科研进展*

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化学所人工模拟光合作用水裂解催化中心研究获重要进展

中科院化学所光化学实验室光生物研究组成功合成得到了新型Mn4Ca簇合物。这类化合物是迄今为止所有人工模拟物中与生物水裂解催化中心结构最为接近的模拟物，它不仅很好模拟了不对称的Mn4Ca簇核心结构，而且模拟了其生物配体环境。该模拟物中4个Mn离子的价态（+3，+3，+ 4，+4）与生物水裂解催化中心完全一致，其氧化-还原特性、电子顺磁特性及化学反应特性方面也均与生物水裂解催化剂类似，而且同样具有催化水裂解的催化功能。这类模拟物的获得是人工光合作用研究的重大突破，它对研究自然界光系统II水裂解中心的结构和水裂解机理有重要的参考价值，同时也可能对今后制备廉价、高效的人工水裂解催化剂有重要的科学意义和应用价值，有望为人类利用太阳能和水产生清洁能源开辟新途径。相关研究成果发表在Science上（相关图片请见封面）。

中科大等发现基于单原子层的新型单光子源

中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳研究组与其合作者，在国际上首次在类石墨烯单原子层半导体材料中发现非经典单光子发射，连接了量子光学和二维材料这两个重要领域，打开了一条通往新型光量子器件的道路。他们在国际上首次实验发现，WSe2二维单原子层中的原子缺陷能够束缚激子而成为非经典的单光子发射器，验证其二阶关联函数约为0.14。单光子具有极窄的谱线线宽约100微电子伏特，比WSe2二维单原子层非定域的谷激子的线宽小两个数量级。通过磁光测量发现，缺陷中激子具有异常大的朗德g因子，大约为8.7，远大于单原子层谷激子和InAs量子点。和其他的单光子系统相比，这种基于单原子层的单光子器件不仅利于光子的读取和控制，并且可方便地制备和实现与其他的光电器件平台结合，例如微纳结构谐振腔，实现高效光量子信息处理线路。理论表明，通过电场控制，还可能实现对单电子自旋-谷耦合自由度的量子调控，在未来可应用于可容错量子计算的研究。相关研究成果发表在Nat Nanotechnol上。

生态中心等在生态系统服务多尺度评估及应用研究中取得进展

中科院生态环境中心欧阳志云研究组与其合作者，在生态系统服务多尺度评估及应用研究方面取得进展。研究组以“南水北调”中线水源地陕西安康的“移民安置”项目为对象，采用生态系统服务评估模型InVEST（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs）、农户调查等方法，研究了生态系统服务4个尺度利益相关者（移民安置农户、当地政府、下游水资源用户和全球受益者）的成本效益及其时间动态。评估发现：尽管政府短期投入成本远大于其短期效益，但长远来看，移民安置政策增加生态系统水质净化、土壤保持和固碳服务，将给当地政府、下游水资源用户和全球受益者带来显著的净效益。然而，对移民搬迁农户而言，需要付出较高的安置成本，导致贫困农户由于缺乏支付能力而难以参与移民安置项目，增加移民补贴以及移民安置后的生计扶持、从水质改善和固碳服务增加的受益者中获得补偿等措施，将有助于实现项目预期目标。该项研究以生态系统服务的多尺度传递为基础，将生态系统服务与多个尺度利益相关者的福祉有机联系起来，为开展保护与发展政策的综合研究提供了框架和科学方法，研究成果有助于推动保护与发展政策的科学设计、合理评估和高效实施。相关成果发表在PNAS上。

古DNA研究揭示早期现代人祖先曾与尼安德特人混血

中科院古脊椎动物与古人类所付巧妹研究组与其合作者，通过有目的性的大区域核DNA富集实验发现，目前欧洲最早的有直接测年的早期现代人Oase 1，这个约4万年前的欧洲现代人含有6%—9%左右的尼安德特人基因，超出了目前任何已知的早期现代人基因组和现存欧亚大陆人基因组含有的尼安德特人的含量（1%—4%）。评估Oase 1个体的尼安德特长片段的长度分布发现，该个体的4—6代的祖先存在尼安德特人，换而言之，就是他的曾曾曾祖父母中有一个是尼安德特人。这次与尼安德特人发生的基因交流的年代可追溯到该欧洲个体存在前的不到200年内，意味着现代人祖先与尼安德特人的基因交流可能不仅仅局限于中东，很可能在之后的欧洲也同样发生了。与现代人人群的关系表明，该欧洲个体Oase 1所代表的群体相较于非洲人而言，更接近欧亚大陆群体，但看不出与某一具体亚洲、欧洲或北亚古群体更接近。换而言之，其所属群体与欧亚大陆的共同祖先同祖。在一定程度上，该欧洲个体似乎没有直接的后裔存在于欧洲，很可能源于其是现代欧洲人密切与尼安德特人互动的早期移民的一部分，但最终灭绝。这是一个很多遗传学家意想不到的研究结果。可以说，能够通过古DNA观察到一个早期现代人个体的基因组与尼安德特古人类如此密切联系是科研领域的幸运，也正是这一研究让科学家更深刻地认识到，古DNA对于了解人类演化大树的重要性。相关研究成果发表在Nature上。

上海巴斯德所等合作研究发现调节性T细胞功能调控新机制

中科院上海巴斯德所李斌研究组与其合作者，研究发现了转录因子FOXP3蛋白的新的结合蛋白DBC1，从而揭示了炎症条件下调控调节性T细胞功能的新机制。研究人员通过串联亲和层析和质谱的方法，发现了FOXP3复合物新的组成成分——乳腺癌缺失分子1（Deleted in Breast Cancer 1,DBC1）。并发现DBC1能够和FOXP3蛋白直接相互作用，能在炎症条件下促进FOXP3蛋白的降解。在自身免疫性脑脊髓炎（Experimental autoimmune encephalomyelitis,EAE）和关节炎模型中，Dbc1敲除小鼠与野生型小鼠比较，敲除小鼠的发病滞后且病症更轻，FOXP3蛋白更稳定，Treg的抑制活性更强。另外，研究人员还发现，胱天蛋白酶8（Caspase 8）介导炎症条件下DBC1对FOXP3功能的调控。抑制胱天蛋白酶8的活性或者下调胱天蛋白酶8的表达，能够逆转炎症条件下FOXP3蛋白的降解。该项研究成果揭示了在炎症条件下FOXP3复合物的新的调控机制，为今后自身免疫病的治疗提供了新的思路和靶标。相关研究成果发表在PNAS上。

上海生科院发现能在酸性环境中特异性识别凋亡坏死细胞的免疫受体

中科院上海生命科学院生物化学与细胞生物学所何勇宁研究组发现了能够在酸性环境中特异性识别凋亡及坏死细胞的免疫受体，并揭示了相关的分子机制。研究人员结合冷冻电镜三维重构技术和相关的分子生物学方法，获得了人源DEC205胞外段的三维结构，并发现该分子在酸性条件和碱性条件下呈现不同的构象。在酸性条件下，该分子形成一个紧凑的双环状构象。而在碱性条件下，双环状构象被打开，呈现具有较大柔性的线性构象。进一步的生化和细胞实验表明，DEC205在酸性和碱性条件下的构象变化与其功能直接相关。DEC205仅在酸性条件下识别凋亡和坏死细胞，而对于正常细胞而言，DEC205无论在酸性还是碱性条件下都不会识别。这表明，DEC205是一个在酸性环境中特异性识别凋亡坏死细胞的免疫受体，也是到目前为止发现的首个具有这种功能的受体。事实上，酸化与细胞凋亡、肿瘤发生以及炎症都紧密相关，因此关于DEC205的这一研究意味着新的凋亡细胞清理通路。另外，由于DEC205已被用于针对肿瘤等抗原的免疫疗法，该研究也为相应的抗肿瘤免疫策略提供了新思路。相关研究成果发表在PNAS上。

科学家揭示LKB1失活调控非小细胞肺癌可塑性和药物反应机制

中科院上海生命科学院生物化学与细胞生物学所季红斌研究组深入揭示了LKB1失活调控非小细胞肺癌可塑性及药物响应的重要功能和相关机制，为认识人类肺癌的发病机理提供了新的视角和思路，对肺癌的诊断和治疗具有重要的临床指导意义。研究人员结合多种实验手段发现Kras/LKB 1小鼠肺腺癌中活性氧簇（Reactive Oxygen Species，ROS）的水平明显高于肺鳞癌；降低肺腺癌中的ROS水平可抑制其向肺鳞癌的转分化。进一步发现，肺腺癌中ROS的异常积累源于戊糖磷酸途径（pentose phosphate pathway,PPP）下调和脂肪酸氧化（Fatty Acid Oxidation,FAO）通路失活引起的氧化还原态失衡。临床样本的分析证实，LKB1缺失的部分肺腺癌样本呈现出鳞癌特征基因的表达，而LKB1缺失的部分肺鳞癌样本呈现出腺癌特征基因的表达；此外，PPP、FAO通路和氧化还原的标志性基因在这些样本中呈现和小鼠肿瘤一致的差异表达特征。利用Kras/LKB1模型进行临床前实验发现，缺失LKB1的肺腺癌和肺鳞癌对ROS诱导剂Piperlongumine和代谢药物Phenformin具有不同的敏感性；虽然这两种药物对肺腺癌有一定的疗效，却会促使一部分肺腺癌转分化为肺鳞癌从而导致肿瘤耐药性的产生。他们提出LKB1在非小细胞肺癌进展过程中的阶段特异性功能，即早期作为抑癌基因，晚期作为氧化还原/代谢稳态的调控因子。LKB1失活引起的氧化还原态失衡使得肺腺癌异常积累ROS，而后者促使肺腺癌转分化为鳞癌，并获得更强的代谢应激适应能力。更重要的是，这种转分化影响肿瘤细胞对靶向代谢药物的响应和疗效，这提示临床上LKB1失活的肺腺癌有可能通过转分化为肺鳞癌来逃脱某些靶向肿瘤代谢的药物治疗。为了更好地实现临床精准医疗，发生耐药的肺癌患者可能需要进一步的活检来确证其病理类型是否发生改变，从而对症下药。相关研究成果发表在Cancer Cell上。

生物物理所揭示表观遗传因子CENP-A介导着丝粒功能的机制

中科院生物物理所李国红研究组利用生物化学和细胞生物学方法发现，CENP-A的 RG loop（CENP-A特有的Arg80/ Gly81两个氨基酸）对CENP-A染色质形成“双排结构”非常关键，并且还是CENP-A招募CENP-N的关键性位点。有趣的是，CENP-N只能够与结构开放的CENP-A染色质结合，而结构紧密的“双排”CENP-A染色质则可以抑制CENP-N的结合。进一步研究发现，随着细胞周期中DNA的复制，着丝粒区CENP-A染色质结构由G1期的紧密状态转变为S期的开放状态，从而使CENP-N在S期被招募并装配至着丝粒CENP-A染色质上。综合以上结果，李国红研究组提出了着丝粒区染色质结构周期性的变化可以调节RG loop在CENP-A染色质上的“暴露”或“隐藏”，从而调节CENP-N周期性地装配至着丝粒，进而介导着丝粒的功能，为揭示表观遗传因子CENP-A在着丝粒染色质高级结构建立中的功能以及如何招募下游CCAN蛋白并完成着丝粒功能提供了答案。相关研究成果发表在Gene Dev上。

我国科学家获得埃博拉病毒研究最新成果

中科院微生物所刘翟研究组与其合作者，利用2014年7—11月期间在塞拉利昂的5个大区检测的3 000多份埃博拉病人样本，成功分离测定175株病毒全基因组序列。通过对这些病毒基因组的系统分析，得到一系列重要的研究结论。首先，埃博拉病毒的进化速率相比于暴发初期明显降低，由每年每千个核苷酸位点2.03次突变减少为每年每千个核苷酸位点1.23次突变。之前以美国研究团队为主发表的研究成果提示，埃博拉病毒突变速率远远高于历史数据，接近流感病毒的进化速率。这一结果引起了广泛的争论——进化速率的大幅提升将会给埃博拉疫苗和药物的研发造成巨大的影响。而此次最新数据和分析结果证实，病毒的进化速率并未大幅提升，基本与历史平均速率相仿。推测之前的研究结果只是病毒特定进化时期的瞬时表现。同时，最新的研究成果也表明，埃博拉病毒遗传多样性在持续增加，相比于之前的报道，中国科学家团队发现了440个单核苷酸多态性位点，其中有1/4的位点是非同义突变位点，有可能造成病毒蛋白结构和性质的改变。研究结果提示，这些位点在今后的研究工作中应该重点关注。此外，科学家还发现了可以用作病毒分型重要标记的病毒进化的差异性位点。通过病毒基因组比较分析，科学家还注意到了在6个病人体内的病毒存在串联突变的情况。这一发现在埃博拉病毒中首次被报道，关于其背后的生物学意义，还需要进一步的科学探索。该研究工作由国内几家优势单位合作完成，包括中国军事医学科学院、中国疾病预防控制中心、中科院、中国医学科学院、泰山医学院、华大基因研究院等。相关研究成果发表在Nature上。

微生物所揭示H6N1亚型禽流感病毒跨物种传播机制

中科院微生物所高福研究组揭示H6N1亚型禽流感病毒跨物种传播机制。研究人员通过分析台湾地区所有H6N1亚型流感病毒的HA蛋白中决定受体结合特性的关键性氨基酸位点变化，选取代表性毒株从蛋白和病毒水平上对其受体结合特性进行了研究，从而提出台湾地区的H6N1亚型流感病毒按其受体结合特性变化，可分为两个不同的主要时期，即早期为偏好禽源受体结合期和后期为双受体结合期，而这次人感染H6N1则偏好结合人源受体。通过对突变体受体结合特性的研究，鉴定了其受体结合特性发生转变的关键性氨基酸位点，即186、190、228位氨基酸在H6N1亚型流感病毒的受体结合特性转变中发挥了重要的作用，E190V、G228S的突变可使H6N1亚型流感病毒获得人源受体结合能力，而P186L突变可使其偏好性结合人源受体。同时研究人员还通过结构生物学的方法从原子水平上阐明了P186L突变使得H6N1亚型流感病毒发生受体偏好性改变的结构基础。研究人员认为，目前大部分H6N1亚型的流感病毒仍保持着高水平的结合禽源受体的能力，这可能限制了其在人体内有效的复制和传播，但其对人类的生命安全还是会造成一定威胁，正如新型H7N9流感病毒一样，尤其是当H6N1亚型病毒与H9N2亚型流感病毒发生基因重组后，可能会引起新的流感大暴发。更为重要的是，这次人感染H6N1禽流感病毒偏好性结合人源受体，表明它在受体结合特性上已与人流感病毒类似，如果加上其他的基因变异，极有可能引发大流行。相关研究成果发表在Embo J上。

草鱼全基因组序列图谱绘制完成

中科院水生生物所、中科院国家基因研究中心与其合作者，完成了草鱼（Ctenopharyngodon idellus）基因组序列草图的绘制，该研究采用鸟枪法测序策略，分别对一尾雌性和一尾雄性草鱼进行了全基因组测序，通过改良的de novo Phusion-meta拼接，获得雌性（0.9 GB）和雄性（1.07 GB）草鱼基因组组装序列。雌性草鱼为人工减数分裂雌核发育个体，因其基因组杂合度显著降低，获得了高质量的组装序列；雄性草鱼为野生个体，基因组组装质量明显下降，但为雄性基因组特异片段的挖掘提供了基础数据。基于草鱼多个组织的转录组数据和斑马鱼同源基因信息，在雌性基因组中注释了27 263个蛋白编码基因，完成了其中17 456个基因在草鱼染色体上的定位。与现有12种脊椎动物基因组的比较研究发现，草鱼与斑马鱼经历了相似的基因组演化历程，它们共享7 227个基因家族，草鱼基因组中免疫相关结构域基因家族发生了显著扩张，两者的分化时间大约距今4 900万年—5 400万年。共线性分析和FISH检测结果显示，草鱼的第24号染色体对应于斑马鱼的第10和第22号染色体，提示草鱼基因组在演化过程中发生了一次染色体融合。在草鱼雌性基因组和雄性基因组的比较研究中，发现了2.38 Mb雄性特有序列，包括206个片断，这些特异性片段主要分布在草鱼的第24号染色体上。草鱼第24号染色体的物理长度最长，但遗传距离却最短，表明其在减数分裂过程中的重组交换率显著偏低。据此推测，草鱼24号染色体的融合可能与其性染色体的分化有关。该研究的基因注释结果表明，草鱼基因组中并不存在纤维素降解酶基因；比较转录组分析发现，草鱼在草食性转化过程中，肠道中昼夜节律相关基因的表达模式发生了重设，肝脏中甲羟戊酸通路和类固醇生物合成通路被激活。草鱼可能通过持续高强度的食物摄入，获取足够多的可利用营养以维持其快速生长。相关研究成果发表在Nat Genet上。

植物所植物光系统I膜蛋白超分子复合物结构研究获重要进展

中科院植物所沈建仁和匡廷云研究组长期致力于光合膜蛋白结构和功能的研究，经过多年的积累解析出了高等植物PSI-LHCI光合膜蛋白超分子复合物2.8 Å的晶体结构。这一研究成果首次全面地解析了高等植物PSI-LHCI光合膜蛋白超分子复合物的精细结构，它包括16个蛋白亚基（12个核心蛋白亚基PsaA-L及4个捕光天线蛋白亚基Lhca1-4）、155个叶绿素分子（143个叶绿素a和12个叶绿素b）、35个类胡萝卜素（26个β-胡萝卜素、5个叶黄素、4个紫黄质）、10个脂分子（6个磷脂酰甘油PG、3个单半乳糖二酰基甘油MGDG、1个双半乳糖二酰基甘油DGDG）、3个铁硫簇、2个叶绿醌和一些水分子，总分子量约600 kDa。这一研究成果首次揭示了高等植物PSI的4个不同捕光天线蛋白复合体在聚集状态下的结构和它们的异同，以及它们之间的相互关系；首次揭示了高等植物PSI捕光色素蛋白复合体全新的色素网络系统，揭示了每一种色素分子在每一个结合位点上的化学性质和几何排列，特别是首次解析了特殊的叶绿素——红叶绿素（Red Chls）的结构；最后，根据这一高分辨率结构提出了LHCI向PSI核心复合体能量传递可能的4条途径。这一突破性研究成果为揭示高等植物PSI高效吸能、传能和转能的机理奠定了坚实的结构基础，对于阐明光合作用机理具有重大的理论意义；为开辟太阳能利用、开发清洁能源、解决人类社会可持续发展所面临的能源、粮食和环境等问题都具有重大战略意义。相关研究成果发表在Science上。

理化所碳点光诊疗剂研究取得新进展

中科院理化技术所光化学转换与功能材料院重点实验室在碳点光诊疗剂研究方面取得了新的进展。研究人员以聚噻吩脂肪酸衍生物为碳源制备了表面带负电的低毒、水溶性碳点。研究发现，此类负电碳点具有集荧光、光声、光热成像和光热治疗四功能于一体（Four-in-One）的特性，可实现光激发下对肿瘤的诊断和治疗，从而拓宽了碳点在纳米生物医学领域中的应用。这种性能独特的碳点不仅能够用于光动力治疗肿瘤、杀灭细菌，而且在可见光催化及光电子等领域也展现出重要应用前景。此外，研究人员也进一步考察了光敏化机制，以及表面态对所制备的不同碳点发光、光动力、光热等性质的影响。相关研究成果发表在Adv Mater上。

兰州化物所制备出超高强度水凝胶生物润滑材料

中科院兰州化学物理所周峰研究组利用分子工程设计制备出了一种具有双交联网络的超高强度水凝胶，该水凝胶具有新颖的共价键与配位键双交联的结构形式，其中的化学交联形成惰性的水凝胶交联网络，接着利用铁离子-羧酸根的配位键作为动态的交联形式，在受到外界的应力后，可动态地断裂配位键以耗散能量，从而大大提高水凝胶的机械性能。该水凝胶表现出了超高的断裂拉伸强度，断裂应力大于6 MPa，断裂拉伸率大于700%，力学性能优异。而且，由于拉伸过程中断裂的配位键是一种可逆的非共价键，拉伸后断裂的配位键在很短的时间内又能重新形成，从而恢复水凝胶原来的状态，表现出了优异的抗疲劳性能。该材料未来有望在关节润滑材料、人造血管等领域获得重要应用。相关研究成果发表在Adv Mater上。

2015年7月5日