋白降解效率随时间的变化情况及其降解机制综上所述，本研究成功开发了基于溶酶体靶向嵌合体技术的蛋白质降解剂，为肿瘤治疗提供了新的治疗思路，并成功验证了葡萄糖转运蛋白Glut1是一种适用于蛋白质降解技术的溶酶体靶向受体，创新性地提出了Glut1促进溶酶体途径的蛋白降解（GFLD）策略，用于靶向降解膜蛋白，为蛋白质降解技术的发展铺平了道路。目前，很多蛋白结合力好但内化效果欠佳的抗体无法充分发挥价值，利用Glut1促进溶酶体途径的蛋白降解策略有望在不久的将来改善这些抗体的内化效果，预计这将大大推进抗体偶联药物的开发进程，拓展抗体在医学领域的应用场景，并提高临床转化率。中国科学院深圳先进技术研究院耿晋研究员为本文的通讯作者，硕士研究生罗锦妍和高权博士为文章共同第一作者。该研究获得了国家自然科学基金、广东省自然科学基金、中国科学院国际合作项目的支持。

2024-06-24

国家自然科学基金联合基金重点项目“喀斯特植被恢复与基岩风化养分释放的互馈机制及其碳汇效应”召开项目咨询会

6月21日至22日，由中国科学院亚热带农业生态研究所牵头承担的国家自然科学基金联合基金重点项目“喀斯特植被恢复与基岩风化养分释放的互馈机制及其碳汇效应”项目实施方案咨询会在长沙召开。咨询专家组成员包括中国科学院院士、中国科学院生态环境研究中心研究员傅伯杰，中国工程院院士、北京市农林科学院研究员赵春江，中国科学院院士、中国科学院地理科学与资源研究所研究员于贵瑞，亚热带生态所研究员吴金水、陈洪松，中国科学院地球化学研究所研究员彭韬，中国科学院地球环境研究所研究员陈骥。项目负责人、参与人员和研究生参加了启动会。会议由傅伯杰主持。6月21日至22日，由中国科学院亚热带农业生态研究所牵头承担的国家自然科学基金联合基金重点项目“喀斯特植被恢复与基岩风化养分释放的互馈机制及其碳汇效应”项目实施方案咨询会在长沙召开。咨询专家组成员包括中国科学院院士、中国科学院生态环境研究中心研究员傅伯杰，中国工程院院士、北京市农林科学院研究员赵春江，中国科学院院士、中国科学院地理科学与资源研究所研究员于贵瑞，亚热带生态所研究员吴金水、陈洪松，中国科学院地球化学研究所研究员彭韬，中国科学院地球环境研究所研究员陈骥。项目负责人、参与人员和研究生参加了启动会。会议由傅伯杰主持。项目负责人、亚热带生态所王克林研究员首先从项目背景、关键科学问题、研究目标与内容、预期成果等方面对项目整体研究思路进行了汇报。亚热带生态所张伟研究员详细汇报了项目实施方案。专家组一致认为，项目紧扣南方喀斯特植被恢复和持续碳增汇的关键瓶颈，以碳酸盐岩快速风化驱动的养分释放作为喀斯特生态系统养分供给的突破点，有望推动喀斯特生态系统保护修复与碳增汇达到更新高度。同时，专家组就项目如何将微观-宏观尺度结合、物理-化学-生物过程对基岩风化的相对贡献和过程机理、理论模型构建、实验数据获取和分析方法，提出了建设性的意见。通过此次会议，项目组成员进一步明确了研究任务和工作重点，为项目顺利实施奠定了扎实基础。王克林表示，项目组将结合各位专家的意见建议对实施方案进行优化，确保项目高效实施。据悉，该项目针对喀斯特多石少土生境植被可持续恢复的养分保障与碳汇能力提升问题，将基岩风化养分输入作为破解植被可持续恢复与土壤养分限制矛盾的突破点，探明植被恢复过程中关键带养分供给变化规律，阐释根系-菌根真菌促进基岩养分释放的作用机制，揭示基岩养分释放驱动的植被、土壤及岩溶碳汇效应，提出生物网络关键节点优化调控途径，为喀斯特植被持续恢复和生态-岩溶碳汇协同提升提供科学依据。王克林介绍项目整体情况张伟做项目实施方案汇报会议现场

2024-06-22