科研进展--中国科学院广州分院

区分植物源和微生物源有机碳是确定土壤有机碳库形成的关键。在施肥的农田生态系统中，土壤有机碳的形成、周转和积累受肥料类型和土壤微生物及其相互作用的调控。不同肥料投入有可能改变土壤微生物对其利用策略，从而影响植物源和微生物源碳的保留，最终影响土壤有机碳的积累和稳定。微生物生活史策略根据共同的形态、生理或生活史特征将微生物划分为不同的生态类群，从而简化了微生物物种和功能的多样性和复杂性。然而，在不同施肥措施下，植物源和微生物源有机碳的变化与土壤微生物生活史策略之间的关系还未得到充分探讨。区分植物源和微生物源有机碳是确定土壤有机碳库形成的关键。在施肥的农田生态系统中，土壤有机碳的形成、周转和积累受肥料类型和土壤微生物及其相互作用的调控。不同肥料投入有可能改变土壤微生物对其利用策略，从而影响植物源和微生物源碳的保留，最终影响土壤有机碳的积累和稳定。微生物生活史策略根据共同的形态、生理或生活史特征将微生物划分为不同的生态类群，从而简化了微生物物种和功能的多样性和复杂性。然而，在不同施肥措施下，植物源和微生物源有机碳的变化与土壤微生物生活史策略之间的关系还未得到充分探讨。基于此，中国科学院亚热带农业生态研究所王克林研究员团队依托中国科学院环江喀斯特站旱地长期施肥试验平台，分别以氨基糖、木质素酚和球囊霉素为分子标志物，研究了不施肥、单施化肥、高低水平（30%和60%）秸秆和牛粪替代化肥6种不同施肥处理对土壤中植物源和微生物源碳的影响，并结合土壤微生物生活史策略，阐释了不同施肥对不同来源有机碳积累的影响机制。研究结果发现：与单施化肥相比，高水平秸秆配施显著增加了木质素酚含量及其对土壤有机碳的贡献，高水平秸秆或牛粪配施均显著增加了微生物残体碳和球囊霉素含量。因此，施用秸秆有助于在施肥处理中，高水平牛粪配施的细菌K/r和真菌K/r比分别是最低和最高的。细菌K/r比是预测细菌残体碳含量的重要因素，两者之间存在显著的负相关。Ectomycorrhizal/saprotrophic真菌比和真菌多样性分别是预测木质素酚和GRSP含量的重要因素。秸秆投入直接影响木质素酚和微生物残体碳的积累，而牛粪投入则通过影响微生物生活史策略间接影响微生物残体碳的积累。总之，与单施化肥相比，秸秆投入有助于土壤有机碳多碳库的形成。土壤微生物生活史策略是土壤有机碳形成的重要驱动力，并影响农业生态系统中土壤有机碳的积累和稳定。该研究以Pathways of soil organic carbon accumulation are related to microbial life history strategies in fertilized agroecosystems为题发表在环境学期刊Science of the Total Environment上，该研究得到了国家重点研发计划（2022YFF1300704）和国家自然科学基金（U21A20189）等项目的共同资助。论文链接不同肥料类型下土壤有机碳积累机制示意图

2024-04-23

喀斯特土地利用变化对土壤微食网组成结构和能量流动的影响取得进展

我国西南喀斯特地区石漠化治理与生态恢复成效显著，但是该区人口压力较大，经过几十年保育恢复的生态系统仍面临被再次开垦利用和土壤退化的风险，开展喀斯特区典型土地利用转变的生态效应评价，对合理进行土地利用规划具有重要借鉴意义。我国西南喀斯特地区石漠化治理与生态恢复成效显著，但是该区人口压力较大，经过几十年保育恢复的生态系统仍面临被再次开垦利用和土壤退化的风险，开展喀斯特区典型土地利用转变的生态效应评价，对合理进行土地利用规划具有重要借鉴意义。土壤微生物和线虫是微食物网的重要组成部分，直接或间接影响生态系统功能和服务，因而是评估生态系统稳定和健康的重要指标。土地利用变化会对土壤微食物网产生强烈影响，以往的研究通常采用时空替代法且为单次采样来反映土地利用变化对土壤生态过程和功能的影响。然而，这些方法可能会增加随机误差。亟需开展同步土地利用变化（在同一时间和地点开始）对土壤生态过程和功能的影响研究。基于此，中国科学院亚热带农业生态研究所王克林研究员团队赵杰研究员依托环江站土地利用变化三维水土过程长期监测研究平台，进行了一项七年的田间观测和控制实验，旨在探讨从自然灌丛转变为农田（玉米）、人工牧草地（桂牧一号）和经济林（核桃）的土地利用变化对土壤微食物网群落结构和能量动态的影响。研究发现，相较于其他三种土地利用方式，农田长期玉米耕种降低了土壤微食物网的复杂性。免耕的人工牧草种植维持了最高的土壤总微生物、真菌和丛枝菌根真菌的生物量。此外，核桃经济林的凋落物等资源输入量更多，由底物向食细菌线虫、食真菌线虫和植食性线虫的能量转移通量更高，同时减少植食性线虫向杂食性捕食线虫的能量流动，改善了微食物网的能量流动均匀性。高营养级杂食性线虫丰度和线虫多样性是土壤食物网能流通量和能量流动均匀性的重要预测因子。此外，杂食性线虫通过下行控制作用促进营养级之间的互作，进而增强土壤微食物网的复杂性。研究结果揭示了保护性农业通过高营养级生物（杂食者）维持土壤食物网结构和能量流动的机制，为未来可持续土地利用提供了重要参考，同时也强调了进行长期田间监测实验的重要性。上述研究成果以Disturbance intensity shapes the soil micro-food web compositions and energy fluxes during seven-year land use changes为题发表在土壤学领域TOP期刊Soil Biology and Biochemistry上，该研究得到了国家自然科学基金（2022YFD1901000，U21A20189）等项目的共同资助。论文链接图1，不同土地利用类型的能量结构图。CL：农田（玉米）；FG：人工牧草地（桂牧一号）；EL：经济林（核桃）；NS：自然灌丛。图2，不同土地利用类型的土壤微食物网共现网络图。CL：农田（玉米）；FG：人工牧草地（桂牧一号）；EL：经济林（核桃）；NS：自然灌丛。

2024-04-23

湖南省创新生态建设计划项目“洞庭湖区减污降碳绿色高值农业系统构建关键技术研究与示范”启动暨实施方案论证会召开

4月19日，在中国科学院亚热带农业生态研究所召开了由亚热带生态所承担，中国科学院武汉病毒研究所参与的湖南省创新生态建设计划项目“洞庭湖区减污降碳绿色高值农业系统构建关键技术研究与示范”启动暨实施方案论证会。湖南省科学技术厅副厅长曾立新、中国科学院武汉分院副院长关武祥、亚热带生态所研究员王克林、湖南省环境保护科学研究院院长罗岳平及湖南师范大学教授邓楚雄到会指导。湖南省科学技术厅相关处室领导、项目负责人、课题负责人及课题骨干等共约20人参加会议。4月19日，在中国科学院亚热带农业生态研究所召开了由亚热带生态所承担，中国科学院武汉病毒研究所参与的湖南省创新生态建设计划项目“洞庭湖区减污降碳绿色高值农业系统构建关键技术研究与示范”启动暨实施方案论证会。湖南省科学技术厅副厅长曾立新、中国科学院武汉分院副院长关武祥、亚热带生态所研究员王克林、湖南省环境保护科学研究院院长罗岳平及湖南师范大学教授邓楚雄到会指导。湖南省科学技术厅相关处室领导、项目负责人、课题负责人及课题骨干等共约20人参加会议。会议由王克林主持，项目负责人谢永宏研究员从项目的立项背景、研究内容、实施方案、研究基础及当前取得的进展等对项目进行了汇报。专家组一致认为，项目紧扣洞庭湖当前农业发展和湖泊环境保护存在的瓶颈问题，从平原湖区绿色高值农业技术体系构建、丘岗区种养复合绿色高值农业关键技术研发，及农业减污降碳关键技术研发等多个方面系统构建湖区减污降碳绿色高值农业技术体系并开展示范。项目的实施，对于推动洞庭湖水环境的保护、农业绿色转型发展等具有重要的科学和现实意义。同时专家组对项目如何细化实施方案、如何更好地服务地方需求等提出了诸多宝贵意见。曾立新在总结发言中强调，该项目作为湖南省第一批院地合作项目，一定要围绕当前湖南省在农业发展和湖泊生态环境保护中存在的突出问题，坚持目标导向、技术导向、成果导向相结合的原则，加快研究进度，确保保质保量地完成各项研究任务。通过此次会议，课题组成员进一步明确了研究任务和工作重点，为项目的顺利实施奠定了扎实的基础。会议现场

2024-04-22

亚热带生态所印遇龙院士团队完成第二批猪体细胞重离子诱变辐照实验

基因修饰育种技术可突破传统猪育种技术障碍，快速获得优良品种的商品猪。体细胞重离子诱变育种是绕过基因编辑技术获得新品种的有效方法，可为生猪新品种培育找到突破口。在中国工程院院士、中国科学院亚热带农业生态研究所首席研究员印遇龙的带领下，猪的体细胞诱变育种工作稳步推进。基因修饰育种技术可突破传统猪育种技术障碍，快速获得优良品种的商品猪。体细胞重离子诱变育种是绕过基因编辑技术获得新品种的有效方法，可为生猪新品种培育找到突破口。在中国工程院院士、中国科学院亚热带农业生态研究所首席研究员印遇龙的带领下，猪的体细胞诱变育种工作稳步推进。4月19日，印遇龙院士团队、湖南省农业科学院研究员赵炳然团队、中国农业科学院深圳农业基因研究所李奎教授团队开展的第二批重离子诱变猪体细胞实验顺利完成。中国科学院近代物理研究所相关科研人员参与了此次辐照实验。在第一批宁乡猪体细胞重离子诱变实验中，参与研究的团队成员总结了不同辐照剂量对诱变细胞培养后的存活规律，同时对辐照剂量与主效基因的突变概率、突变位点和形成移码突变情况进行了计算分析。在此基础上，本次诱变实验进一步优化了辐照剂量、诱变细胞培养的营养需要和突变细胞筛选技术。经过近20天的努力，团队成员在兰州重离子加速器国家实验室浅层重离子束生物辐射终端(TR4)顺利完成第二批体细胞诱变实验。接下来，将针对优质性状的主效基因进行重测序比对及生物信息学分析，分离获得有益突变的单克隆细胞，再进行体细胞克隆技术培育优质猪，从而为优质猪新品种的培育提供育种新素材。团队工作现场

2024-04-22

华南植物园揭示植物群落垂直结构复杂性的地理格局及驱动机制

垂直结构复杂性是植物群落的重要结构属性之一，它反映了群落内植物个体高低错落的分布状态，体现了植物对地上空间生态位的占有率。然而，目前相关研究还存在以下两点局限性：（1）对垂直结构复杂性地理格局及其驱动机认知不足；（2）缺乏区域尺度高分辨率的垂直结构复杂性图集。针对以上两点不足，鼎湖山站团队联合国内高校、科研机构在植物群落垂直结构复杂性地理格局及其驱动机制方面开展研究。在青藏高原开展了大规模的野外调研。基于网格抽样的方法调查了2013块标准样方（图1），并采用3个参数来量化垂直结构复杂性，即样方内的最大植物高度（Height-max）、植物高度的变异系数（Height-var）和植物高度的香农均匀度（Height-even）。研究检验了一个假设，即随着气候条件从优越到极端的转变，主导垂直结构复杂性空间变异的机制将逐渐从资源获取策略转向保护优先策略；并绘制1-km空间分辨率的垂直结构复杂性图集，这将为相关宏观生态学研究提供重要参数（图2）。相关研究成果已近期发表在国际学术期刊Communications Biology（《通讯生物学》）上。论文第一作者为中国科学院华南植物园“全球变化与陆地碳循环团队”博士后程昌锦，通讯作者为东北林业大学何念鹏教授和张佳慧教授。该工作得到了第二次青藏高原综合科学考察研究、国家自然科学基金和中国科技云的支持。论文链接：https://doi.org/10.1038/s42003-024-06076-x图1. 采样点的地理分布图2. 青藏高原垂直结构复杂性的空间格局

2024-04-22

SCIENCE CHINA Life Sciences | 科学家揭示芳香族氨基酸合成调控新机制

2024年3月15日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所合成基因组学中心赵乔团队在SCIENCECHINA Life Sciences发表了题为6-Phosphogluconate dehydrogenase 2 bridges the OPP and shikimate pathway to enhance aromatic amino acid production in plants的研究论文。该工作揭示了PGD2能够耦联氧化磷酸戊糖途径和莽草酸途径，从代谢流的角度调控芳香族氨基酸及其衍生物的合成。文章上线截图原文链接：https://www.sciengine.com/SCLS/doi/10.1007/s11427-024-2567-4芳香族氨基酸（Aromatic amino acids,AAAs）主要通过植物质体中的莽草酸途径合成。其不仅是蛋白质的基本组成单元，还是许多重要次生代谢产物的前体，如生长素、木质素、黄酮。除了合成基础水平的芳香族氨基酸用于蛋白质生物合成，植物还必须根据外界环境条件的变化，调控流向芳香族氨基酸合成的碳通量，以维持下游芳香族代谢物的生产。因此，控制合适的芳香族氨基酸合成水平对植物生长、繁殖和抗逆至关重要。氧化磷酸戊糖（oxidative pentose phosphate,OPP）途径存在于所有真核生物中，为莽草酸途径提供代谢中间体，从而使碳流向AAAs和众多芳香族天然产物的生物合成（图1）。尽管OPP途径的基本情况已经被阐明，但该途径如何影响AAAs合成，其中的细节仍然不清楚。赵乔团队前期基于一个芳香族氨基酸合成降低的拟南芥突变体进行正向遗传学筛选，得到多个能够恢复该突变体表型的植株。进一步通过基因组测序分析，鉴定到多个可能参与拟南芥芳香族氨基酸及衍生物合成与代谢调控的新基因。本研究中，团队对其中一个基因进行深入分析。该基因编码6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶PGD2（6-Phosphogluconate dehydrogenase 2）。PGD2外显子中的一个单核苷酸突变，导致其第63位氨基酸由谷氨酸（Glu，E）变为赖氨酸（Lys，K）。该点突变的存在部分恢复了adh2的缺陷表型（图1）。图1 PGD2的一个点突变恢复了adh2生长缺陷表型生化分析表明，PGD2E63K的催化活性显著高于PGD2。根据天然存在的PGD2蛋白序列，对拟南芥PGD2第63位氨基酸残基进行定向突变，进一步比较酶活，PGD2E63R（R，Arg，精氨酸）和PGD2E63K的催化活性强于PGD2E63A（A，Ala，丙氨酸）和PGD2，表明该位点为碱性氨基酸（即K和R）时的酶活，比该位点为酸性氨基酸（即E）时的酶活更强。而中性突变，例如A，对PGD2的酶活几乎没有影响（图2）。图2 点突变提高PGD2酶活通过τ-随机加速分子动力学（τRAMD）计算发现，与天然的PGD2相比，产物R5P和NADPH从PGD2E63K中解离得更快。表明PGD2的点突变通过促进产物释放，维持酶的可持续周转，从而提高酶活（图2）。此外，Agilent 1290超高效液相色谱串联6470三重四极杆质谱仪（UPLC-QQQ-MS/MS）定量分析表明，E63K点突形式PGD2的存在，提高了AAAs及其衍生物——包括α-生育酚，酪胺，4-羟基肉桂酸，松苷，和黄酮类化合物等——在植物中的含量（图3）。因此，PGD2引导碳流向莽草酸途径，从而促进了芳香族氨基酸及其衍生物的合成。图3 PGD2E63K提高拟南芥中芳香族氨基酸及其衍生物的含量由于鉴定到的点突变发生在相对保守的氨基酸残基中，团队对来自菌、藻类、苔藓植物、裸子植物、单子叶植物和双子叶植物的PGD蛋白进行定点突变和酶活分析。发现拟南芥中的结论在不同物种中存在一定普适性，该位点的氨基酸类型会影响PGD的催化活性，而在这一位置上的碱性氨基酸比酸性氨基酸赋予PGD更高的反应效率（图4）。图4 PGD偶联OPP和莽草酸途径以提高植物中AAA合成以上工作从代谢流的角度阐明了植物芳香族氨基酸及其衍生物合成调控新机制，揭示了PGD2介导OPP和莽草酸途径之间的相互作用，使OPP途径的碳流向芳香族氨基酸的生物合成。鉴定到的PGD2突变位点可作为潜在的代谢工程设计靶点，以调控代谢流去向，提高OPP途径下游化合物的合成。中国科学院深圳先进技术研究院赵乔研究员和其团队助理研究员吴杰为文章的通讯作者，实验室博士后唐倩和在读研究生黄雨欣为文章的共同第一作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和广东省合成基因组学重点实验室、深圳合成生物学创新研究院等的支持。

2024-04-18

何睿团队成功开发出多级信息加密钙钛矿微胶囊

近日，中国科学院深圳先进技术研究院材料所何睿、喻学锋团队成功开发出一种可以对光和热等多刺激进行变色响应的新型钙钛矿微胶囊材料，能够有效提升信息加密等级和信息存储密度，相关成果在纳米领域国际权威期刊ACS Nano上发表题为“Multilevel Information Encryption Based on Thermochromic Perovskite Microcapsules via Orthogonal Photic and Thermal Stimuli Responses”的研究论文。该工作通过设计含氟聚合物乳化剂的分子结构来对O/F乳化体系进行调控，制备出在双变量协同调控下具有四种模态的热致变色钙钛矿微胶囊。何睿副研究员和喻学锋研究员为本文通讯作者，硕士研究生袁心如为本论文第一作者。在当今信息时代，数据安全变得愈发重要。随着信息技术的快速发展，对高性能信息加密和存储材料的需求也更加迫切。因此需要在早期双模态加密材料的基础上开发具有更多模态变化的刺激响应材料来提高信息存储容量和保密性。金属卤化物钙钛矿量子点凭借其荧光量子产率高、发射波长可调、合成方法简单等优点，已成为信息加密领域的热门材料，受到广泛关注。通过丝网印刷、喷墨打印、3D打印等图案化技术，可以实现双模态钙钛矿材料的信息加密应用。此外，研究人员尝试使用不同的刺激形式（水、极性溶剂、温度等）来调控钙钛矿材料的发光信号，从而获得具有三种模态的刺激响应材料。但是，由于钙钛矿材料稳定性差，容易导致在接受刺激源后荧光衰减或淬灭，很难实现荧光信号的长效可逆变化，因此限制了钙钛矿加密材料的应用。中国科学院深圳先进技术研究院的喻学锋、何睿团队针对上述问题，开发了一种与CsPbBr3 PQDs兼容的O/F相微胶囊包覆体系。并通过设计含氟聚合物乳化剂的分子结构来对O/F乳化体系进行调控，最终高效地将热致变色材料和CsPbBr3 PQDs共同包覆在微胶囊内部。值得注意的是，在两种材料的协同作用下，复合微胶囊可以对光和热的正交刺激进行响应形成四种模态。得益于微胶囊的壳核结构，热致变色钙钛矿微胶囊不仅具有较高的水氧稳定性，还可在20°C和70°C之间反复切换，依旧保持较色彩清晰和荧光明亮，展现出持久的可逆四模态响应性能。通过对照实验可以直观地证明钙钛矿量子点与热致变色体系在高温状态下会产生相互作用，形成新的加密模态。热致变色钙钛矿微胶囊的结构示意图及四模态变化过程相比于此前报道的双刺激响应的三模态材料，本工作中实现的四模态材料减少了数据冗余，提高了加密安全性和信息存储密度。通过将热致变色钙钛矿微胶囊与其他显示材料结合使用，可以实现对图案、数字、字母等各类复杂信息的多级加密和解密功能。热致变色钙钛矿微胶囊的信息加密应用此外，该团队还针对性地设计了一套以热致变色钙钛矿微胶囊为“密钥”的多级信息加密系统。在操作口令的驱动下，采集设备将测定不同状态下微胶囊的CIE-Lab值，并将信号转化成与之对应的ACSII码，最终根据密码簿中ACSII码与字母的对应关系获得真实信息。本工作通过微胶囊封装技术制备了一种很有应用前景的高密度信息存储材料。后续将进一步对不同种类的刺激响应材料进行设计组合，有望获得具有更多模态变化的多刺激响应智能微胶囊材料，推动信息加密领域的高速发展，不断提升信息存储的安全性。基于热致变色钙钛矿微胶囊的多级信息加密设备该工作得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、中国科学院青年创新促进会项目、广东省自然科学基金项目等资助。

2024-04-19

Science Advances | 声镊转染技术为细胞治疗提供新工具

癌症严重危害人民的生命健康，嵌合抗原受体T 细胞（CAR-T）免疫疗法是最具前景的肿瘤疗法之一，被誉为“癌症治疗的第四次革命”。细胞转染是CAR-T细胞治疗的关键技术，通过基因转导的方法转染患者的T细胞,表达嵌合抗原受体,使得患者的T细胞被“重编码”后,能够特异性识别肿瘤细胞，从而进行选择性杀伤，细胞转染直接影响了CAR-T的疗效和安全性。近日，中国科学院深圳先进技术研究院孟龙研究员等与美国杜克大学Tony Jun Huang教授合作，在Science子刊Science Advances上发表了题为“Acoustothermal transfection for cell therapy”的研究成果，并登上了该期杂志的封面。该研究创新地提出了利用高能量密度声镊诱发细胞产生可控的微米量级形变，提高细胞膜通透性，实现了对原代免疫细胞、干细胞的高效、高通量转染，为细胞免疫治疗、基因治疗提供了革新手段。文章上线截图声镊技术是利用梯度声场产生的力学效应对声场中的颗粒进行捕获、移动、搬运等操作。该研究通过声场的调制，提高了声场的能量密度，产生了纳牛量级的超声辐射力，在声镊操控细胞空间运动的基础上，实现了诱发细胞产生微米级形变，拓展了声镊技术的应用。该方法可提高细胞膜的流动性，在细胞膜表面产生可修复微孔，从而有效提高细胞膜的通透性，实现了对原代免疫T细胞、间充质干细胞进行高效转染。而且，该方法可转染大分子量质粒，可对间充质干细胞同时转染CXCR4和BDNF两种质粒，转染效率达89%。流式细胞仪和基因测序结果表明，利用方法转染后的细胞活性约83.9%，保证了细胞转染的安全性。图：声镊转染技术原理及超声对间充质干细胞转染多质粒结果。对于转染技术而言，不仅要保证细胞的活性，转染细胞表达目的基因的功能更为重要。该研究建立了缺血性脑卒中模型小鼠，利用声镊转染技术使间充质干细胞成功地表达了趋化因子受体CXCR4，并发现转染后间充质干细胞能够有效富集于脑缺血引起的炎症区域。而且，富集后的间充质干细胞能够释放脑源性神经营养因子，显著减小脑梗死体积。在体实验证实了声镊转染技术不仅可表达目的基因的功能，而且不会影响细胞原有的生物功能，这将为CAR-T细胞治疗提供全新转染工具，对于优化CAR的设计和提高CAR-T的疗效具有重要意义。图：超声转染MSC后可有效富集脑缺血位置，缩小缺血性脑卒中模型小鼠脑梗死体积。中国科学院深圳先进技术研究院的郑海荣院士、孟龙研究员、杜克大学的Tony Jun Huang教授为本文的通讯作者，刘秀芳博士、荣宁博士为文章的第一作者，中国科学院深圳先进技术研究院为论文第一单位。该研究获得了国家自然科学基金、广东省自然科学基金等项目的支持。

2024-04-19

Neuron｜屠洁团队发现BLA星形胶质细胞是调控精神障碍下异常风险决策行为的关键

作为中枢神经系统中的重要细胞，星形胶质细胞在大脑健康和疾病过程中扮演了关键的角色。近年来的研究发现，星形胶质细胞通过调控局部神经元活动，参与调控大脑高级认知功能和相关行为。4月19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/深港脑科学创新研究院屠洁研究员团队在Cell Press期刊Neuron杂志上发表了题为“Astrocyte-mediated regulation of BLAWFS1 neurons alleviates risk-assessment deficits in DISC1-N mice”的研究论文。详细描述了小鼠的基底外侧杏仁核（basolateral amygdala,BLA）的星形胶质细胞在动物危险决策的时候，会通过释放D-serine调控临近的谷氨酸能神经元活动，发挥风险评估并产生适当回避行为的机制。文章上线截图在面临危险应激的时候，无论是动物还是人类都会进行风险评估，通过协调大脑和身体的功能产生如回避等适应性行为。精神障碍常常扰乱这种正常的风险评估机制，导致诸如焦虑、抑郁、自闭症等疾病中的过度风险回避，或在物质滥用、精神分裂症、边缘性人格障碍等情况下表现为风险回避不足。然而，扰动风险评估行为的神经基础尚不清楚。尽管已有研究发现基底外侧杏仁核（Basolateral Amygdala，BLA）在主动避险行为中发挥了重要的作用，但是关于BLA在风险评估及其后续行为（如回避或接近）中的精细神经调控机制尚不清晰。屠洁研究员团队在之前的研究中，利用上海交通大学李卫东教授团队开发的一种特殊的转基因小鼠模型—DISC1-N末端片段突变转基因小鼠，揭示了这些小鼠在面对威胁时回避反应受损的现象（Neuroscience Bulletin，2021）。该研究团队最新的研究利用单核RNA测序技术结合膜片钳和实时定量单细胞PCR技术，揭示了BLA中存在一类特殊的表达Wolfram syndrome 1（WFS1）的谷氨酸能兴奋型神经元，这些神经元可受到邻近星形胶质细胞的诱导产生动作电位。在DISC1-N小鼠中，这些神经元展示出放电能力降低、与星形胶质细胞的互作受损等特点。该研究的另一个关键发现是，通过光遗传/化学遗传等手段激活BLA中的星形胶质细胞，通过D-serine作用于BLAWFS1神经元的NMDA受体，可以恢复这些神经元的兴奋性，从而改善DISC1-N小鼠的异常风险评估行为。研究还发现，直接激活BLAWFS1并不能有效地纠正DISC1-N小鼠风险回避不足的异常行为。BLA星形胶质细胞调控神经元功能干预风险评估行为的工作模式图屠洁研究员团队历时7年，揭示了DISC1-N转基因精神障碍小鼠中，BLA星形胶质细胞释放神经递质的能力下降，同时该脑区某一特定亚类兴奋性神经元也表现出对胶质细胞的响应能力下降。这种“双向奔赴”的功能异常导致了该神经元的放电活动下降，最终影响小鼠对风险的决策，呈现出风险回避行为的缺失。该研究为治疗精神疾病中的风险评估功能障碍提供了新的治疗靶点，并为理解星形胶质细胞在行为调控中的关键作用提供了新的证据。近年，屠洁研究员团队专注于研究长期应激如何引发大脑功能稳态失衡，以及这种失衡是如何导致行为异常和疾病，尤其是精神障碍下行为异常的神经环路和细胞分子机制。研究团队部份成员合照：主要通讯作者屠洁研究员（左四）；第一作者周辛夷博士（右四）、共同第一作者肖倩博士（左三）中国科学院深圳先进技术研究院脑所屠洁研究员、杨帆研究员和王立平研究员为该论文的共同通讯作者；中国科学院深圳先进技术研究院、深圳市人民医院联合培养博士后周辛夷博士，助理研究员肖倩博士为该论文的共同第一作者。本项目的研究得到了中国科学院深圳先进技术研究院脑所陈宇研究员和陈岳文副研究员的大力支持和帮助。深圳理工大学（筹）生命健康学院院长王玉田院士、张志珺教授对本研究给予了重要的指导和关注。该研究受到国家自然科学基金、科技部重点研发计划、广东省重点领域研发计划和深圳市基础研究重点项目等基金的支持。

2024-04-22

Cell reports medicine | 超声可视化在体调控肿瘤内细菌基因表达治疗肿瘤

4月18日，中国科学院深圳先进技术研究院合成所严飞研究员团队与南华大学附属长沙中心医院陈智毅教授团队合作的最新成果以“Ultrasound-visible engineered bacteria for tumor chemo-immunotherapy”为题在线发表于Cell子刊Cell reports medicine。在该工作中，研究团队构建了一种超声可视化工程细菌（Ec@DIG-GVs），内部含有声学报告基因和温控基因表达线路，表面修饰了阿霉素（DOX）化疗药物。这些工程化的肿瘤靶向细菌可以表达声学报告基因产生气体囊泡（GVs），为聚焦超声（hHIFU）提供实时成像引导，使超声焦点能精准定位于肿瘤内的工程化细菌，诱导细菌在肿瘤局部表达和分泌IFN-γ。IFN-γ的产生不仅可以杀死肿瘤细胞，还可以诱导巨噬细胞从M2表型向M1表型极化，促进DC细胞成熟。此外，工程化细菌表面的DOX可在肿瘤酸性微环境中释放，导致肿瘤细胞免疫原性死亡。IFN-γ和DOX的共同作用激活肿瘤特异性T细胞反应，产生协同效应大大增强了抗肿瘤的效果。该研究发展了一种在体可视化调控肿瘤靶向细菌基因表达的新策略，在细菌、免疫细胞、干细胞等活体细胞在体基因表达调控方面具有巨大的潜在应用价值。中国科学院深圳先进技术研究院合成所严飞研究员与南华大学附属长沙中心医院陈智毅教授为论文的共同通讯作者。中国科学院深圳先进技术研究院前客座学生杨曜彰为第一作者。文章上线截图原文链接：https://doi.org/10.1016/j.xcrm.2024.101512合成生物学技术与肿瘤靶向细菌的整合极大地提高了细菌对肿瘤内部微环境或外部物理刺激的响应性能，使在体精准调控治疗基因的表达成为可能。目前，研究者结合各种启动子元件已开发了多种化学、物理和生物方法，以实现工程化细菌在肿瘤部位精准调控治疗基因的表达。然而，利用静脉注射化学诱导物存在毒副作用且难于靶向聚集肿瘤部位，群体感应诱导系统存在基因诱导时间不可控等问题；利用光控或声控等物理刺激手段具有靶向精准刺激、时空分辨率高、开启或关闭便捷等优势，但光控刺激存在组织穿透性不足，限制了其在深部肿瘤中的应用；相比之下，超声具有高的组织穿透性，优良的时空分辨率，不仅可以实时成像，还可以将声波进行聚焦于深部肿瘤部位产生热效应用于基因的表达调控。在之前的研究中（Nat Commun. 2022;13:4468），研究团队开发了一种超声响应性基因线路，将其整合到肿瘤靶向细菌实现了治疗基因在肿瘤部位的时空可控表达，提高了细菌基因治疗肿瘤的有效性和安全性。然而，由于细菌在肿瘤内部分布不均以及超声焦点难于监测，目前仍然无法可视化这些肿瘤内部的工程化细菌，并实现影像引导超声精准定位肿瘤内细菌调控治疗基因的表达。为此，严飞研究员团队和陈智毅教授团队研发了一种超声可视化工程细菌（Ec@DIG-GVs），可在超声成像引导下精准调控肿瘤内工程化细菌的基因表达，为肿瘤治疗提供了一种新的策略。研究团队首先将声学报告基因（ARG1）质粒和温控基因线路（IFN-γ）质粒依次导入至大肠杆菌MG1655中，获得了Ec@IG，接着在体外诱导Ec@IG内的声学报告基因表达GVs获得含生物纳泡细菌Ec@IG-GVs。最后，利用化学修饰策略将阿霉素连接至Ec@IG-GVs表面制备获得了超声可视化的工程化细菌Ec@DIG-GVs。透射电镜及相差显微镜结果证实Ec@DIG-GVs细菌内部表达了大量的生物纳泡（GVs），免疫荧光标记和吸收光值测定表明阿霉素成功偶联至细菌表面（图1）。图1. 超声可视化细菌的制备研究团队进一步对Ec@DIG-GVs的各项功能进行了验证。首先确认了含GVs的Ec@DIG-GVs具有超声造影成像信号且具有浓度依赖性增强。同时，为了验证超声成像引导hHIFU刺激工程化细菌内温控基因线路表达外源基因的可行性，研究团队将Ec@IG-GVs中的IFN-γ基因替换为mCherry报告基因（Ec@MG-GVs），并将该细菌包埋至琼脂凝胶内（上层为含泡细菌，下层为不含泡细菌），在超声成像引导下将hHIFU焦点定位至Ec@MG-GVs处辐照25分钟，结果显示hHIFU辐照的区域由于GVs的爆破出现了超声信号的消失，37°C放置6小时后发现仅仅接收hHIFU的区域出现了明显的红色荧光，表明工程化细菌可以实现超声造影引导hHIFU定点诱导mCherry蛋白的表达。此外，通过将Ec@DIG-GVs置于不同pH值条件下，证实了DOX能够实现酸响应性释放并有效进入肿瘤细胞（图2）。图2. 超声可视化细菌的功能表征随后，研究团队测试了Ec@DIG-GVs的肿瘤细胞杀伤活性和免疫激活的情况，将Ec@DIG-GVs进行酸性处理并给予hHIFU辐照诱导IFN-γ的表达，离心去除细菌后获得了含有DOX和IFN-γ的上清液。将该上清液与肿瘤细胞孵育后，可见肿瘤细胞发生明显的凋亡和免疫原性死亡（CRT、HMGB1蛋白标志物的检测）。将该上清液与巨噬细胞共孵育后发现M1型巨噬细胞占比明显增加，说明Ec@DIG-GVs所释放的IFN-γ和DOX具有杀伤肿瘤并能诱导M1型巨噬细胞极化（图3）。图3. 超声可视化细菌表达IFN-γ并释放DOX杀伤肿瘤细胞并诱导巨噬细胞极化接着研究团队将该工程化细菌应用到荷瘤小鼠中，通过瘤内注射Ec@MG或Ec@MG-GVs，发现Ec@MG-GVs展现出良好的肿瘤内超声成像能力，通过超声成像定位肿瘤内细菌位置并引导hHIFU进行辐照。结果显示在同一个肿瘤内仅仅经过hHIFU辐照的区域超声信号消失，4小时后辐照区有红色荧光产生（mCherry蛋白表达），而未辐照区域无红色荧光。切片结果显示辐照区域所产生的红色荧光呈近似圆形，能与hHIFU辐照焦点相对应。利用该方法进行超声成像引导hHIFU辐照Ec@DIG-GVs进行肿瘤治疗，肿瘤生长可以得到明显的抑制，并延长荷瘤小鼠的生存期（图4）。图4. 瘤内注射超声可视化细菌的抗肿瘤效果验证在确认瘤内注射工程化细菌联合超声辐照能取得较好的治疗效果后，研究团队进一步测试了该工程化细菌静脉注射后的肿瘤靶向能力，为便于观察，将ICG替换DOX修饰至Ec@IG-GVs表面获得Ec@IIG-GVs，静脉注射Ec@IIG-GVs后，肿瘤及各主要器官荧光成像结果表明Ec@IIG-GVs具有较好的肿瘤靶向聚集能力。重要的是，研究团队发现静脉注射Ec@IIG-GVs后，肿瘤内超声成像信号随时间逐渐增加，与荧光成像靶向验证结果相一致（图5），表明工程化细菌还可实现在肿瘤内的超声成像示踪。图5 超声可视化细菌的肿瘤靶向验证基于该工程细菌良好的肿瘤靶向性，研究团队进一步检测了静脉注射Ec@DIG-GVs联合超声诱导IFN-γ基因表达治疗肿瘤的效果，在静脉注射Ec@DIG-GVs后，通过超声成像确定工程化细菌到达肿瘤的时间和位置，引导hHIFU辐照诱导肿瘤内细菌IFN-γ的表达。结果表明，在IFN-γ和DOX的共同作用下，Ec@DIG-GVs+hHIFU处理组显著抑制了肿瘤生长，延长了荷瘤小鼠生存时间，进一步的机制研究发现超声成像引导hHIFU辐照Ec@DIG-GVs（Ec@DIG-GVs+hHIFU组）显著不仅促进了肿瘤细胞的凋亡，还促进了肿瘤内DC细胞成熟，M2型巨噬细胞向M1型极化，有效激活了机体的抗肿瘤免疫效应（图6）。图6. 静脉注射超声可视化细菌的抗肿瘤与免疫激活效应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及深圳合成生物学创新研究院等项目的支持。参考文献：Yaozhang Yang;Yuanyuan Wang;Fengyi Zeng;Yuhao Chen;Zhiyi Chen;Fei Yan. Ultrasound-visible engineered bacteria for tumor chemo-immunotherapy. Cell reports medicine, 2024.

2024-04-19