上科大近期科研速覽：生命與物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域

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楊揚組合作發(fā)現(xiàn)非人靈長類動物樹突棘動態(tài)特征

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朱煥乎組發(fā)現(xiàn)鞘脂跨組織調(diào)控發(fā)育機制

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翟曉芳組揭示錳氧化物超薄膜磁各向異性的“水遁術(shù)”

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孫博組揭示ParB蛋白隨機多聚化調(diào)控DNA組裝機制

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劉一凡組合作開發(fā)新型熒光增強數(shù)字PCR技術(shù)

發(fā)現(xiàn)非人靈長類動物樹突棘動態(tài)特征

近日，生命學(xué)院楊揚團隊與中科院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心蒲慕明團隊在權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《國家科學(xué)評論》（National Science Review）在線發(fā)表研究論文，報道了非人靈長類恒河猴的前額葉皮層神經(jīng)元樹突棘在時間進程和空間分布上的動態(tài)特征。

突觸是神經(jīng)元之間信息交流的最小單元，其穩(wěn)態(tài)與可塑性對動物神經(jīng)系統(tǒng)行使正常功能至關(guān)重要。樹突棘結(jié)構(gòu)組成了90%以上興奮性神經(jīng)突觸。科研人員在嚙齒類實驗動物中進行了數(shù)量龐大、內(nèi)容多樣的樹突棘動態(tài)特征研究，但缺乏針對非人靈長類大腦樹突棘動態(tài)特征的相關(guān)報道。

該研究利用AAV病毒載體介導(dǎo)的GFP標(biāo)記系統(tǒng)，對兩只年輕和兩只中年恒河猴的背外側(cè)前額葉皮層第五層錐體神經(jīng)元進行了稀疏高亮標(biāo)記。發(fā)現(xiàn)樹突棘在七天時間內(nèi)表現(xiàn)出6%的突觸形成率與消失率，其中新生樹突棘更容易消失，樹突片段上存在著樹突棘動態(tài)特征熱點。且樹突棘的動態(tài)特征與類別相關(guān)：足狀凸起的動態(tài)特征最強，而蘑菇型樹突棘最為穩(wěn)定。此外，樹突棘表現(xiàn)出符合韋布爾分布的右偏分布，說明樹突棘有在短距離間聚集現(xiàn)象，但整體來說其形成和消失分別傾向于在低密度和高密度的區(qū)域發(fā)生（圖）。

圖 四只恒河猴的樹突棘間距分布概率曲線

此項研究填補了非人靈長動物樹突棘穩(wěn)定性和動態(tài)特征研究的空白，為進一步理解非人靈長類大腦神經(jīng)環(huán)路的可塑性提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

詳細新聞：https://www.shanghaitech.edu.cn/2022/0729/c1006a727814/page.htm

發(fā)現(xiàn)鞘脂跨組織調(diào)控發(fā)育機制

7月28日，生命學(xué)院朱煥乎團隊在學(xué)術(shù)期刊CellReports上發(fā)表論文，報道了線蟲腸道細胞中過氧化物酶體的定位及鞘脂跨組織調(diào)控發(fā)育機制。

葡萄糖神經(jīng)酰胺（Glucosylceramide）是一類集氨基酸、脂肪酸和糖類為一體的特殊鞘脂。缺乏葡萄糖神經(jīng)酰胺會導(dǎo)致早期發(fā)育停滯甚至死亡，但其機制并不為人所知。

在過去的研究中，朱煥乎及其團隊先后發(fā)現(xiàn)葡萄糖神經(jīng)酰胺激活mTORC1通路可調(diào)控線蟲個體發(fā)育，且此發(fā)育信號通路的主要生理目的是感知食物中整體氨基酸的水平，從而調(diào)節(jié)線蟲發(fā)育命運。

本研究發(fā)現(xiàn)PRX-11等多個過氧化物酶體關(guān)鍵蛋白的基因突變能夠使葡萄糖神經(jīng)酰胺缺乏的線蟲突破早期發(fā)育停滯，且腸道和肌肉中過氧化物酶體活性對于葡萄糖神經(jīng)酰胺介導(dǎo)的線蟲發(fā)育至關(guān)重要。在缺乏營養(yǎng)、缺乏葡萄糖神經(jīng)酰胺，或者mTORC1活性下調(diào)的情況下，過氧化物酶體不再均勻分布于腸細胞中，而是集中在靠近線蟲腸腔的頂膜區(qū)域，且這種依賴微管/馬達蛋白的過氧化物酶體聚集，會影響過氧化物酶體合成并分泌小分子糖脂激素——蛔苷，并作用到線蟲的化學(xué)感覺神經(jīng)元纖毛上的激素受體，從而抑制葡萄糖神經(jīng)酰胺缺失動物的發(fā)育。

本工作在線蟲中首次發(fā)現(xiàn)了一條通過體內(nèi)脂質(zhì)代謝物、營養(yǎng)感知通路、細胞器亞細胞定位及激素分泌來感知外界營養(yǎng)并調(diào)控發(fā)育的腸-腦軸通路。結(jié)合此前的發(fā)現(xiàn)，研究團隊認(rèn)為葡萄糖神經(jīng)酰胺和過氧化物酶體可能分別代表了動物體內(nèi)正向和負(fù)向調(diào)控發(fā)育的元件。這也可能幫助解釋為什么多細胞而非單細胞真核生物發(fā)育需要糖鞘脂和過氧化物酶體。

圖. 營養(yǎng)感知通路通過影響過氧化物酶體的胞內(nèi)定位和激素合成/釋放調(diào)控個體發(fā)育

詳細新聞：https://www.shanghaitech.edu.cn/2022/0730/c1006a730740/page.htm

錳氧化物超薄膜磁各向異性的“水遁術(shù)”

水是人類和所有生物的生命之源，也是大自然神奇的魔法師。水分子、氧離子或氫離子的“嬌小身軀”可以輕易嵌入大多數(shù)材料的結(jié)構(gòu)基元中，從而實現(xiàn)材料從微觀到宏觀的物性改變。

磁性功能材料在低功耗自旋電子學(xué)器件應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊前景，這其中多方向軟磁超薄膜是發(fā)展柔性自旋電子學(xué)器件的基石。而磁各向異性為零或非常弱的“軟磁超薄膜”較為少見，在多個方向都具有較小的矯頑場、磁性容易翻轉(zhuǎn)的軟磁材料則更為稀有。那么水能否調(diào)控薄膜的磁各向異性呢？

為此，上科大物質(zhì)學(xué)院翟曉芳團隊與上海紐約大學(xué)、美國阿貢國家實驗室和美國國家標(biāo)準(zhǔn)計量局（NIST）等的團隊合作，制備出大面積且無裂紋的自支撐錳氧化物薄膜，并將其轉(zhuǎn)移至硅襯底后開展磁性方面的研究。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)水浸泡后，原先外延薄膜中顯著的磁各向異性在厚度為幾個納米的自支撐超薄膜中竟消失了，自支撐薄膜表現(xiàn)出多方向軟鐵磁性，其飽和磁化強度和居里溫度也同時提高。

為解密磁各向異性的“水遁術(shù)”，研究者通過多種實驗表征和理論計算方法，揭示了錳價態(tài)的分層模型（圖）。當(dāng)自支撐薄膜減小到幾納米厚時，表面區(qū)域和薄膜內(nèi)部的體積相當(dāng)，整個薄膜的磁各向異性趨于消失。因此，通過采用水溶犧牲層工藝，自支撐超薄膜表面的氫離子摻雜可對整個薄膜的磁性產(chǎn)生決定性的影響，從而產(chǎn)生異于外延薄膜的功能特性。

圖. 氫摻雜后錳價態(tài)的分層模型：水溶過程導(dǎo)致薄膜表面摻雜氫離子，該區(qū)域錳價態(tài)接近+2價，易磁化軸為面外方向；而薄膜內(nèi)部則因水難以進入，錳價態(tài)仍表現(xiàn)為塊材的+3價，易磁化軸仍保持面內(nèi)方向

詳細新聞：https://www.shanghaitech.edu.cn/2022/0730/c1006a730769/page.htm

ParB蛋白隨機多聚化調(diào)控DNA組裝機制

近日，生命學(xué)院孫博團隊在學(xué)術(shù)期刊《核酸研究》(Nucleic Acids Research)上在線發(fā)表研究論文，報道了染色體分離相關(guān)蛋白ParB調(diào)控DNA組裝的新機制。

染色體分離是指成對的同源染色體彼此分開的過程。染色體分離對于確保親本遺傳信息完整準(zhǔn)確地遺傳給子代至關(guān)重要。在大多數(shù)細菌和質(zhì)粒中，染色體分離通過ParABS系統(tǒng)實現(xiàn)。在典型的ParABS系統(tǒng)中，ParB二聚體可以特異性識別、結(jié)合parS位點，并由CTP驅(qū)動擴散到相鄰DNA上。但ParB二聚體如何有效組織并壓縮DNA形成染色體分離核蛋白復(fù)合物仍然未知。

本研究發(fā)現(xiàn)，幾十個ParB二聚體可以在幾秒內(nèi)自發(fā)地聚集形成多聚體（multimer）。ParB多聚體可以穩(wěn)定結(jié)合非特異DNA，并由CTP水解驅(qū)動實現(xiàn)DNA擴散、parS識別等。與ParB二聚體不同的是，ParB多聚體具有橋接、運輸DNA的獨特特征（圖）。這些發(fā)現(xiàn)表明ParB多聚體可能作為中間體介導(dǎo)ParB二聚體進一步實現(xiàn)高階ParB-DNA復(fù)合物的組裝，為理解ParABS系統(tǒng)調(diào)節(jié)染色體分離提供了重要的分子基礎(chǔ)。

圖. ParB多聚體組織DNA組裝的分子機制模型

詳細新聞：https://www.shanghaitech.edu.cn/2022/0731/c1006a733151/page.htm

新型熒光增強數(shù)字PCR技術(shù)

近日，物質(zhì)學(xué)院劉一凡團隊與浙江大學(xué)團隊合作，開發(fā)出一種熒光增強數(shù)字聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)技術(shù)，可用于在單分子水平對DNA進行快速和高靈敏度的絕對定量，有望用于病原體快速檢測、癌癥早篩等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。成果發(fā)表于生物傳感領(lǐng)域期刊Biosensors and Bioelectronics。

圖. I:（A）熒光增強數(shù)字PCR芯片分解示意圖，（B）將微通道板（MCP）分割為4 × 4 mm²大小的區(qū)域，每個區(qū)域包含2.5 × 10⁴個微孔，（C）熒光增強數(shù)字PCR芯片示意圖的俯視圖和橫截面圖。II：（A）掃描電子顯微鏡下微通道板（MCP）截面斜視圖，（B）掃描電子顯微鏡下微通道板（MCP）截面的表面特寫，（C）通過局部斜角沉積（LOAD）將ZnO納米棒均勻地積淀在微通道板側(cè)壁，（D）ZnO納米棒功能化的微通道板上微孔的掃描電子顯微圖，（E）II（D）的局部結(jié)構(gòu)放大圖。

自1985年美國科學(xué)家Kary Mullis開發(fā)出第一代以PCR技術(shù)為基礎(chǔ)的核酸定性分析方法后，第二代實時熒光定量PCR技術(shù)、第三代核酸檢測技術(shù)的數(shù)字PCR（dPCR）技術(shù)逐漸實現(xiàn)了由定性分析到定量測定的技術(shù)進步。dPCR將連續(xù)的液相反應(yīng)體系分割于數(shù)萬至數(shù)百萬獨立的皮升級微腔室中進行離散擴增，使之具備單分子級別的高靈敏度和絕對定量的優(yōu)勢。但dPCR技術(shù)仍存在需要熱循環(huán)、反應(yīng)周期較長、經(jīng)濟和時間成本較高、動態(tài)范圍較窄等缺點。

為增強dPCR臨場快速核酸檢測能力，合作團隊開發(fā)出一種基于ZnO納米棒修飾的微通道板（MCP）集成dPCR微芯片（圖）。MCP是一種高度多孔的玻璃薄膜，將MCP巧妙地集成在微流體芯片中，能為PCR反應(yīng)體系提供海量獨立的微腔室。高度透氣的微流體芯片作為“氣泵”，使得樣品的加載和微腔室化可由簡單的移液步驟實現(xiàn)，無需額外設(shè)備。

為減少熱循環(huán)周期、縮短檢測時間，研究團隊還將ZnO納米棒均勻地積淀在微通道板側(cè)壁，PCR產(chǎn)物的熒光強度得到極大增強，DNA擴增終點檢測的時間從小時級縮短到25分鐘，同時提高了檢測精度。該系統(tǒng)的微腔室密度高達1563 mm^-2，在指甲蓋大小的面積內(nèi)即可形成超過15萬個獨立微腔室，這大大提升了dPCR的可擴展性，使得百萬級微腔室擴增成為可能。

利用該集成系統(tǒng)，研究人員對噬菌體λDNA和癌癥相關(guān)PLAU基因進行快速的單分子級別絕對定量。經(jīng)過反復(fù)試驗，該技術(shù)在核酸絕對定量中的總體測量偏差小于5%。因此該新型集成化微系統(tǒng)有望加速數(shù)字PCR技術(shù)在病原體快速檢測、癌癥早篩等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

詳細新聞：https://www.shanghaitech.edu.cn/2022/0803/c1006a740025/page.htm

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