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              科研进展
              • 南海海洋所在北苏拉威西俯冲带地震海啸风险研究取得新进展

                  近日,中国科学院南海海洋研究所边缘海与大洋地质重点实验室林间院士团队,对北苏拉威西俯冲带潜在大地震和海啸灾害的研究取得新进展,成果发表在Marine and Petroleum Geology(《海洋与石油地质》)上。实验室郑婷婷助理研究员为论文的第一作者,邱强研究员与林间院士为共同通讯作者,杨晓东研究员为共同作者。 
                  北苏拉威西俯冲带位于澳大利亚板块、欧亚板块和菲律宾板块的交汇处,周边连接多个俯冲系统。该俯冲带构造复杂,近年来频繁发生中大强震,并引发局地海啸。如,2008年该区发生的Mw 7.3级逆冲型地震,2018年其西部Palu-Koro断裂发生的Mw 7.8级走滑型地震,两震均造成海啸灾害。 
                  研究人员通过分析北苏拉威西俯冲带地震时空特征与库伦应力变化和建立对应于数百个地震滑移模型的海啸模拟数据库,并结合俯冲带构造特征,定量评估了该区域的潜在地震和海啸风险。    
                  研究结果表明,在北苏拉威西俯冲带的多个区域,其浅部应力累积在系列历史大地震后已显著增加,极有可能加速周期内中大地震的提前发生,俯冲带南北向的沿岸城市均面临较高的强震海啸风险。研究结果将为苏拉威西海沿岸区域的地震海啸风险的进一步评估及预警提供重要参考依据。   
                  该研究得到国家自然科学基金、广东省实验室(广州)人才团队引进重大专项、中国科学院项目、广东省重点领域研发计划项目、同济大学海洋地质国家重点实验室开放课题项目的联合支持。 
                  相关论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264817222005025?via%3Dihub 
                  图1 北苏拉威西俯冲带历史大地震造成的区域库伦应力变化分布情况
                  图2 苏拉威西海沿岸台站最大海啸波高模拟结果
                  
                2022-12-14
              • 华南植物园小良站在氮沉降如何影响热带磷限制森林的土壤碳库及其机制研究取得系列进展
                土壤是陆地生态系统最大的碳库,至少有一半的土壤有机碳储存于森林中。热带和亚热带森林主导全球森林碳循环,它们占据全球森林78%总碳排放和55%总碳吸收。人类活动也导致大气氮沉降加剧,氮沉降通过影响植物生长和微生物活性改变森林土壤的碳固持能力。但目前学术界关于氮沉降如何影响森林土壤碳库及其碳库组分的研究还存在很多不足。图2 :概念图显示了在氮添加条件下球囊蛋白相关土壤蛋白和微生物残体碳的积累对土壤有机碳含量的影响,以及潜在的微生物机制。
                   
                  土壤是陆地生态系统最大的碳库,至少有一半的土壤有机碳储存于森林中。热带和亚热带森林主导全球森林碳循环,它们占据全球森林78%总碳排放和55%总碳吸收。人类活动也导致大气氮沉降加剧,氮沉降通过影响植物生长和微生物活性改变森林土壤的碳固持能力。但目前学术界关于氮沉降如何影响森林土壤碳库及其碳库组分的研究还存在很多不足。
                  中科院华南植物园小良站研究人员以热带森林长期(14年)氮磷添加地为研究对象,研究了氮沉降和磷添加对土壤有机碳及其不同的碳库组分,以及球囊霉素和微生物残体碳的影响。研究发现,氮沉降提高了土壤有机碳库总量,并且主要提升了易分解碳库组分,而磷添加显著降低了土壤中难分解碳库组分,并有降低土壤总有机碳库的趋势。进一步分析土壤酶活性和真菌群落组成发现,磷添加提升了部分氧化酶的活性以及土壤中氧化酶相关基因的表达量。这表明热带地区高氮低磷的环境有利于土壤有机碳的固持,但其增加的碳主要是易分解的碳库组分,其稳定性下降。相关结果以Nitrogen deposition in low-phosphorus tropical forests benefits soil C sequestration but not stabilization为题在线发表于Ecological Indicators(《生态指标》) (IF5=6.3)上。 文章链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1470160X22012341
                  在此基础上,小良站研究人员进一步分析了氮沉降背景下土壤中各种微生物来源碳组分的变化。氮沉降处理下,土壤球囊霉素、微生物残体碳与土壤有机碳含量均较高,但土壤微生物量和群落组成基本不受影响,表明土壤中球囊霉素和微生物残体碳地较高含量是长期积累和微生物降解受到抑制的结果。然而,球囊霉素或微生物残体碳对土壤有机碳的相对贡献没有变化或低于对照,这是因为其他碳源对土壤有机碳的贡献更大,而这些碳源与土壤矿物质的结合在很大程度上不稳定。该结果进一步证实热带森林在响应氮沉降过程中具有较好的有机碳封存潜力,有助于减缓气候变化。然而,施氮土壤中增加的有机碳大部分与土壤矿物质无关,因而容易分解释放到大气中。该研究结果以“Nitrogen deposition enhances soil organic carbon and microbial residual carbon in a tropical forest”为题在线发表在Plant and Soil(《植物和土壤》)(IF5=5.6)上。文章链接:https://doi.org/10.1007/s11104-022-05787-6
                  该系列研究得到了国家自然科学基金面上项目、广东省科技厅野外台站项目、中科院青促会项目和广东省杰青项目等资助。
                  图 1:概念图显示了氮磷添加处理下热带森林土壤有机碳总量及其不同碳库组分的变化趋势,以及潜在的微生物机制。
                  图 2:概念图显示了在氮添加条件下球囊蛋白相关土壤蛋白和微生物残体碳的积累对土壤有机碳含量的影响,以及潜在的微生物机制。
                  
                2022-12-13
              • 深圳先进院揭示灵长类体温调节及体温保护机制
                研究揭示了下丘脑视前区在灵长类动物体温调节中的作用,绘制了体温降低过程中全脑特异激活的神经网络,以及灵长类对抗失温的体温保护机制,从而为潜在的临床转化和空间应用提供理论和实验支撑。
                  近日,中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所(以下简称“深圳先进院脑所”)/深港脑科学创新研究院(以下简称“深港脑院”)王虹和戴辑团队,在The Innovation杂志在线发表了题为“Primate preoptic neurons drive hypothermia and cold defense”的文章,首次在非人灵长类上实现了基于中枢神经调控的稳定体温调节,揭示了下丘脑视前区在灵长类动物体温调节中的作用,绘制了体温降低过程中全脑特异激活的神经网络,以及灵长类对抗失温的体温保护机制,从而为潜在的临床转化和空间应用提供理论和实验支撑。 
                  文章上线截图
                  原文链接
                  2021年Science杂志公布了新版的全球125个重要科学问题。其中一个就是:人类可以冬眠吗?之所以期盼冬眠,原因多种多样。有的希望在冬眠中飞往外太空,有的希望在冬眠中得到生命的延续。但是在现实世界,我们距离人工冬眠究竟还有多远呢?中国科学院深圳先进技术研究院最新的研究成果和你一起解读。
                  从科幻到科研:体温调控有望点亮人工冬眠 
                  冬眠(Hibernation)是一些物种为了适应极端生存环境,趋同演化出的一种周期性的生理现象。冬眠(连续多日的休眠)与日间休眠(Torpor)的动物,通过抑制代谢率,达到全身水平的低体温、低能量消耗,同时这个过程也伴随着基因表达、解剖结构、生理参数的剧烈变化。在休眠过程中,虽然动物停止进食、饮水等维系生存的必要行为,但是在从休眠中苏醒后,动物继续生存,其肌肉却不发生萎缩。有研究表明,休眠的动物对衰老和辐射有着一定的抵抗作用,似乎休眠“百利而无一害”。
                  但是动物界中,能自然休眠的动物并不多,其中只包含一种灵长类动物,即狐猴(Lemur)。其他包括人类在内的灵长类动物都不能自然休眠。通过不断研究,科学家希望破解自然休眠动物的奥秘,建立诱发休眠的技术,并在人体中也实现休眠。但是迄今为止,还没有一种“神药”,能在灵长类动物中诱导休眠的现象。
                  随着神经科学研究的进步,下丘脑视前区(POA)逐渐成为研究热点。在转基因小鼠脑内,特异性激活该脑区神经元,可以促使动物在1-2个小时内降低体温至28℃,并且维持十余个小时低温状态。同时,该调控还促进小鼠增加散热,降低心率和活动量。这个现象与小鼠的天然休眠有类似之处。如果特异激活相同脑区,是否可以在非人灵长类动物中实现定时降低体温甚至休眠呢?
                  深圳先进院脑所王虹和戴辑团队,利用化学遗传学工具,以非人灵长类动物为模型,展开神经调控体温研究。该团队发现,升高POA脑区一类进化保守的兴奋性神经元的活性,可以促进动物降低体温(如图2)。 
                  但是与小鼠存在显著差异的是,非人灵长类动物对体温的变化非常敏感。当体温降低约0.5℃的时候,动物已经通过加速心率、肌肉颤栗、收缩外周血管等自主神经机制产热,拮抗体温的降低。同时动物大幅增加运动量,通过运动产热,抵御体温的降低(图3)。由此可见,非人灵长类动物有着更强的御寒能力,其体温调节机制较小鼠更加精密复杂。仅仅是通过神经刺激单一核团很难达到大幅降低体温的目的。
                  灵长类为对抗失温而启动一系列体温保护行为
                  为了进一步了解POA调控体温的脑网络机制,作者还通过功能核磁共振成像的方法评估了POA激活前后全脑水平的神经网络变化,发现化学遗传学刺激方法不仅激活了POA局部网络,也特异地激活了与温度、心率以及内感相关的多个核团(如岛叶皮层IC等,图4),从而绘制了体温降低过程中,全脑特异激活的神经网络。
                  该研究利用化学遗传学手段,通过操控下丘脑兴奋性神经元,首次实现了灵长类动物的可靠体温调节。该研究还探索了灵长类体温调节中枢的功能以及神经网络连接,为潜在的临床转化和空间应用提供理论和实验支撑。
                  展望 
                  通过降低体温来降低神经元对能量的需求,被证实在中风等脑疾病的小鼠模型中,具有神经保护作用。但是小鼠作为自然休眠的物种,对低温耐受能力很高。休眠中的小鼠体温可以降低至18℃,心率可以降低到日常的30%。如何将基于小鼠的丰富研究成果,推广到体型为其千倍的人类上,还有着漫长的距离。通过非人灵长类动物模型,可以良好的填补这个空白。本研究利用与小鼠相同的神经调控手段,靶向相同脑区的同一类型神经元,成功地调控了非人灵长类动物的体温,为通过降温来保护神经,提供了有益的探索。
                  尽管这类调节体温的神经元的功能在进化中相对保守,但与小鼠“放弃抵抗”的现象截然不同,非人灵长类动物展示了惊人的御寒能力。这不禁让人联想到20年前硫化氢诱导小鼠进入“假死”状态的报道。当Mark Roth团队报道硫化氢可以诱导小鼠体温降低至10℃,进入“假死”状态后,其本人开设公司,计划利用硫化氢作为诱导人工冬眠的“神药”,助力NASA送宇航员进入火星。但是后续实验纷纷证明,在大型动物中,硫化氢无法诱导低体温现象。硫化氢的故事成为科学研究史中一个典型“炒作”案例。由于小鼠与人亲缘关系较远,加之体型差异巨大,小鼠的体温调节机制很可能与人类不尽相同。通过跨物种的功能研究来解析不同物种之间调控体温的神经环路水平的差异,方能更好地帮助人类了解自己,造福未来。
                  该研究得到国家自然科学基金委、广东省自然科学基金、中科院青促会、中科院先导、深圳市科创委、深圳市发改委等项目的资助,并受深港脑科学创新研究院支持。
                  图2:激活猕猴POA神经元降低了体核温度 
                  图3:灵长类为对抗失温而启动一系列体温保护行为 
                  图4:体温降低过程中全脑功能连接变化 
                  
                2022-12-12
              • 华南植物园在铁皮石斛叶片研究取得进展
                铁皮石斛是传统名贵中药材,在我国已有2000多年的应用历史。据《中华人民共和国药典》记载,铁皮石斛具有益胃生津和滋阴清热之功效,用于热病津伤,口干烦渴,胃阴不足,食少干呕,病后虚热不退,阴虚火旺等症之治疗。长期食用可有效提高人体免疫力。据《中华人民共和国药典》规定,铁皮石斛的主要药用部位为茎秆,人工种植的铁皮石斛采收期为每年11月至次年3月。铁皮石斛采收时,茎秆会被采收,并加工成各种产品,而叶片往往会被丢弃。铁皮石斛S1 - S3阶段叶片水溶性多糖和甘露糖含量,以及参与多糖代谢途径的相关差异基因。
                   
                  铁皮石斛是传统名贵中药材,在我国已有2000多年的应用历史。据《中华人民共和国药典》记载,铁皮石斛具有益胃生津和滋阴清热之功效,用于热病津伤,口干烦渴,胃阴不足,食少干呕,病后虚热不退,阴虚火旺等症之治疗。长期食用可有效提高人体免疫力。据《中华人民共和国药典》规定,铁皮石斛的主要药用部位为茎秆,人工种植的铁皮石斛采收期为每年11月至次年3月。铁皮石斛采收时,茎秆会被采收,并加工成各种产品,而叶片往往会被丢弃。
                  中科院华南植物园段俊研究员团队司灿博士以铁皮石斛采收期间3个不同阶段的叶片(S1为2020年12月;S2为2021年2月;S3为2021年3月)为材料,运用代谢组等实验手段,研究了叶片中的主要代谢物。结果发现叶片中富含水溶性多糖和类黄酮等大量可供利用的活性物质,并明确了这些活性物质含量的变化规律。S1-S3阶段,铁皮石斛叶片中水溶性多糖含量呈逐渐下降趋势,甘露糖是其构成的主要单糖,其次为葡萄糖,淀粉含量与水溶性多糖含量变化趋势相反;类黄酮含量呈先增加后降低的趋势,芦丁、沙夫糖苷和牡荆素是含量最高的三种类黄酮物质;部分游离氨基酸(如磷酸丝氨酸)的含量同样呈先增加后降低的趋势,酪氨酸、磷酸丝氨酸、丙氨酸、γ-氨基丁酸和磷酸乙醇胺是含量最高的五种游离氨基酸。根据每个阶段的主要代谢物含量,我们确定S1-S2阶段为最佳叶片采收期。同时,运用转录组方法鉴定了大量参与以上物质代谢的差异基因,如类纤维素合酶基因CSLA(多糖代谢),查尔酮合酶基因CHS(类黄酮代谢),甘油酸脱氢酶基因HPRA(磷酸丝氨酸代谢)等。
                  该项研究表明铁皮石斛叶片中含有大量的代谢产物,具有很高的利用价值。该研究为铁皮石斛叶片的开发提供了重要理论指导。相关研究成果已发表在国际学术期刊Plant Physiology and Biochemistry(《植物生理学与生物化学》)上,司灿博士为第一作者,何春梅副研究员和张建霞副研究员为共同通讯作者。文章链接:https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2022.08.026
                   图1. 采收期铁皮石斛S1-S3阶段实验材料
                  图2. 铁皮石斛S1-S3阶段叶片水溶性多糖和甘露糖含量,以及参与多糖代谢途径的相关差异基因
                  
                2022-12-13
              • 华南植物园对植物转录起始调控机制研究获新进展
                转录复合体将DNA转录成为RNA是遗传信息由细胞核向细胞质转递的基础。由于核小体与基因组的紧密结合,转录复合体需要克服核小体障碍进而确保功能基因的表达。这其中染色质重塑复合体( Chromatin Remodeler )被认为在转录过程中发挥了重要作用。这类蛋白复合体能通过水解ATP来调控核小体的组成和分布,从而为转录复合体在DNA上组装创造松散的染色质环境。那么染色质重塑复合体如何判定基因的激活状态并精确与之结合呢?其次,近些年对植物转录的研究发现,植物的转录起始呈现出与酵母和动物细胞不同的特征,如:转录起始位点呈现的单向转录(酵母和动物细胞为双向转录) 。
                  转录复合体将DNA转录成为RNA是遗传信息由细胞核向细胞质转递的基础。由于核小体与基因组的紧密结合,转录复合体需要克服核小体障碍进而确保功能基因的表达。这其中染色质重塑复合体(Chromatin Remodeler)被认为在转录过程中发挥了重要作用。这类蛋白复合体能通过水解ATP来调控核小体的组成和分布,从而为转录复合体在DNA上组装创造松散的染色质环境。那么染色质重塑复合体如何判定基因的激活状态并精确与之结合呢?其次,近些年对植物转录的研究发现,植物的转录起始呈现出与酵母和动物细胞不同的特征,如:转录起始位点呈现的单向转录(酵母和动物细胞为双向转录);植物中存在明显的近端启动子停滞(promoter-proximal pausing)但却缺少与动物同源的参与调控pausing的蛋白因子;真核生物中保守的转录延伸因子SPT6,在植物中能结合到转录起始位点参与转录起始等。这些差异表明了植物转录起始的独特性,而其分子机制尚不清晰。
                  中科院华南植物园的陈琛研究团队发现拟南芥中转录延伸因子SPT6L(suppressor of Ty 6-like)能与染色质重塑复合体SWI/SNF2的SYD (SPLAYED)和BRM(BRAHMA)形成蛋白复合体,并共同结合到基因的转录起始位点。随后,通过转录抑制剂以及结构域删减突变,研究发现SPT6L能够介导SYD/BRM与Pol II的相互作用且SPT6L-SYD/BRM蛋白复合体能在不依赖于RNA聚合酶II(Pol II)的前提下形成。而SPT6L的缺失显著降低了SYD/BRM在全基因组上与转录起始位点的结合能力。最后,通过对全基因组核小体排布的分析发现,SPT6L介导SYD/BRM 与转录起始位点的结合调节了起始位点附近的核小体密度并促进了Pol II的转录起始。该项研究揭示了植物中染色质重塑复合体识别和结合转录起始位点的分子机制。由于SPT6L被认为是转录复合体的重要组成部分,该项研究的结果也表明植物中染色质重塑复合体对核小体排布的调控事件与转录复合体在转录起始位点附近的组装及转录起始紧密联系。另一方面,SPT6L招募SYD/BRM到转录起始位点并调控核小体分布的发现,也进一步确证了真核生物中保守的转录延伸因子SPT6在植物中同时参与调控了起始和延伸过程。
                  相关研究结果已近期发表在国际学术期刊Nucleic Acids Research (《核酸研究》)(IF=19.16)上。 舒洁博士为该论文的第一作者,陈琛研究员为通讯作者。此外,中国科学院华南植物园的丁宁博士、广东省农业科学院的刘军研究员、加拿大农业部的崔玉海研究员也参与了该项工作。研究成果得到了国家自然科学基金面上项目和青年项目的资助。
                  文章链接:https://academic.oup.com/nar/advance-article-abstract/doi/10.1093/nar/gkac1126/6858855?utm_source=advanceaccess&utm_campaign=nar&utm_medium=email
                  图1. SYD的全基因组结合依赖SPT6L
                  图2. SPT6L和SYD/BRM协同调控核小体排布
                  
                2022-12-13
              • 南海海洋所在细菌趋化系统响应不同氧气浓度的调控机制研究获得新进展

                  中国科学院南海海洋研究所热带海洋生物资源与生态重点实验室研究员高贝乐团队在空肠弯曲菌中发现了一个新型趋化蛋白CheO,该蛋白在微氧环境下能调节鞭毛马达的旋转,对空肠弯曲菌在小鼠肠道中的定殖过程有重要作用。相关研究成果以“Polar localization of CheO under hypoxia promotes Campylobacter jejuni chemotactic behavior within host”为题,在线发表于PLOS Pathogens(《公共科学图书馆:病原体》)。 
                  空肠弯曲菌(Campylobacter jejuni)是世界范围内引起食源性细菌性胃肠炎的最常见诱因,该病原菌在微氧环境下(氧气含量5%-10%)才能生长以适应肠道中的氧气限制,同时它也可以在氧浓度较高的环境中存活,以抵抗宿主的氧化攻击。与其它肠道病原菌相比,空肠弯曲菌具有严格的生长和营养需求,但缺乏许多因致病或与宿主相互作用而进化的毒力因子。空肠弯曲菌的趋化作用在宿主体内的定殖过程中发挥了重要作用,然而目前尚不清楚空肠弯曲菌的趋化系统如何感知和响应环境氧气变化。此外,空肠弯曲菌中也没有化学感受蛋白或其他感受蛋白被鉴定为氧浓度感受蛋白,其它趋化调控蛋白在氧浓度波动的环境下是否发挥不同的作用也尚未清楚。 
                  本研究团队前期通过筛选空肠弯曲菌C. jejuni 81-176突变子文库,发现了一个在弯曲菌门中特有的蛋白CJJ81176_1265。在C. jejuni 81-176中敲除CJJ81176_1265基因后,敲除株在小鼠体内的定殖能力显著弱于野生型,表明该基因的功能与空肠弯曲菌在小鼠肠道内的定殖有关。后续的突变株表型检测中发现该敲除株的趋化能力也显著弱于野生型, 随后对敲除株进行单细胞轨迹追踪,发现该基因的缺失影响了菌体游动过程中的翻转频率(图1)。荧光显微镜观察表明CheO的定位依赖于趋化蛋白阵列,但独立于反应调节蛋白CheY。蛋白相互作用实验证实CheO与趋化系统磷酸激酶CheA、磷酸酶CheZ和鞭毛马达蛋白FliM、FliY有相互作用。有趣的是,在微氧条件下,CheO定位在细胞极;而在正常氧浓度环境下,CheO蛋白在细菌体内呈现通体分布。而且,CheO的定位依赖于4个能量趋化相关的化学感受蛋白(Aer1, Aer2, Tlp6, Tlp9),因此CJJ81176_1265蛋白被命名为CheO(Chemotaxis protein responding to Oxygen)(图2)。缺少CheO的菌株在低氧环境下运动能力减弱,研究人员对ΔcheO突变株进行抑制子筛选,发现鞭毛马达蛋白FliM的点突变FliML99F能恢复其运动能力,即FliM的单个残基变异可以替代CheO蛋白缺失而导致的表型。这些结果表明CheO建立了一条从趋化蛋白阵列到鞭毛马达的信号旁路,这种条件型激活机制体现了细菌对不同氧浓度的适应性。此外,CheO同源蛋白只存在于弯曲菌门的部分物种中,其同源蛋白在空肠弯曲菌中的表型实验证实了CheO的同源蛋白均具有趋化调节功能。 
                  综上所述,CheO是C. jejuni响应环境氧浓度变化的趋化调控蛋白,促进了微氧环境下的菌体的趋化能力。该研究揭示了空肠弯曲菌对人和动物肠道适应的新策略,深入研究这个非核心趋化信号转导蛋白的作用机制可揭示C. jejuni不同于其它细菌的趋化信号传递模式。 
                  中国科学院南海海洋研究所2022届博士莫然为该论文的第一作者,高贝乐研究员为通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金、南方海洋科学与工程引进人才团队重点专项广东实验室(广州)、中国科学院战略性先导专项、中国科学院南海生态与环境工程创新研究院的资助。 
                  相关论文信息:https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1010953 
                  图1 CheO调节了C. jejuni的趋化行为
                  图 2 环境氧浓度和C. jejuni的能量趋化相关化学感受蛋白影响CheO的极点定位
                2022-12-13
              • 广州健康院揭示线粒体TCA酶入核调控多能性的全新模式
                2022年12月2日,Nature子刊《自然通讯》(Nature Communications)在线发表了中科院广州生物医药与健康研究院刘兴国课题组持续性工作的最新研究成果“Nuclear Localization of Mitochondrial TCA Cycle Enzymes Modulates Pluripotency via Histone Acetylation”(线粒体TCA循环酶入核通过组蛋白乙酰化调控多能性)。
                  2022年12月2日,Nature子刊《自然通讯》(Nature Communications)在线发表了中科院广州生物医药与健康研究院刘兴国课题组持续性工作的最新研究成果“Nuclear Localization of Mitochondrial TCA Cycle Enzymes Modulates Pluripotency via Histone Acetylation”(线粒体TCA循环酶入核通过组蛋白乙酰化调控多能性)。该研究发现,多种线粒体TCA循环酶在多能干细胞获得、状态转变以及转变为全能干细胞等过程中均存在从线粒体转运到细胞核的现象,并且核定位TCA循环酶调控上述过程。核定位丙酮酸脱氢酶 (Pdha1) 能促进细胞核内乙酰CoA从而促进组蛋白乙酰化修饰,并进一步打开多能性相关基因,促进多能性获得。该研究揭示了线粒体TCA循环酶入核通过表观遗传调控多能性的重要作用,拓展了线粒体反向信号调控干细胞多能性的新模式。
                  哺乳动物细胞内,存在两个具有遗传物质的细胞器:细胞核与线粒体。这两者自从大约二十亿年前的相遇,开始了相恋相依的进化历程。多能干细胞独特的自我更新能力及分化为多种细胞类型的能力,使其在再生医学和发育生物学研究中受到了极大的关注。胚胎干细胞(embryonic stem cell, ESCs)及诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells, iPSCs)是两种常见的多能干细胞。多能干细胞具有特殊的表观遗传修饰状态,而许多线粒体代谢产物如:乙酰辅酶A、α-酮戊二酸、NAD+等作为组蛋白修饰酶的辅基直接发挥重要作用。刘兴国团队在国际上独辟蹊径,以多能干细胞模型系统地阐明了线粒体氧离子调控组蛋白甲基化与DNA甲基化,线粒体代谢产物调控组蛋白乳酸化、乙酰化,线粒体磷脂调控组蛋白乙酰化及基因表达等一系列通过反向信号模式调控细胞核的全新模式。
                  三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle, TCA cycle)作为需氧生物体内最普遍存在的代谢途径,是物质代谢与能量代谢的重要枢纽。线粒体TCA循环酶正常行驶功能是TCA循环维持的关键。TCA循环酶在一些恶性肿瘤细胞中能从线粒体转运到细胞核内发挥DNA修复和表观遗传调控的作用。然而,TCA循环酶在多能性获得与转变中时空调控的规律和作用还完全不清楚。
                  刘兴国团队聚焦多能性的各个过程,包括多能干细胞获得(iPSCs重编程)、始发态-原始态转变(Primed-Naive转变)、转变为全能干细胞(ESCs-类二细胞期细胞(2CLCs)转变)。在以上过程,均发现线粒体内TCA循环酶类包括Pdha1、Pcb、Aco2、Cs、Idh3a、Ogdh、Sdha、Mdh2等存在从线粒体向细胞核转运的现象。其中,过表达核定位TCA循环酶Pdha1、Pcb、Aco2、Cs及Idh3a能促进干细胞多能性的获得及Primed-Naive转变。另外核定位的Pdha1还能促进ESCs向2CLCs的转变。Pdha1对多能干细胞命运的作用依赖于其丙酮酸脱氢酶活性。
                  刘兴国团队发现,在多能性获得过程中,核定位TCA循环酶Pdha1不改变细胞的有氧呼吸及糖酵解动态平衡。核定位Pdha1通过促进细胞核内乙酰辅酶A的合成为组蛋白乙酰化提供反应底物,促进组蛋白H3乙酰化, 尤其是H3K9及H3K27两个位点的乙酰化修饰水平。进一步研究发现,核定位Pdha1能促进多能性相关基因的转录起始位点及增强子区域的H3K9ac及H3K27ac水平。核定位Pdha1能促进P300及重编程因子Sox2/Klf4/Oct4对他们下游靶标(多能性基因)的结合,并促进多能性相关基因染色质的重塑,进而促进多能性的获得。
                  这一工作也为目前新的组蛋白修饰如:组蛋白棕榈酰化、巴豆酰化、丁酰化修饰等的研究提供了新的研究思路,这些修饰也依赖于线粒体产生的代谢物。本研究描述了多个 TCA 循环酶的转运入核。除了Pdha1 外,其他TCA 循环酶也可能在调节细胞核中的表观遗传学中发挥类似作用,提示细胞核中可能存在类似于线粒体中的复杂代谢循环,并调控多种表观遗传途径。
                  本研究阐明的Pdha1转运入核为组蛋白乙酰化提供局部乙酰辅酶 A,是一种全新的通过活跃的组蛋白乙酰化维持染色质开放状态的新途径。这一途径对于多能性至关重要,表明在早期发育中重要的生理意义。另一方面,肿瘤干细胞同样表现出开放的染色质结构、过度活跃的组蛋白乙酰化和从氧化磷酸化到无氧糖酵解的代谢转换,这一新途径也可能为肿瘤干细胞的病理研究提供信息。
                  细胞核与线粒体在二十亿年相恋相依中,进化很多的交流方式,其中线粒体代谢物入核作为表观遗传酶的辅基是重要的一种。这就像线粒体与细胞核隔着细胞质的海洋,代谢物就是那舟上相思的“红豆”。而线粒体TCA循环酶则另辟蹊径,作为线粒体的“信物”,到达细胞核,更加精准的对应需求,在细胞核里局部生根发芽,就地利用养料(丙酮酸)结出新鲜茂密的“红豆”,并使局部的核小体松散。正是:“一种思念上兰舟,二处闲愁寄红豆。三羧酸酶知我意,四双化作核体柔”。
                  本研究与香港中文大学合作完成。获得国家重点研发项目、国家自然科学基金、中国科学院、广东省和广州市的经费支持。
                  论文链接
                  TCA循环酶入核调控多能性获得、多能性转变及全能性获得模式图
                  
                2022-12-08
              • 南海海洋所在海马基因点突变导致“脾脏丢失”与“雄性怀孕”的协同进化机制取得进展
                  近日,中科院南海海洋研究所热带海洋生物资源与生态重点实验室林强研究员团队取得了“基因单个位点敲除导致整个动物器官丢失”的创新性研究进展,揭示了海马基因tlx1的特异性位点突变(tlx1A208T)调控其脾脏丢失的遗传机制,并首次提出海马“脾脏丢失”与“雄性怀孕”协同演化的新观点。德国康斯坦茨大学、基尔大学研究团队在免疫耐受研究层面进行了联合解析,相关研究成果“Immunogenetic losses co-occurred with seahorse male pregnancy and mutation in tlx1 accompanied functional asplenia”于12月9日在线发表于Nature Communications(《自然·通讯》)。
                  在动物界中,海龙科诸多物种“脾脏丢失”这一复杂性状是脊椎动物最为特异的进化特征之一(图1),也是当前国际学术界在鱼类演化领域所关注的焦点。海龙科鱼类具有“雄性怀孕”的独特繁殖模式,而作为“雄性怀孕”重要器官的育儿袋在进化过程中展现出了多种形式(Science Advances, 2021),并与哺乳动物的子宫呈现结构与基因的趋同进化现象(Nature, 2016; National Science Review, 2020)。在脊椎动物中,“雌性怀孕”已经独立进化了150多次,虽然这一繁殖策略为后代提供了明显的生存优势,但亲本在妊娠期间却一直经受着免疫耐受与免疫保护的权衡,即如何平衡亲本耐受与异体胚胎的免疫保护?在该研究领域,哺乳动物胚胎发育过程中的免疫调控研究报道较多,而“雄性怀孕”繁殖系统作为在脊椎动物中的一个全新研究体系,其雄性怀孕与免疫系统的协同进化机理仍是未知。
                  图1. 海马脾脏丢失及其独特的繁殖特征
                  动物进化多样性与免疫系统的复杂性是密切相关的。脾脏作为免疫系统的重要器官,在机体免疫过程中发挥着重要作用。海马等物种缺少脾脏,这在脊椎动物中是非常罕见的特异进化事件;那么,海马脾脏丢失的遗传基础如何?其免疫系统上的缺陷与“雄性怀孕”繁殖策略之间的进化关系如何? 
                  图2. 海马繁殖策略演化及其免疫系统关键基因丢失 
                  基于上述科学问题,研究团队首先将海马与其他9个不同目的硬骨鱼进行比较基因组学分析,发现海马属中有1260个基因家族显著收缩。涵盖了多个免疫相关通路,如NOD样受体通路、异体移植物排斥反应、抗原处理和呈递等,基因丢失(gene loss)分析也同样支持这一结论(图2)。这一结果表明免疫相关基因家族的收缩或丢失在很大程度上促进了海马免疫系统中的修饰,并可能与其“雄性怀孕”及育儿袋结构的特异进化有关。
                  研究团队进一步聚焦海马“脾脏丢失”的遗传与进化机制解析。全基因组谱系特异性突变(lineage-specific mutation)分析表明,18种海马T-cell leukemia homeobox 1 (tlx1)基因的homeobox结构域存在一个谱系特异性位点突变(即丙氨酸Alanine→苏氨酸Threonine,tlx1A208T)(图3)。而特别值得注意的是,作为海马的近缘物种绿海龙(Syngnathoides)则保留有完整的脾脏,并且不存在该位点突变。
                  图3. 海马属tlx1基因的特异性位点突变
                  已有研究表明,tlx1是人、小鼠等脾脏发育的关键转录因子。基于上述分析结果,推测该位点的突变(tlx1A208T)可能是导致海马脾脏丢失的关键因素。因此,为了证实这一假设,团队利用模式物种斑马鱼实施了3次CRISPR/Cas9基因敲除验证,结果表明, 1)全基因tlx1敲除突变品系斑马鱼(tlx1 knockout)全部表现为先天性脾脏丢失(11/11),2)针对海马特异性位点的突变品系斑马鱼(tlx1A208T)亦出现脾脏丢失(27/27),3)相邻位点的突变品系斑马鱼(tlx1A207T)则有完整的脾脏(17/17),该结果精确验证了海马tlx1A208T位点的进化特异性和功能保守性(图4)。
                  图4. CRISPR/Cas9基因编辑揭示tlx1基因的错义突变导致斑马鱼无脾
                  众所周知,动物胎生过程中成功妊娠的前提是受精卵的顺利着床。尽管被母体免疫细胞识别,但母体-胎儿界面经历了免疫排异和免疫保护的动态变化,最终保障胎儿在子宫内正常发育。研究团队发现,在脾脏丢失的基础上,海龙科物种中许多涉及抗原识别和呈递、T/B淋巴细胞发育、补体激活等过程的基因均存在谱系特异性丢失或结构变异,这一结果也证实了海龙科物种为了实现其怀孕过程而出现了关键免疫基因家族或部分调控通路的协同演化(图5)。
                  图5. 海马脾脏丢失和雄性怀孕的免疫基因组学基础
                  综上,该研究发现并证实了海马基因单位点突变(tlx1A208T)导致其脾脏丢失的假设,首次提出了海龙科鱼类“脾脏丢失”与“雄性怀孕”协同进化的新观点。相关成果拓展了学术界对脊椎动物繁殖过程中免疫系统适应进化的理解,并有望为医学上“无脾综合征”研究开辟新的思路。
                  研究团队刘雅莉副研究员、曲朦助理研究员、姜韩博士研究生等为共同第一作者,林强研究员、Axel Meyer教授和Olivia Roth教授为共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金重大项目、国家杰青项目、中科院基础前沿计划0到1原始创新项目、中科院战略性先导B专项、中科院海洋大科学研究中心重点部署等项目资助。
                  相关论文信息:Immunogenetic losses co-occurred with seahorse male pregnancy and mutation in tlx1 accompanied functional asplenia. https://www.nature.com/articles/s41467-022-35338-7.pdf
                  
                2022-12-10
              • 南海海洋所在细菌信号转导网络复杂度的进化原理获得新认知

                  中国科学院南海海洋研究所热带海洋生物资源与生态重点实验室研究员高贝乐团队以具有足够进化深度和生态多样性的弯曲菌门为研究对象,分析了六大信号转导系统在该门不同分支的进化过程及复杂度构建的方式,解析了细菌的信号网络从简单演变为复杂,或从复杂至简单的过程。相关研究成果近日以“Evolutionary Principles of Bacterial Signaling Capacity and Complexity”为题发表于mBio。 
                  细菌依赖信号转导系统来感知和响应环境变化以维持生存和繁殖,目前已知的细菌信号转导系统主要有六类:1.趋化系统,主要指挥细菌的运动方向; 2.双组份信号转导系统,调节基因的转录与表达;3.第二信使介导的信号转导系统,例如环化腺苷酸、环二鸟苷酸;4.STYK磷酸激酶和磷酸酶介导的信号通路;5.ECF介导的信号通路,调节基因的转录和表达;6.用于细菌间交流的群体感应。这些信号转导系统可以独立存在,也可以交互在一起,形成一个网络。以往的调查研究对不同细菌物种中的几个信号转导系统的组成蛋白进行了统计和分类,以了解它们的系统组成和多样性、模块化和可塑性、系统发育分布、与基因组大小和生态分布的相关性等等。然而,目前尚未完全清楚细菌的信号转导网络在整体上是如何演变的。 
                  回答该问题,需要一个具有足够进化深度和生态多样性的细菌门作为分析框架。系统发育基因组学分析表明,弯曲菌门最早期的进化分支由栖息于深海热液口的严格厌氧和嗜热的化能自养菌组成,该环境被认为是太古宙地球环境的模式系统,表明弯曲菌门的早期进化分支在早期地球历史中发挥了重要作用。随后的进化分支向海洋和陆地淡水系统进行生态位扩张。随着生态环境的多样化,这些谱系表现出从厌氧到微氧/好氧,从嗜热到嗜中温,以及从自养到异养的转变。其中一些谱系成为与宿主相关的共生菌或病原菌,以严格嗜中温和异养型的Campylobacter属和Helicobacter属为代表。此外,该门物种的基因组大小变化范围较窄(1.4-3.5Mb),没有发生剧烈的基因组缩减或扩张。显然,弯曲菌门是一个具有足够进化深度、分支次序有据、生态分布广泛的单系群,为研究细菌信号转导系统或信号网络的进化提供了一个很好的“生态-进化”框架(图1)。 
                  研究人员利用弯曲菌门的“生态-进化”框架,对门下物种的82和基因组进行了详细的比较基因组学分析。研究发现,整体上弯曲菌门物种的信号转导网络的进化模式表现出两种相反的趋势。在生态位扩张的物种中,信号网络的复杂性随着基因家族的扩张而增加,水平基因转移、基因复制、融合和裂变等新基因获得方式为基因创新和不同转导机制的整合创造了机会。相反,当细菌分支专一性适应特殊生态位时,其信号网络的复杂性随着大量基因的丢失而降低。具体到每个信号转导系统,我们发现转导机制的不同导致进化方式也有差别。主要结论包括:1.趋化系统主要通过水平基因转移获得新的整套趋化基因簇来增加复杂度,而不同趋化类别之间极少发生融合;2.双组份系统的复杂度主要取决于非经典组氨酸激酶的数量,在经典组氨酸激酶的结构域组成的基础上通过在激酶的N-端或者C-端融合REC结构域,来实现磷酸信号的多步传递、输入和输出信号的整合或分流;3.环二鸟苷酸介导的通路进化方式最多样,其合成酶和分解酶容易获得也容易丢失,因为第二信使小分子的合成和降解成本低,而且该小分子不受蛋白互作的进化约束。以上三种系统在弯曲菌门的祖先细胞中就已经进化了,后来的分支随着生态位的拓张不断增加网络复杂度;而宿主体内的共生菌和病原菌则大量丢失信号转导蛋白,只保留简单的单组份、双组份系统以及与鞭毛共进化的趋化系统,一些分支彻底丢了环二鸟苷酸介导的通路。总而言之,在弯曲菌门中,信号转导网络的大小和复杂度呈现共同增强与共同减弱的趋势,由细菌感受环境变化的需求、能量成本、遗传资源和基因组内的协同进化共同决定的。 
                  中国科学院南海海洋研究所2022届博士莫然、2020级博士生陈园园、2020届硕士刘煜耿为该论文的共同第一作者,高贝乐研究员为通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金、南方海洋科学与工程引进人才团队重点专项广东实验室(广州)、中国科学院战略性先导专项、中国科学院南海生态与环境工程创新研究院的资助。 
                  相关论文信息:https://journals.asm.org/doi/10.1128/mbio.00764-22
                  图1 弯曲菌门的物种进化树与生态生理特点
                  图2 弯曲菌门代表物种的信号转导网络的构成
                  
                2022-12-12
              • 广州地化所揭示风化作用对烃源岩有机地球化学特征的影响

                  在油气勘探开发早期阶段,钻井取芯数量有限,许多勘探调查工作都是基于露头样品开展的。然而,当深埋地下的烃源岩由于构造抬升作用而暴露于地表或近地表后,会受到自然风化作用的严重影响。地表水的溶解、侵蚀、氧化和生物同化,不仅使得烃源岩的矿物和无机元素组成受到影响,而且其有机质的丰度、化学组成和分子结构也可能会遭受不同程度的改造,进而使得其有机地球化学特征和生烃潜力等指标发生改变,导致以此为基础的烃源岩评价及烃-源对比工作变得异常复杂和困难。因此,揭示风化过程中烃源岩地球化学特征的变化,对于厘清基于露头样品的评价指标的有效性、利用露头数据预测含油气盆地的油气潜力至关重要。
                  针对上述问题,中国科学院广州地球研究所有机地球化学国家重点实验室博士生潘树彪在导师廖玉宏研究员指导下,对鄂尔多斯盆地铜川地区衣食村自然风化的三叠系延长组7段烃源岩剖面(图1)进行了详细的有机和无机地球化学分析与研究。为了避免不同岩层段中页岩矿物和元素组成的非均质性,该研究的样品采集沿着剖面的同一水平地层进行。综合岩石热解(Rock-Eval)、TOC 分析、XRD矿物分析、主微量及稀土元素分析、色谱-质谱(GC–MS)分析等测试结果,发现风化作用对烃源岩的有机(干酪根和可溶有机物)和无机(矿物和元素)地球化学指标都有系统性的改变。
                  图 1. (A) 鄂尔多斯盆地铜川地区地质构造图;(B) 上三叠统延长组地层柱状图;(C) 铜川地区上三叠统延长组7段衣食村剖面图
                  研究结果表明,自然风化会对距地表近2米深的烃源岩产生较为明显的影响(图2)。随着风化作用的增强,烃源岩的有机质丰度明显减小,其中总有机碳损失了41%,生烃潜力(S1+S2) 损失了63%,可溶抽提物(EOM)损失了75%;氢指数(HI)逐渐降低,而氧指数(OI)明显升高。在上覆地层最薄的风化阶段Ⅲ的样品中,上述烃源岩评价指标的变化最为明显。随着上覆地层厚度的增加,风化程度逐渐减弱。此外,风化作用也会导致EOM中的饱和烃和芳香烃部分损失以及胶质和沥青质的增加。由于水溶性的不同,芳香烃的损耗相对于饱和烃更为严重。
                  图2 鄂尔多斯盆地铜川地区衣食村剖面风化样品的有机质丰度指标及其相关统计参数
                  风化作用会影响烃源岩的矿物组成,如黄铁矿、碳酸盐岩矿物等易风化的矿物含量明显降低。主量元素CIA指数(图3)表明,本次研究的样品遭受了中等强度的风化作用。重稀土元素(HREEs)略有富集,中稀土元素(MREEs)优先被去除。微量元素、稀土元素丰度及其衍生出的古环境应用指标,如U/Th、AU、Mo、Sr/Ba、Sr/Cu和P/Ti的值,随着风化作用增强显示出不同程度的变化(CV>10%)。其他指标如V/(V+Ni)、Ni/Co、V/Cr、δU和Ceanom,只表现出轻微的变化,对古环境的判识仍然可靠。
                  图3 鄂尔多斯盆地铜川地区衣食村剖面风化样品的无机元素古环境指标及其相关统计参数
                  风化作用还会严重影响烃源岩中正构烷烃的丰度及分布,低碳数正构烷烃(SCh)被严重损耗,而高碳数的正构烷烃(LCh)相对含量明显增加(图4),这可能导致以正构烷烃分布为基础的有机质来源判别失真。在饱和烃和芳香烃生标中,碳数较低的生标如S21-22孕甾烷、三环萜烷(TT20-23)和三芳甾烷(TAS20-21)比碳数较高的同类化合物(常规甾烷、藿烷和TAS26-28)更容易受到自然风化的消耗(图5),即碳数更低的生标更容易被消耗。风化作用导致这些生物标志物发生系统性变化的原因可能主要是由于这些低碳数的化合物的分子量相对较低,溶解度相对较高,导致地表水的淋滤作用对其表现出选择性消耗。水洗强度指标(DBT/P)也证实了这一点。此外,研究区较为丰富的年度降雨量数据也为此提供了支持。因此,除了生物降解作用及非生物氧化作用(光氧化)以外,地表水的淋滤作用在烃源岩的自然风化过程中起着重要作用,尤其是降雨量较高的地区。总之,风化作用可以改变烃源岩的有机地球化学特征,并可能影响基于有机质丰度、类型和成熟度开展的油气资源评估结果的准确性。因此,基于露头样品的油气资源评价和烃源岩沉积环境分析应充分考虑自然风化作用的影响。
                  图4 鄂尔多斯盆地铜川地区衣食村剖面风化样品的正构烷烃及甾烷指标及其相关统计参数
                  图5 鄂尔多斯盆地铜川地区衣食村剖面风化样品的萜烷及芳香烃指标及其相关统计参数
                  该研究受到国家自然基金(41872156和42173056)的资助,成果近期发表在能源地质地球化学领域国际期刊《International Journal of Coal Geology》。第一作者为博士生潘树彪,通讯作者为廖玉宏研究员,其他作者还包括蒋彬、万志雄和王甫。
                  论文信息:Pan, S. B.(潘树彪), Liao, Y. H.*(廖玉宏), Jiang, B.(蒋彬), Wan, Z. X.(万志雄), Wang F(王甫), 2022. Impact of natural weathering on source rocks: Organic and inorganic geochemical evidence from the Triassic Chang 7 outcrop profile in Tongchuan of the Southern Ordos Basin (China). International Journal of Coal Geology 263, 104119.
                  文章链接
                  
                2022-12-12
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