近日，上海交通大学生命科学技术学院、微生物代谢国家重点实验室董涛团队发现细菌Ⅵ型分泌系统（T6SS）可以分泌一种新型的具有分子内伴侣的核酸酶毒素，并揭示了该毒素蛋白的分泌和自剪切机制。相关研究成果以“Intramolecular chaperone-mediated secretion of an Rhs effector toxin by a type VI secretion system”为题发表于Nature Communications杂志上。上海交通大学博士研究生裴同同、李浩和硕士研究生梁小夜为共同第一作者，董涛研究员为通讯作者，该文作者还包括谢志平研究员、于明特别研究员、林双君教授和许平教授等。本文是董涛团队自2019年11月在PNAS和2020年2月在Nature Microbiology上发表的研究结果的延续和扩展，深化了领域对效应蛋白的分泌机制和功能的研究，并为下一步对T6SS进行合成生物学工具化改造和应用有重要的推动作用。微生物广泛存在于自然环境中或寄主体内，相应也进化出了多种与其他物种竞争的策略。Ⅵ型蛋白分泌系统（T6SS）是大多数革兰氏阴性致病菌与环境中其他微生物竞争及感染宿主的重要“武器”。T6SS 能够通过直接接触将具有抗菌活性或细胞毒性的效应蛋白注射到受体细胞内。T6SS效应蛋白往往具有不同的大小、结构和功能特性，因此对其分泌机制的解析一直是领域内的热点和难点。本研究在致病性气单胞菌Aeromonas dhakensis中发现了首个能够自我剪切的T6SS效应蛋白TseI。通过多种生化和遗传突变实验，作者发现TseI表达时能够自剪切为三个片段（N、 Rhs 和 C）。C端是一个核酸酶毒素，而N端和 Rhs在剪切后能够作为伴侣蛋白与C端毒素非共价结合。在N端和Rhs的辅助作用下，C端毒素能够通过T6SS分泌到受体细菌内至其死亡。此外，该研究还在包括铜绿假单胞菌、丁香假单胞菌和副溶血弧菌等多种病原微生物中发现了具有类似特性的T6SS效应蛋白。因此，作者将TseI及其同源蛋白定义为一类新型的含分子内伴侣的自剪切效应蛋白。T6SS效应蛋白 TseI 的鉴定  A：纯化后的 TseI 显示蛋白剪切为三段；B：TseI同源蛋白的序列对比显示保守氨基酸序列和N/C端自剪切位点；C：TseI同源蛋白在致病菌中的分布；D：分子内伴侣介导的TseI分泌模型。该研究获国家重点研发项目(2018YFA0901200)和国家自然科学基金委(31770082)等项目的支持。论文链接：http://dx.doi.org/10.1038/s41467-020-15774-z

构建了小鼠和人角膜上皮细胞的干眼模型来模拟干燥和高渗压力诱导的干眼，深入研究干眼的免疫损伤机制和关键致病靶点。国际上首次发现环境压力可以促进角膜上皮细胞中的新型炎性小体——NLRC4和NLRP12炎症小体的组装、活化，从而诱导GSDMD的切割，引起角膜上皮的焦亡打孔、并伴随大量炎症因子（白介素[IL]-1β和IL-33）的释放；并且NLRC4和NLRP12可以相互协同放大焦亡的炎症损伤。研究还首先报道了细胞焦亡的新机制，即焦亡打孔的过程中不仅有经典的IL-1β的分泌还伴有大量IL-33释放，介导角膜上皮细胞的炎症损伤。靶向性调控GSDMD和IL-33的切割、活化可以显著抑制眼表组织损伤，证实了其是介导干眼发病的关键致病靶点。研究不仅揭示了干眼角膜上皮细胞免疫炎症损伤的关键机制，也为干眼的治疗提供了新靶点和治疗策略。

        成熟度：技术突破         一种安全、可靠、光强稳定的数字化超高压汞灯曝光光源控制器，驱动功率高达3kW，功率调整步长小于5W，光强稳定性误差不高于0.3%@30min，汞灯触发成功率高于90%。         意向开展成果转化的前提条件：中试放大及产业化工艺开发资金支持

浮游植物在表层获取光能固定CO2，形成颗粒有机碳（POC）往下沉降，在深海再矿化后生成铵（NH4+），从而为深海化能自养细菌/古菌提供了能量来源。因此，氨氧化古菌和亚硝氧化细菌所介导的两步硝化过程是实现光能传递到深海被利用的重要途径，是深海重要的供能过程，支撑了海洋“黑暗固碳”——不依赖于光合作用的化能自养固碳，为深海生物圈提供了“新”的有机质，同时积累硝氮。由于亚硝氧化菌群研究的长期滞后，氨氧化和亚硝氧化功能群在深海的协作关系始终不明了，因此国际上对深海硝化菌群支撑的碳（C）−氮（N）耦合机理（定性）的理解仍极为有限，对C−N计量学关系（定量）的准确估算仍是空白。 该研究工作结合多组学分析、生理学实验、现场原位速率及动力学观测和模拟，以及生态系统模型，阐释了氨氧化古菌和亚硝氧化细菌显著差异的代谢策略，及两步氧化过程耦合、硝化与黑暗固碳耦合的生理生态学机制，建立了硝化菌群支撑的C−N、物质与能量转换的计量学关系，量化了深海硝化过程对深海生物圈及全球海洋碳循环的贡献和影响。该工作为深海物质与能量循环研究提供了新的参数，对深入认识深海生物地球化学过程具有重要意义。

项目成果/简介:浮游植物在表层获取光能固定CO2，形成颗粒有机碳（POC）往下沉降，在深海再矿化后生成铵（NH4+），从而为深海化能自养细菌/古菌提供了能量来源。因此，氨氧化古菌和亚硝氧化细菌所介导的两步硝化过程是实现光能传递到深海被利用的重要途径，是深海重要的供能过程，支撑了海洋“黑暗固碳”——不依赖于光合作用的化能自养固碳，为深海生物圈提供了“新”的有机质，同时积累硝氮。由于亚硝氧化菌群研究的长期滞后，氨氧化和亚硝氧化功能群在深海的协作关系始终不明了，因此国际上对深海硝化菌群支撑的碳（C）−氮（N）耦合机理（定性）的理解仍极为有限，对C−N计量学关系（定量）的准确估算仍是空白。 该研究工作结合多组学分析、生理学实验、现场原位速率及动力学观测和模拟，以及生态系统模型，阐释了氨氧化古菌和亚硝氧化细菌显著差异的代谢策略，及两步氧化过程耦合、硝化与黑暗固碳耦合的生理生态学机制，建立了硝化菌群支撑的C−N、物质与能量转换的计量学关系，量化了深海硝化过程对深海生物圈及全球海洋碳循环的贡献和影响。该工作为深海物质与能量循环研究提供了新的参数，对深入认识深海生物地球化学过程具有重要意义。

放射状胶质细胞是大脑发育最为关键的一种神经前体细胞，分裂产生大脑皮层几乎所有的神经元和胶质细胞。所有动物细胞都有中心体，通常位于细胞核附近的细胞质中。然而中心体在放射状胶质细胞内的定位十分独特，位于远离细胞核的顶端细胞膜上，即脑室腔的表面上。这种独特的亚细胞特征已被发现数十年，但其成因及功能一直令人困惑。图1. 中心体的顶端膜锚定调控神经前体细胞机械特性和大脑皮层的大小及折叠时松海教授和史航研究员课题组采用基于透射电镜成像的连续超薄切片技术，首次观察到了放射状胶质细胞内的中心体是通过附着在母体中心粒上的远端附属物（distal appendages）锚定在顶端细胞膜上的（图1）。为了探索其分子调控机制和生理功能，研究人员在大脑皮层放射状胶质细胞内特异性地去除了远端附属物的重要构成蛋白CEP83，使得远端附属物无法形成，从而阻止中心体与细胞膜的连接。结果发现，去除CEP83蛋白后，母体中心粒上不再形成远端附属物，中心体和顶端膜发生了微小的错位，不再锚定在顶端膜上。进一步研究表明，中心体这一不足1微米的位移，不是通过影响初级纤毛的形成，而是破坏了顶端膜上特有的环状微管结构，导致顶端膜被拉伸、变硬。这一物理特性的改变引起了放射状胶质细胞内机械敏感信号通路相关的YAP蛋白（Yes-associated protein）的过度激活，从而导致了放射状胶质细胞前期的过度扩增以及之后中间前体细胞的增多，最终使得大脑皮层神经细胞显著增加，体积扩大，并引发异常折叠。论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-020-2139-6

哺乳动物基因组的广泛转录产生了大量的非编码RNA，相比于细胞质定位的蛋白编码mRNA，这些非编码RNA如长链非编码RNA（lncRNA）、启动子和增强子关联的不稳定转录本（uaRNA、eRNA）等更倾向于结合染色质参与调控染色质结构、转录和RNA加工等过程。尽管零星报导少数RNA核滞留的现象，但为何大部分lncRNA会滞留于染色质上行使调控功能，仍是个不解之谜。上世纪80年代初，Joan Steitz通过系统性红斑狼疮患者血液抗体分离提取 U1,U2, U4, U5和U6小核糖核蛋白粒子（又称为 snRNP），揭示了它们参与RNA剪接的经典功能。近年来施一公团队系统报导了真核生物剪切体的原子结构和生化功能。然而，一直让人困惑的是，细胞内U1 snRNP的数量为什么比其它剪接相关snRNP高 2-5倍。虽然Gideon Dreyfuss和Phil Sharp等团队曾揭示U1 snRNP调控转录终止和方向的非经典功能，U1 snRNP在细胞中的丰富存在仍然是一个让人困惑的问题。为了探究lncRNA的染色质结合机制，研究者首先建立和运用一套新颖的mutREL-seq方法来高精度筛选调控RNA定位的关键序列，意外发现了U1 snRNP识别位点参与调控候选RNA的染色质滞留。相比于蛋白编码基因，lncRNA转录本含有更多的U1识别位点（同时也是潜在的5’剪接供体位点），而其基因组区域具有更少的3’剪接受体位点。并且U1 snRNP更高水平地结合在lncRNA上。随后，研究者分别使用antisense morpholino oligos（AMO）和auxin-induced degron（AID）诱导蛋白降解系统，来抑制U1 snRNA和核心蛋白组分SNRNP70的功能。研究者发现小鼠胚胎干细胞中近一半的lncRNA受U1 snRNP调控。另外，与转录调控元件关联的不稳定非编码转录本如uaRNA、eRNA等，它们的染色质结合在U1 snRNP抑制后也显著下降。研究者进一步证明了U1 snRNP直接调控成熟lncRNA与染色质的结合，而不是通过影响RNA合成、加工或降解过程的动态变化所产生的间接影响。机制上，研究者鉴定了U1 snRNP在染色质上的互作蛋白，发现U1 snRNP结合特定磷酸化状态的RNA转录聚合酶II（Pol II）。转录抑制明显降低了U1 snRNP及其所调控的非编码RNA与染色质的结合，表明U1 snRNP通过与磷酸化的Pol II互作来介导其互作RNA与染色质的结合。最后，研究者通过以lncRNA Malat1为例，进一步验证了U1 snRNP对其染色质结合的调控作用。去除SNRNP70后，绝大部分Malat1 “核斑”定位信号消失，并弥散在核质及细胞质中。同时，Malat1在活跃表达基因染色质区域的结合信号显著下降，表明U1 snRNP不仅可以将Malat1滞留在染色质上，同时也参与调控后者在染色质上的移动及其与靶基因的结合。综上，研究者提出如下模型（图1）：5’和3’剪接位点在lncRNA上的不对称分布，致使U1 snRNP持续结合在lncRNA转录本上，而不能通过RNA剪接过程释放，从而介导了lncRNA的染色质滞留。磷酸化Pol II进一步介导了lncRNA-U1 snRNP复合体在染色质上的移动（mobilization）。对于大多数低丰度、不稳定的lncRNA，它们只能靶向结合邻近的染色质区域（顺式cis作用）；而对于少数稳定和高丰度的lncRNA，如Malat1，U1 snRNP促进了其迁移和结合更多的靶基因区域（反式trans作用）。图1. U1 snRNP介导非编码RNA染色质结合的模式图。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2105-3

基于过去发展的基于第一性原理电子结构计算的有限温度下铁电-顺电相变模拟手段，指出Fisher等人提出的有限尺寸标度理论存在缺陷，并针对铁电-顺电相比提出修正方法。此理论缺陷存在的本质原因是理论推导过程中对体材到薄膜演变过程中哈密顿量变化的忽视，是由当时实验技术与针对具体材料物性理论模拟手段的局限造成的。新发展出来的修正方法可广泛适用于类似铁电材料的物性模拟。 研究中，以SnTe作为一个例子，来研究标度律不成立的体系；以BaTiO3为一个例子，来描述标度律成立的体系。通过对比两类材料在从体材到薄膜变化过程中电子结构与相变温度变化的规律，作者发现相变序参量的变化可以作为一个描述子，来区分此两类系统。在标度律成立的体系，体材与薄膜的相变序参量并不发生变化，这个也是70年代Fisher等人提出标度律的一个基本假设。而对SnTe这类材料，在从体材到薄膜的演化过程中，相变序参量已经发生了变化。这一机制也为寻找、预测和设计低维高Tc铁电材料提供了新思路。不同于之前研究常采用的施加应变等外部调制手段，新机制预测的低维铁电材料具备本征高Tc，更易于脱离实验室条件走向工业生产。课题组期待这一工作能激发更多高Tc铁电材料的发现。图1. 材料的相变序列(a) 满足标度律的传统铁电材料；(b) 不满足标度律的二维铁电材料；(c) 不满足标度律的一维铁电材料。当且仅当材料的低维相变序列发生改变时，标度律不成立，该材料有可能发现高Tc，即(b)(c)，有待于进一步的实验发现。

揭示了模式植物拟南芥WRKY家族转录因子WRKY75与植物激素水杨酸 （SA）以及活性氧（ROS）形成正向促进调控环，协同调控叶片衰老的分子机制。该研究提出了植物叶片衰老进程的晚期具有不可逆性以及分子机制，加深了对植物叶片衰老的理解，为通过分子育种延缓植物叶片衰老进而提高粮食产量提供了理论依据。 叶片是植物光合作用的主要器官，叶片早衰影响作物的产量和品质，给农业生产带来了很大的损失。衰老是叶片发育的最后阶段，是一个受到严格遗传调控的程序化的细胞死亡的过程。影响叶片衰老的因素诸多，包括叶龄、植物激素、活性氧含量等内因以及干旱、极限温度、生物胁迫和非生物胁迫等外因，因此叶片衰老的过程并不是受某个单一因素调控，而是存在一个非常复杂的调控网络。该研究通过叶片衰老表型分析筛选到一个叶片延缓衰老的植株WRKY75RNAi，研究发现，WRKY75RNAi植株表现出明显的叶片延缓衰老的表型，以及通过CRISPR-Cas9 的方法定向敲除WRKY75基因获得的wrky75-KO 的植株也表现出叶片晚衰的表型，而组成型过表达WRKY75则引起叶片过早衰老。 进一步研究表明，WRKY75基因表达受到叶片年龄、水杨酸和活性氧的诱导，同时通过全基因组转录组分析、基因表达分析以及基因与蛋白互作分析发现WRKY75直接促进水杨酸合成关键基因SID2的转录，并且抑制过氧化氢（H 2 O 2 ）的清除基因CAT2的表达，最终导致水杨酸和过氧化氢的积累。而已知水杨酸和过氧化氢可以互相促进，因此WRKY75、水杨酸和过氧化氢三者形成两两互相促进的调控环。在叶片发育的早期，三者的含量均保持在较低的水平，而随着叶片年龄逐渐增加，由于正循环的存在使得三者的含量递增，直至达到某一个阈值后出现不可逆转的增长，进而推动叶片衰老不可逆转地向前推进。该正循环调控网络在分子水平上揭示了WRKY75调控叶片衰老的分子机制，解释了植物衰老晚期具有不可逆性的原因。

北京大学物理学院颜学庆教授/马文君研究员团队近期在激光加速重离子领域获得重要进展。他们利用人工设计的双层纳米靶材，获得了能量高达580兆电子伏特（MeV）的碳离子，将飞秒激光加速重离子能量记录提高了两倍。相关结果以” Laser Acceleration of Highly Energetic Carbon Ions Using a Double-Layer Target Composed of Slightly Underdense Plasma and Ultrathin Foil”为题发表在物理评论快报上（Physical Review Letters 122，014803 （2019））。 高能重离子在肿瘤治疗、生物辐照、核物理与核能等领域有着广泛的用途。利用超强飞秒脉冲激光加速重离子一直是激光加速领域的难点。之前的大量实验研究中，通常只能获得最高能量为几兆电子伏特每核子（MeV/u）的重离子。而在相同条件下，质子可被加速至近百兆电子伏特，远高于重离子。这是因为，要有效加速重离子，需要将其在加速初始阶段就电离到高电荷态注入到加速场中，并且保持足够长的加速时间。一般情况下，这两点很难同时实现。马文君研究员团队在前期工作的基础上（PRL 115, 064801 (2015)，PRL 113, 235002 (2014), Adv Mater 21(5),603 (2009), Nano Lett 7(8), 2307(2007)），设计并制备出了一种由超薄超低密度碳纳米管泡沫与类金刚石纳米薄膜组成的双层复合靶材，成功地同时实现了这两个条件。复合靶材在超强飞秒脉冲激光作用下，位于类金刚石纳米薄膜中的碳离子，先后经历了光压电离注入与长达数百飞秒的鞘场加速两个过程，最终速度达到了光速的30%。这是首次利用超短脉冲在实验中实现了重离子的级联加速。图：本研究结果（）与已有重离子加速实验结果汇总。 他们的理论与数值模拟工作表明，这种高效的加速方案也适用于金、钍、铀等重离子。在现有激光条件下，可产生能量为数十兆电子伏特每核子、密度为传统束流10^9倍的高能高密度重离子束流。这种高能高密度重离子束团将为超重元素合成、短寿命核素加速、温稠密物质等温加热等重要物理难题的解决提供新的方案。，将为科学前沿领域及新兴交叉学科的迅猛发展带来新的机遇。 马文君研究员为论文第一作者与通讯作者。颜学庆教授与韩国基础科学研究所的Nam，Chang Hee教授为共同通讯作者。论文主要作者还包括陈佳洱院士、贺贤土院士、M. Zepf教授, J. Schreiber教授, Kim, I Jong教授、林晨研究员、卢海洋研究员和余金清博士等。该项目得到国家重大科技基础设施培育项目（2017ZF22）、科技部重大仪器专项、自然科学基金重点项目、核物理与核技术国家重点实验室和北京市卓越青年科学家等项目的支持。 相关文章链接如下：Phys. Rev. Lett. 122, 014803 （2019）https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.014803Phys. Rev. Lett. 115, 064801 (2015)https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.115.064801