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            蛋白质发挥功能的“原位”环境是细胞,因此在细胞内开展蛋白质的结构和动力学研究对蛋白质功能的解析至关重要。细胞内大分子的浓度可以达到300-450g/L,拥挤的细胞环境可能会影响蛋白质的折叠,进而影响其功能。但是细胞环境如何影响蛋白质折叠过程目前并不很清晰。  近日,青岛能源所姚礼山研究员带领的蛋白质设计研究组在细胞内蛋白质折叠研究方面取得新进展。该研究以IgG结合蛋白质GB3的两个突变体MutX和MutY(图1)为研究体系,采用核磁共振技术,对其在细胞内的折叠态与解折叠态之间的构象交换进行了表征。结果表明蛋白在细胞内和缓冲溶液中的折叠和解折叠的动力学过程有较大差异(图1),折叠态、解折叠态和过渡态的相对自由能受到了细胞环境的影响(图2)。进一步研究表明,这一影响主要来自于细胞内的五级作用力,但这种作用力不足以改变蛋白质的折叠态和解折叠态的构象。该研究结果也表明离体条件下的蛋白质功能研究需要在细胞环境中进行独立验证。相关研究已发表于JournaloftheAmericanChemicalSociety杂志上(JACS2019,DOI:10.1021/jacs.9b04435)。  以上研究由蛋白质设计研究组姚礼山研究员主持完成,获得国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、山东省自然科学基金和山东省泰山学者项目的支持。(文/图 宋乡飞陈景飞姚礼山)  图1.GB3突变体MutX和MutY在细胞内和水溶液的折叠与解折叠构象交换动力学的比较  图2.GB3突变体MutX和MutY在不同条件下的自由能图  附录:  XiangfeiSong,TianhangLv,JingfeiChen,JiaWang,andLishanYao*,CharacterizationofResidueSpecificProteinFoldingandUnfoldingDynamicsinCells,JournaloftheAmericanChemicalSociety,2019(DOI:10.1021/jacs.9b04435)。  https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.9b04435

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            植物着丝粒是基因组中进化最剧烈、结构最复杂的区域,在物种形成和分化过程中发挥重要作用。大多数植物着丝粒结构复杂,主要是由高度重复的卫星DNA(satellite)以及中间穿插的反转座子序列(CR)组成,其中着丝粒satellite序列单元长度主要集中在150–180bp之间,例如水稻CentO和玉米CentC序列,多年前已经发现并用于着丝粒结构与功能研究。普通小麦是重要的粮食作物,经过两次远缘杂交和多倍化过程,是染色体组进化及多倍体二倍化研究的模式材料。然而普通小麦基因组巨大,90%以上的序列均是高度的重复序列,给小麦研究带来巨大的挑战。前期对小麦着丝粒的研究基本局限于通过筛选着丝粒BAC等手段,获得某些着丝粒序列。对小麦着丝粒全面解析,包括小麦着丝粒DNA序列组成(尤其是功能性satellite序列)、结构以及其在基因组形成和进化过程中的动态变化及对多倍化适应的分子机制目前基本不清楚。  韩方普研究组长期从事植物着丝粒的遗传和表观遗传学研究。前期在小麦非整倍体及其野生近缘种杂交后代观察到丰富的着丝粒变异现象,染色体重排诱导着丝粒序列减少、丢失、扩增、新着丝粒以及多着丝粒形成,不稳定的着丝粒可能造成染色体频繁的断裂和接合,暗示着丝粒在异源多倍体小麦物种形成过程潜在的功能(Guoetal.,2016)。近年来随着小麦参考基因组的逐渐公布,对小麦着丝粒进行全面的解析成为可能。  利用我们实验室发表的中国春小麦着丝粒表观标记CENH3抗体的ChIP数据,重新比对到最新的中国春参考基因组上,确定小麦着丝粒大小及位置(图A)。在小麦中发现两类着丝粒特异的串联重复序列,和CENH3核小体结合,分别在其二倍体供体B和D亚基因组着丝粒富集分布(图B)。与传统着丝粒的串联重复序列单元大小150-180bp不同,小麦着丝粒satellite序列单元大小超过500-bp,序列上包含特定的CENH3结合位点,表现出周期性CENH3结合特点。系统进化树分析表明小麦麦着丝粒串联重复序列在不同亚基因组间发生分化,更同质的串联重复序列保持和CENH3核小体的结合(图C)。多倍化过程中小麦着丝粒结构发生重排,基因位置和表达水平发生变化,着丝粒串联重复序列发生局部扩增,整体拷贝数减少,但是序列的遗传多样性增加。异源六倍体小麦着丝粒在不同亚基因组之间的不对称性可能参与小麦减数分裂过程同源染色体的配对,促使多倍体小麦的稳定传递。  该论文于2019年7月16日在线发表于PlantCell(doi.org/10.1105/tpc.19.00133),韩方普研究组已毕业博士研究生苏汉东和刘亚林为该文章的共同第一作者,韩方普研究员为通讯作者。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。图小麦着丝粒串联重复序列在不同亚基因组之间的分布 A:中国春小麦第一同源群着丝粒位置,B:两个亚基因组着丝粒富集的satellite序列分布;C:小麦着丝粒satellite序列在不同亚基因组间系统发育分析

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            2018年7月至8月,东北亚包括中国华北和东北、朝鲜半岛、日本南部以及蒙古南部等地区遭遇了罕见高温的侵袭,月平均气温突破历史极值,严重影响人体健康和工农业生产。近期,中国科学院大气物理研究所博士许可与研究员陆日宇、毛江玉、中山大学副教授陈锐丹的研究指出,2018年夏季东北亚罕见的极端高温与中纬度异常的环流有关,成果在AtmosphericandOceanicScienceLetters上发表。  研究指出,东北亚的此次极端高温与局地深厚的位势高度正异常有关。位势高度正异常的强度达近40年以来最强,对应异常的反气旋环流和下沉气流,通过加强向下的短波辐射和绝热增温引起地表气温上升。基于多年统计分析的结果,夏季东北亚上空的环流受上游北欧和里海地区环流的影响(如图)。2018年夏季,北欧和里海两地上空的位势高度均显著增强,并且强度都达到当地历史极值,从而通过激发下游波列,共同促成了东北亚极端的位势高度和温度异常。同样的,受环流影响,北欧和里海两地也都经历了创纪录的极端高温。此研究中所揭示的中高纬两种遥相关型,对东北亚地区极端高温的预报具有重要的指示意义。 图(a)北欧和(b)里海位势高度指数分别回归的200百帕位势高度异常(等值线;单位:m)。在回归前去除位势高度的纬向平均以突出纬向非对称的成分。等值线间隔为4m。零线省略。阴影表示异常达到0.05显著性水平的区域。矢量为与(a)北欧和(b)里海位势高度指数分别相关的波活动通量(单位:m2s-2)。  Citation:Xu,K.,R.Lu,J.Mao,andR.Chen.2019.“Circulationanomaliesinthemid–highlatitudesresponsiblefortheextremelyhotsummerof2018overnortheastAsia.”AtmosphericandOceanicScienceLetters12(4):231–237.https://doi.org/10.1080/16742834.2019.1617626

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                现有的研究认为,地球及类地天体(月球、火星、水星及木星的一些卫星等)都具有相似的核幔结构。这些天体的核部被认为是铁合金为主,加上不同含量的轻元素(碳,硅,氧,硫,磷等)。对纯金属铁在高温高压条件下的电阻率研究一直是了解内核物理性质的重要手段。金属的热导率受控于电子传热和声子传热(晶格振动),其中电子传热占主导地位,因此通过Wiedemann-Franz公式可以由金属的电阻率计算得到其热导率。金属的热导率极高,在高温高压原位条件下进行测量极为困难,原位测量金属的电阻率则为我们获得金属铁核的热导率提供了一种途径。金属核的热学参数对于限定核幔之间的热流、核内的热分布、固液相的状态、固态内核的形成年龄等具有重要的意义。同时,大量的实验发现:轻元素(如硅,碳等)的存在会显著地增大纯铁的电阻率,引起热导率下降。在达到熔融温度时,纯金属及含轻元素这两种情况下的电阻率的变化也有明显的不同。因此,了解轻元素对铁在高温高压条件下的电阻率的影响将为我们揭示行星金属铁核电阻率变化的情况和可能的热导率变化模型。       最近中国科学院地球化学研究所地球内部物质高温高压院重点实验室翟双猛课题组的博士研究生尹远,在3.2GPa压力及1800K温度以内,开展了磷化铁矿物高温高压条件下原位电阻率四线法测量的工作。研究结果表明:三种磷化铁矿物(FeP,Fe2P,Fe3P)在高温高压下具有相近的电阻率(1-6μ??m),都比相同条件下纯铁电阻率(~1μ??m)大,说明磷的加入增大了铁的电阻率。与铁硅合金及化合物的研究结果进行比较,发现磷对提升电阻率的作用更强,且达到熔融温度时都会出现电阻率突然下降的现象。通常纯铁在熔融时电阻率会小幅增大,但在3.2GPa下,Fe3P在达到熔点温度时电阻率下降了~33%,这可能会导致固态内核和液态外核共存时其界面上产生明显的电阻率不连续,并引发热结构的不连续。如果在一些具有固态内核及液态外核的类地天体中含有一定量的Fe3X(X为C,Si,S,P等),其内外核边界上也可能会产生同样的不连续。       上述成果发表在NatureIndex杂志,国际地学著名期刊《JournalofGeophysicalResearch:SolidEarth》上:Yin,Y.,Zhai,K.,Zhang,B.,Zhai,S.,2019.Electricalresistivityofironphosphidesathigh-pressureandhigh-temperatureconditionswithimplicationsforlunarcore’sthermalconductivity.J.Geophys.Res.SolidEarth,124,5544-5556.       全文链接:https://doi.org/10.1029/2018JB017157       本研究得到了国家自然科学基金等项目资助。       图1.不同温压条件下Fe、FeP、Fe2P和Fe3P的电阻率       图2.不同轻元素含量的铁合金及化合物的电阻率

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            近日,在国家重点研发计划“数字诊疗装备研发”专项的支持下,由苏州国科医疗科技发展有限公司、吉林亚泰生物药业股份有限公司、中国科学院物理研究所等多家单位共同承担的数字诊疗重点研发专项(项目名称:双光子-受激发射损耗(STED)复合显微镜)获得重要进展,成功研制出国内外首台双光子-STED复合显微镜样机,各项指标均满足项目要求。项目组完成了显微镜系统中核心部件的自主研制,成功研制出了具有自主知识产权的大面阵CMOS相机和长工作距离大数值孔径物镜等核心部件,打破了国外相关产品对我国的垄断。 图国内外首台双光子-STED复合显微镜样机  在当今生物学及基础医学的研究中,超分辨光学显微镜有着至关重要的作用,超分辨显微光学成像是取得原创性研究成果的重要手段。在双光子-STED成像技术方面,国外开展的相对较早,德国、加拿大、法国、意大利等多个国家的科研机构都已经成功搭建了双光子-STED成像实验系统;而国内的相关研究起步较晚,目前双光子STED成像技术仍停留在实验室研究阶段,国际上尚未出现相应的产品。因此,双光子-受激发射损耗(STED)复合显微镜的成功研制对于满足我国生物医学等前沿基础研究的定制化需求、提升创新能力以及推动我国显微镜行业升级等具有重要意义。

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            成骨分化是由细胞内信号和外部微环境信号共同调控的复杂生物学过程。在适当的刺激下,间充质干细胞(mesenchymalstemcells,MSCs)通过多个转录因子驱动的多步调控过程向成骨细胞分化,其特征是大量骨特征蛋白的表达。近日,来自意大利和西班牙的研究人员共同发现了小鼠体内一种新的转录因子可以帮助调节MSCs的骨分化过程。相关研究成果发表在StemCellsandDevelopment期刊上。该研究描述了一种新的转录因子,被命名为成骨细胞诱导因子1(osteoblastinducer1,ObI-1),它参与MSCs向成骨细胞系的分化。ObI-1编码一种核蛋白,后者在小鼠多能间充质细胞W20-17和原代小鼠骨髓MSCs中均受到蛋白酶体降解,并在成骨细胞分化过程中表达。通过RNA干扰敲除ObI-1表达则显著抑制了MSCs的成骨细胞分化和基质矿化作用,同时减少了成骨标记物Runt相关转录因子2(Runx2)和骨桥蛋白的表达。相反,ObI-1过表达则促进了成骨分化和骨特异性标记物的表达,包括骨形态发生蛋白Bmp-4和Smad信号通路。当研究人员用Bmp-4拮抗剂处理时,发现ObI-1对成骨分化的促进作用会被消除。这项研究结果表明,新发现的转录因子ObI-1至少部分通过调节BMP信号通路、激活Runx2促进MSCs的成骨分化与骨特征形成。随着人们对骨细胞分化研究的逐渐深入,MSCs作为再生医学领域重要干细胞来源的潜力也将被不断挖掘。

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