上科大近期科研速覽：生命與物質(zhì)領(lǐng)域

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楊揚(yáng)組合作發(fā)現(xiàn)非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物樹(shù)突棘動(dòng)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(jī)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(jī)多聚化調(diào)控DNA組裝機(jī)制

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劉一凡組合作開(kāi)發(fā)新型熒光增強(qiáng)數(shù)字PCR技術(shù)

發(fā)現(xiàn)非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物樹(shù)突棘動(dòng)態(tài)特征

近日，生命學(xué)院楊揚(yáng)團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)在權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》（National Science Review）在線(xiàn)發(fā)表研究論文，報(bào)道了非人靈長(zhǎng)類(lèi)恒河猴的前額葉皮層神經(jīng)元樹(shù)突棘在時(shí)間進(jìn)程和空間分布上的動(dòng)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(duì)動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)行使正常功能至關(guān)重要。樹(shù)突棘結(jié)構(gòu)組成了90%以上興奮性神經(jīng)突觸�？蒲腥藛T在嚙齒類(lèi)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中進(jìn)行了數(shù)量龐大、內(nèi)容多樣的樹(shù)突棘動(dòng)態(tài)特征研究，但缺乏針對(duì)非人靈長(zhǎng)類(lèi)大腦樹(shù)突棘動(dòng)態(tài)特征的相關(guān)報(bào)道。

該研究利用AAV病毒載體介導(dǎo)的GFP標(biāo)記系統(tǒng)，對(duì)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(jìn)行了稀疏高亮標(biāo)記。發(fā)現(xiàn)樹(shù)突棘在七天時(shí)間內(nèi)表現(xiàn)出6%的突觸形成率與消失率，其中新生樹(shù)突棘更容易消失，樹(shù)突片段上存在著樹(shù)突棘動(dòng)態(tài)特征熱點(diǎn)。且樹(shù)突棘的動(dòng)態(tài)特征與類(lèi)別相關(guān)：足狀凸起的動(dòng)態(tài)特征最強(qiáng)，而蘑菇型樹(shù)突棘最為穩(wěn)定。此外，樹(shù)突棘表現(xiàn)出符合韋布爾分布的右偏分布，說(shuō)明樹(shù)突棘有在短距離間聚集現(xiàn)象，但整體來(lái)說(shuō)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(shù)突棘間距分布概率曲線(xiàn)

此項(xiàng)研究填補(bǔ)了非人靈長(zhǎng)動(dòng)物樹(shù)突棘穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特征研究的空白，為進(jìn)一步理解非人靈長(zhǎng)類(lèi)大腦神經(jīng)環(huán)路的可塑性提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

詳細(xì)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(jī)制

7月28日，生命學(xué)院朱煥乎團(tuán)隊(duì)在學(xué)術(shù)期刊CellReports上發(fā)表論文，報(bào)道了線(xiàn)蟲(chóng)腸道細(xì)胞中過(guò)氧化物酶體的定位及鞘脂跨組織調(diào)控發(fā)育機(jī)制。

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

在過(guò)去的研究中，朱煥乎及其團(tuán)隊(duì)先后發(fā)現(xiàn)葡萄糖神經(jīng)酰胺激活mTORC1通路可調(diào)控線(xiàn)蟲(chóng)個(gè)體發(fā)育，且此發(fā)育信號(hào)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(xiàn)蟲(chóng)發(fā)育命運(yùn)。

本研究發(fā)現(xiàn)PRX-11等多個(gè)過(guò)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(xiàn)蟲(chóng)突破早期發(fā)育停滯，且腸道和肌肉中過(guò)氧化物酶體活性對(duì)于葡萄糖神經(jīng)酰胺介導(dǎo)的線(xiàn)蟲(chóng)發(fā)育至關(guān)重要。在缺乏營(yíng)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(guò)氧化物酶體不再均勻分布于腸細(xì)胞中，而是集中在靠近線(xiàn)蟲(chóng)腸腔的頂膜區(qū)域，且這種依賴(lài)微管/馬達(dá)蛋白的過(guò)氧化物酶體聚集，會(huì)影響過(guò)氧化物酶體合成并分泌小分子糖脂激素——蛔苷，并作用到線(xiàn)蟲(chóng)的化學(xué)感覺(jué)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(dòng)物的發(fā)育。

本工作在線(xiàn)蟲(chóng)中首次發(fā)現(xiàn)了一條通過(guò)體內(nèi)脂質(zhì)代謝物、營(yíng)養(yǎng)感知通路、細(xì)胞器亞細(xì)胞定位及激素分泌來(lái)感知外界營(yíng)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(tuán)隊(duì)認(rèn)為葡萄糖神經(jīng)酰胺和過(guò)氧化物酶體可能分別代表了動(dòng)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(xì)胞而非單細(xì)胞真核生物發(fā)育需要糖鞘脂和過(guò)氧化物酶體。

圖. 營(yíng)養(yǎng)感知通路通過(guò)影響過(guò)氧化物酶體的胞內(nèi)定位和激素合成/釋放調(diào)控個(gè)體發(fā)育

詳細(xì)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(lèi)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(shí)現(xiàn)材料從微觀(guān)到宏觀(guān)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(jiàn)，在多個(gè)方向都具有較小的矯頑場(chǎng)、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(tuán)隊(duì)與上海紐約大學(xué)、美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量局（NIST）等的團(tuán)隊(duì)合作，制備出大面積且無(wú)裂紋的自支撐錳氧化物薄膜，并將其轉(zhuǎn)移至硅襯底后開(kāi)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(gè)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(qiáng)度和居里溫度也同時(shí)提高。

為解密磁各向異性的“水遁術(shù)”，研究者通過(guò)多種實(shí)驗(yàn)表征和理論計(jì)算方法，揭示了錳價(jià)態(tài)的分層模型（圖）。當(dāng)自支撐薄膜減小到幾納米厚時(shí)，表面區(qū)域和薄膜內(nèi)部的體積相當(dāng)，整個(gè)薄膜的磁各向異性趨于消失。因此，通過(guò)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(duì)整個(gè)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(jià)態(tài)的分層模型：水溶過(guò)程導(dǎo)致薄膜表面摻雜氫離子，該區(qū)域錳價(jià)態(tài)接近+2價(jià)，易磁化軸為面外方向；而薄膜內(nèi)部則因水難以進(jìn)入，錳價(jià)態(tài)仍表現(xiàn)為塊材的+3價(jià)，易磁化軸仍保持面內(nèi)方向

詳細(xì)新聞：https://www.shanghaitech.edu.cn/2022/0730/c1006a730769/page.htm

ParB蛋白隨機(jī)多聚化調(diào)控DNA組裝機(jī)制

近日，生命學(xué)院孫博團(tuán)隊(duì)在學(xué)術(shù)期刊《核酸研究》(Nucleic Acids Research)上在線(xiàn)發(fā)表研究論文，報(bào)道了染色體分離相關(guān)蛋白ParB調(diào)控DNA組裝的新機(jī)制。

染色體分離是指成對(duì)的同源染色體彼此分開(kāi)的過(guò)程。染色體分離對(duì)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(xì)菌和質(zhì)粒中，染色體分離通過(guò)ParABS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。在典型的ParABS系統(tǒng)中，ParB二聚體可以特異性識(shí)別、結(jié)合parS位點(diǎn)，并由CTP驅(qū)動(dòng)擴(kuò)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(gè)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(dòng)實(shí)現(xiàn)DNA擴(kuò)散、parS識(shí)別等。與ParB二聚體不同的是，ParB多聚體具有橋接、運(yùn)輸DNA的獨(dú)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(jìn)一步實(shí)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(jī)制模型

詳細(xì)新聞：https://www.shanghaitech.edu.cn/2022/0731/c1006a733151/page.htm

新型熒光增強(qiáng)數(shù)字PCR技術(shù)

近日，物質(zhì)學(xué)院劉一凡團(tuán)隊(duì)與浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)合作，開(kāi)發(fā)出一種熒光增強(qiáng)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(duì)DNA進(jìn)行快速和高靈敏度的絕對(duì)定量，有望用于病原體快速檢測(cè)、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(qiáng)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(gè)區(qū)域包含2.5 × 10⁴個(gè)微孔，（C）熒光增強(qiáng)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(xiě)，（C）通過(guò)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(guó)科學(xué)家Kary Mullis開(kāi)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(shí)時(shí)熒光定量PCR技術(shù)、第三代核酸檢測(cè)技術(shù)的數(shù)字PCR（dPCR）技術(shù)逐漸實(shí)現(xiàn)了由定性分析到定量測(cè)定的技術(shù)進(jìn)步。dPCR將連續(xù)的液相反應(yīng)體系分割于數(shù)萬(wàn)至數(shù)百萬(wàn)獨(dú)立的皮升級(jí)微腔室中進(jìn)行離散擴(kuò)增，使之具備單分子級(jí)別的高靈敏度和絕對(duì)定量的優(yōu)勢(shì)。但dPCR技術(shù)仍存在需要熱循環(huán)、反應(yīng)周期較長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)和時(shí)間成本較高、動(dòng)態(tài)范圍較窄等缺點(diǎn)。

為增強(qiáng)dPCR臨場(chǎng)快速核酸檢測(cè)能力，合作團(tuán)隊(duì)開(kāi)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(dú)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(jiǎn)單的移液步驟實(shí)現(xiàn)，無(wú)需額外設(shè)備。

為減少熱循環(huán)周期、縮短檢測(cè)時(shí)間，研究團(tuán)隊(duì)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(qiáng)度得到極大增強(qiáng)，DNA擴(kuò)增終點(diǎn)檢測(cè)的時(shí)間從小時(shí)級(jí)縮短到25分鐘，同時(shí)提高了檢測(cè)精度。該系統(tǒng)的微腔室密度高達(dá)1563 mm^-2，在指甲蓋大小的面積內(nèi)即可形成超過(guò)15萬(wàn)個(gè)獨(dú)立微腔室，這大大提升了dPCR的可擴(kuò)展性，使得百萬(wàn)級(jí)微腔室擴(kuò)增成為可能。

利用該集成系統(tǒng)，研究人員對(duì)噬菌體λDNA和癌癥相關(guān)PLAU基因進(jìn)行快速的單分子級(jí)別絕對(duì)定量。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，該技術(shù)在核酸絕對(duì)定量中的總體測(cè)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(cè)、癌癥早篩等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

詳細(xì)新聞：https://www.shanghaitech.edu.cn/2022/0803/c1006a740025/page.htm

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