您现在的位置:首页 > 科技 >

科技·前沿近期科研成果扫描

2020-06-28 17:28编辑:dd人气:


祁海、钟毅课题组与上科大胡霁组合作报道脑-脾神经环路控制抗体免疫应答的新机制

药学院饶燏课题组合作发文展示靶向3-羟基-3-甲基-戊二酰辅酶A还原酶的降解小分子

材料学院朱宏伟教授课题组发表“石墨烯体系中的阳离子-π相互作用”综述论文

5月6日,《科学进展》(Science Advances)在线刊登了清华大学水利系杨大文教授课题组题为“青藏高原多年冻土融化的碳排放风险(Permafrost thawing puts the frozen carbon at risk over the Tibetan Plateau)”的研究论文。这是该课题组近年连续在专业领军期刊发表多项关于青藏高原冻土变化的研究成果后,在青藏高原冻土变化对土壤有机碳的影响与潜在风险评估方面的又一重要研究进展。

北半球分布的多年冻土面积约占北半球陆表面积的1/4,其中环北极多年冻土区储存着大量土壤有机碳,约为当前大气中碳储量的二倍。近年来,随着气温升高与冻土退化,原本冻结在多年冻土层中的土壤有机碳,通过微生物分解以CO2、CH4等形式释放到大气当中,这些温室气体反馈到大气进一步加剧气温升高与冻土退化,形成冻土-气候的正反馈效应。青藏高原地区分布着环北极地区以外最大范围的多年冻土,有地球“第三极”之称。青藏高原多年冻土区储存的土壤有机碳可能成为气候变化背景下的潜在碳源,而这些冻土碳的空间分布尚不明晰,融化风险也亟待评估。

基准期(2006-2015年)多年冻土活动层厚度与表层(0-3m)土壤有机碳分布

杨大文团队整合青藏高原地区最新的冻土与土壤碳观测数据,模拟了青藏高原多年冻土与活动层厚度分布,基于数据驱动的机器学习方法得到青藏高原冻土碳空间分布信息,估算了青藏高原冻土有机碳的储量。结果表明,青藏高原土壤有机碳总储量约为50.43 Pg,其中37.21 Pg在当前气候条件下常年位于冻结的多年冻土层中。这一成果填补了全球已有冻土碳数据中关于青藏高原地区冻土碳分布状况的空白。

该研究还首次评估了升温背景下青藏高原冻土有机碳释放对区域碳循环的潜在影响。随着气候变暖,至本世纪末青藏高原多年冻土层中储存的土壤有机碳约22.2-45.4%将发生融化,这一融化量可在相当程度上抵消了生物群系净固碳量,从而极大地增加了青藏高原多年冻土区从碳汇转变为碳源的风险。其中,3m以下深层冻土中有机碳融化量占冻土碳总融化量的比例高达29.6-46.2%,这一结果凸显了青藏高原地区深层冻土碳的重要性,弥补了现有研究仅关注浅层(0-3m)冻土碳释放的不足,为评估气候变化背景下冻土融化对区域乃至全球碳循环的影响提供了新思路。

清华大学水利系博士生王泰华为论文第一作者,杨大文教授、杨雨亭副教授为共同通讯作者,合作者包括北京大学朴世龙教授、中国科学院青藏高原研究所李新研究员、中国科学院寒区旱区环境与工程研究所程国栋院士和中国科学院生态环境研究中心傅伯杰院士。该研究工作得到了国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项等项目资助。

近日,清华大学地学系举行新一代地球观测数据与制图成果发布会。清华大学理学院院长、地学系主任宫鹏教授和博士研究生刘涵共同对外发布了清华大学基于亚马逊云服务(AWS)完成的新一代中国地区地球观测数据集(Seamless Data Cube,简称SDC)——2000~2018年30米分辨率逐日无缝遥感观测数据,以及在此基础上研制的中国逐季节地表覆盖和逐年土地利用制图成果。财新网、科技日报、中国科学报、科普时报等多家媒体,以及参与项目合作的亚马逊云服务(AWS)和光环云数据有限公司团队参加了发布会。

目前世界上主流的地球观测卫星Landsat每16天才能对全球扫描一遍,所获得的数据集是不完整的。宫鹏团队采用时空遥感技术手段和MODIS图像辅助研发的无缝遥感观测数据集Seamless Data Cube,使得每一天都有一套完整的全球30米分辨率的观测数据。正是这些逐日数据,使得地球长时间观测序列有了很好的时空一致性。基于无缝数据集,宫鹏团队提取了30米空间分辨率土地覆盖变化的情况,设计和训练了一套适应遥感大数据的深度遥感特征学习和分类模型,最终得到了世界首套中国逐季节土地覆盖和逐年土地利用制图(从2000年到2018年)。

无缝遥感观测数据集SDC以及逐季节土地覆盖和逐年土地利用制图,开辟了中国卫星遥感数据处理和信息提取的新范式。它能够服务于国民经济众多行业,比如农业集约化和土地闲置的监测、城市化与自然植被丧失的识别、土地退化和粮食安全、环境变化与健康、造林和土壤含水量的关系、城市扩张与热岛效应等研究以及碳储备等。

无缝遥感观测数据集SDC有助于打造世界顶级的在线制图服务的平台,并产生新的数据产品。例如,清华大学地学系依靠这个数据集研发了全球粮食估产模型,输入不同地方的作物种植和气候预测数据,就可以提前两个月估算出全球粮食产量情况。

无缝遥感观测数据集(Seamless Data Cube)得到了亚马逊云服务(AWS)的大力支持。据AWS技术人员介绍,宫鹏团队采用AWS云服务算力,相当于全世界现在TOP200的高性能计算机所能提供的能力。AWS并不简单地提供储存和数据服务,而是在云服务里就包括了人工智能与机器学习的计算框架,采用AWS云服务后,地表覆盖制图的精度提高了10~20%。

4月29日,《自然》杂志在线发表了清华大学医学院、免疫学研究所祁海课题组、上海科技大学胡霁课题组、清华大学麦戈文脑科学研究所钟毅课题组的合作论文,题目是“受行为影响的脑活动调控体液免疫应答”(Brain control of humoral immune responses amenable to behavioural modulation)。通过小鼠模型,该研究发现了一条从大脑杏仁核和室旁核CRH神经元到脾内的神经通路——这条通路促进疫苗接种引起的抗体免疫应答,并可通过响应躯体行为刺激对免疫应答进行不同调控。据作者介绍,这是迄今发现的第一条解剖学明确、由神经信号传递而非内分泌激素介导的、中枢神经对适应性免疫应答进行调控的通路,它的发现为神经免疫学研究拓展出了一个新方向。

首先,研究者开发了一种新型去除小鼠脾神经的手术,发现这种小鼠在疫苗接种后所能产生的浆细胞(抗体分泌细胞)数量有明显缺陷,暗示了脾神经冲动信号对B细胞应答有促进作用。通过药理学、遗传学实验,他们继而发现B细胞表达乙酰胆碱9受体对脾神经的这个促进作用不可或缺。通过体内细胞剔除实验,研究者发现在肾上腺素能的脾神经和需要感知乙酰胆碱的B细胞之间,最可能起到了“换元”作用的,是新近发现的可感受去甲肾上腺素而分泌乙酰胆碱的T细胞。

进一步,作者通过伪狂犬病毒逆行追踪,发现脾神经与室旁核(PVN)、中央杏仁核(CeA)有连接。这两个区域的功能与应激、恐惧反应紧密相关,而两处共有的一类神经元是表达CRH(促肾上腺皮质激素释放激素)的神经元。CRH神经元是掌控垂体-肾上腺轴的上游神经元,其激活可导致肾上腺大量释放糖皮质激素,调整机体应激,抑制免疫系统活动。这个已知抑制免疫的内分泌功能,不能解释作者看到的免疫增强的现象。但会不会CRH神经元还可以直接操控脾神经,通过神经通路传导免疫增强的信号来促进浆细胞的产生呢?

为检验这一假说,研究者通过光遗传学实验,发现刺激CeA/PVN的CRH神经元后几秒钟之内就会记录到脾神经的电信号明显加强,证明CeA/PVN与脾间的确有通路连接(图1)。进而,作者通过CRH神经元剔除、DREADD化学遗传学抑制及激活的方法,证明 CeA/PVN CRH神经元活性对应调控了脾内B细胞应答产生浆细胞的过程。

自主神经活动可以受外界环境及行为的影响。那么,有没有行为可以刺激这条脑-脾神经轴从而增强免疫应答呢?作者通过监测小鼠在不同行为范式下 CeA/PVN 的 CRH 神经元活动发现,一个他们新开发的“孤立高台站立”(elevated platform standing,如图2和视频)行为可以同时激活这两个核团的CRH神经元。

更重要的是,抗原接种后第二周里,每天经历这个行为范式两次,小鼠抗原特异的抗体就可以增加约70%。这种行为增强抗体应答的效果,依赖于CRH神经元、依赖于脾神经、并且需要B细胞表达的乙酰胆碱受体。虽然高台站立可以看作是一种应激范式,但并非所有导致应激状态的行为都能增强免疫。作者测试了神经生物学研究中常用的捆绑模型,发现这一范式更强烈而持久激活PVN的CRH神经元,但抑制 CeA 的 CRH 神经元,致使机体持续产生高水平的糖皮质激素,对免疫应答产生了抑制作用。

至此,研究者在这项研究里鉴定、证明了一条对适应性免疫具有增强功能的脑-脾神经轴,揭示了CRH神经元的双重免疫调节功能——经典已知的垂体-肾上腺神经内分泌免疫抑制作用和新发现的经神经环路直接作用于脾的免疫增强作用。

神经免疫学方兴未艾,目前的主要方向包括:以CNS和外周神经为靶器官,研究组织固有的小胶质细胞和招募而至的免疫细胞在系统稳态与病变中的作用;研究中枢及外周神经与淋巴器官和屏障组织(肠上皮等)里固有免疫细胞(巨噬细胞、ILC等)的信号交互与功能互调等。刚刚发表的这一新工作,使研究者认识到淋巴细胞介导的适应性免疫应答也可以受到中枢-外周神经环路的直接调控,以及通过躯体行为正向调节免疫应答的一个生物学基础。

针对最后一点,祁海特别指出,锻炼身体(躯体运动)可以增强“免疫力”,这个几乎所有人或多或少都接受的常识性结论,其背后的科学依据其实远不清楚。他认为,他们发现的脑-脾轴可能为此提供了一个环路方面的解释。我们适度锻炼,可能如同小鼠的EPS,恰到好处地刺激了CeA和PVN的CRH神经元,增进了浆细胞和抗感染抗体的生成。相反,频繁马拉松跑后人们易于感冒,可能是过度应激导致的免疫抑制超越了免疫增强效果。祁海猜测,未来通过神经免疫学的进一步研究,应该可能在特定神经元、神经环路水平定量描述、评价不同锻炼方式、不同躯体运动形式、乃至不同“冥想”“禅修”过程对免疫系统的影响,从而帮助我们为加强“免疫力”而正确选择锻炼或其他增进健康的方式提供更明确的科学依据。这也是题图“勤動”所表达的愿景。

清华-北大生命科学联合中心2013级博士生张旭、清华生命学院2016级博士生雷博、上海科技大学2015级博士生袁媛、清华PTN项目2016级博士生张厉为本文的共同第一作者。该得到科技部和国家自然科学基金委科研基金的支持。祁海课题组还得到北京市科委、清华-北大生命科学联合中心、清华大学免疫学研究所、北京生物结构前沿研究中心、北京市慢性病免疫学研究重点实验室的支持。钟毅课题组得到清华麦戈文脑科学研究所的支持。另外,中国科学院武汉数学物理研究所徐福强课题组、清华大学药学院廖学斌课题组、首都医科大学孙文智课题组为本研究的顺利开展和完成作出了重要贡献。

在该工作中,研究人员首先筛选出SRD15细胞系作为细胞测试的基础,然后基于HMGCR的配体阿伐他汀和E3链接酶CRBN的配体泊马渡胺进行了一系列的构效关系研究,发现化合物P22A作为PROTAC具有较好地降解活性(DC50~100 nM)。相比之下,抑制剂阿伐他汀对HMGCR引起了明显的上调作用(图1)。

接下来,研究人员通过一系列的生化和细胞生物学实验证实了PROTAC通过泛素-蛋白酶体系统发挥作用的机制;通过蛋白组学的研究发现抑制剂和PROTAC引起的组学应答也有很大不同。抑制剂和PROTAC对胆固醇合成抑制和通过SREBP通路引起的低密度脂蛋白受体(LDLR)表达水平上调的能力相当(图2)。

HMGCR是位于内质网上的八次跨膜蛋白, PROTAC对此类蛋白的降解能力往往有限,该工作首次证明利用PROTAC技术对内质网蛋白进行降解的可行性。另外,靶蛋白上调的现象还出现在很多其它的抑制剂中,该工作展示了面对此种情况时是PROTAC一个很好的应用场景。

宋保亮课题组博士生李美欣和饶燏组博士后杨毅庆为本工作共同第一作者,饶燏和宋保亮课题组罗婕为共同通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金、清华-北大生命联合中心以及中国博士后基金的大力支持。

近日,清华大学航院、柔性电子技术研究中心冯雪教授课题组在《国家科学评论》(National Science Review)在线发表了题为“可抑制运动噪声的类皮肤可穿戴连续血压监测系统”(Wearable skin-like optoelectronic systems with suppression of motion artifact for cuff-less continuous blood pressure monitor)的论文,描述了课题组制备的一种柔性超薄光电传感器件与电路系统,能够自然贴附在人体皮肤上实现医学意义上的连续血压和血氧测量,并实时无线传输数据到智能设备终端。该系统利用类皮肤可延展传感技术建立了新型连续血压测量方案,为解决血压和血氧长期动态监测提供了一条新途径。同时,此类柔性可穿戴设备是远程医疗的重要突破,能够为远程监测提供医疗级硬件,解决精准医疗数据远程获取难题。

心血管疾病及其相关并发症已经成为威胁人类生命和健康的重大隐患。根据世界卫生组织(WHO)估计,每年大约有1790万人死于心血管相关疾病,占全球死亡总数的31%。目前,最常用的血压测量方案为袖带加压法。该方法需要袖带捆绑在人体手腕或手臂处,测量过程不方便,也无法实现连续血压监测,影响个人的生活质量和自我监测长期依从性,在便利性及连续测量等关键问题上仍未突破。

针对上述问题,冯雪教授课题组发展了基于光学原理的血压监测方案,利用生物兼容性材料制备了可以与人体自然共形贴附的光电系统。通过测量血液对不同波长的光波吸收情况,判断血液的容积和流速变化,从而测量出血氧和血压值。

冯雪课题组结合多年的力学研究基础和可延展柔性电子器件设计经验,通过虚功原理建立了专门应用于柔性光电子系统的血压测量模型,并提出了基于多波长测量的光路差分方法,用来抑制由人体活动等带来的噪声干扰,从而精确测量脉搏波播速,实现连续血压的精确监测并动态实时传输到智能终端。临床试验表明,与有创连续血压测量相比,该类皮肤血压监测系统测量的血压值绝对误差小于10 mmHg,具有重要的临床应用价值。

清华大学冯雪课题组长期致力于研究可延展/超柔性等超常规微器件与大规模集成技术,所发展的柔性电子技术应用于健康医疗、智能感知及重大装备,近年来在《科学进展》(Science Advances)、《先进材料》(Advanced Materials)、《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)、《力学和固体物理学期刊》(Journal of the Mechanics and Physics of Solids)等期刊发表一系列高水平论文。

航院、柔性电子技术研究中心李海成博士为文章第一作者,冯雪教授为论文通讯作者,参与该工作的还有北京清华长庚医院许媛主任团队。该项研究得到了国家重点基础研究发展计划(973计划)、国家自然科学基金等的资助。

燃料电池是一种理想的能量来源,它可以以环境友好的方式将化学能转换为电能。氢氧燃料电池作为航空飞船的主要燃料,在上世纪80年代就已经得到了发展,近年来氢氧燃料电池在汽车上的应用也有了突飞猛进的提高。然而氢氧燃料电池需要用体积大且危险的高压氢气作为其燃料,这限制了氢氧燃料电池的发展。而直接甲酸燃料电池(DFAFCs)由于其体积小,毒性小,nafion@膜的穿透率低等优点,被认为是未来便携式电子设备最有前途的电源之一。在之前的研究中,负载型纳米级钯和铂通常被认为是DFAFCs的阳极反应甲酸电氧化(FOR)中最有效的催化剂,并得到了深入的研究。然而,由于FOR催化剂质量活性较低和一氧化碳抗毒性较差, DFAFCs阳极材料的发展达到了一个瓶颈,极大地阻碍了其应用。

在本工作中,研究人员使用主-客体合成策略成功地合成负载原子分散Rh的氮掺杂碳催化剂(SA-Rh/CN),发现尽管Rh纳米颗粒对甲酸氧化活性很低,但是SA-Rh/CN却具有极好的电催化性能。与最先进的催化剂Pd/C和Pt/C相比,SA-Rh/CN的质量活性分别提高了28倍和67倍。有趣的是,在CO剥离实验中,我们发现虽然纳米级Rh催化剂对CO毒性十分敏感,但是SA-Rh/CN很难吸附CO并且可以在很低的电压下氧化CO,这说明SA-Rh/CN对CO毒化几乎免疫。经过长期反应的测试后,SA-Rh/CN中的Rh原子具有抗烧结的能力,并因此在30000s的CA测试或者20000圈ADT测试后活性几乎没有改变。在组装电池的实验中,SA-Rh/CN的质量比能量密度在不同温度下分别是商业钯碳催化剂的8.8倍(30oC),14.8倍(60oC)和14.1倍(80oC),这也说明了SA-Rh/CN在DFAFCs的应用中具有很高的潜力。最后,研究者用密度泛函理论(DFT)计算了Rh单原子甲酸氧化的机理。研究者发现在SA-Rh/CN上,甲酸根路线更为有利。和Rh纳米颗粒具有较低的CO吸附能垒不一样,SA-Rh/CN上的Rh单原子吸附CO能垒较高,以及与CO的相对不利的结合,使SA-Rh/CN具有极高的CO抗毒性。

这一发现将传统的甲酸电氧化催化剂的质量比活性提高了一个数量级,并且很好地解决了传统纳米催化剂的CO毒化问题。该发现有助于在燃料电池领域取得突破,并有望应用于便携式电子设备上。

本论文的通讯作者是王定胜教授、李亚栋院士,清华大学博士后熊禹是本文的第一作者。本研究受到国家自然科学基金委和科技部的经费资助。

蛋白质的分泌是细胞间信息传递的重要方式。分泌蛋白通常具有N端信号肽序列以指导新生多肽链进入内质网(endoplasmic reticulum,ER)被加工、修饰,之后被运输到高尔基体(Golgi apparatus)经过进一步的加工,最终抵达细胞质膜并被释放到细胞外,这一过程被称为经典分泌途径。近年来的研究发现,许多分泌蛋白不具有典型的信号肽序列,其分泌不依赖于ER-Golgi途径,这类分泌途径被称为非经典分泌(unconventional protein secretion, UPS)途径。直接跨质膜转位(I型)与细胞内囊泡结构介导的分泌(III型)是最主要的两种UPS途径。III型UPS中,蛋白首先进入一个囊泡载体(例如autophagosome, endosome等),然后通过膜泡运输系统被运送到细胞外。由于这类蛋白缺少信号肽,一个需要解决的关键问题就是这类UPS蛋白是如何进入囊泡载体中的。

在这项研究中,研究人员鉴定出一个膜蛋白TMED10可能形成一个蛋白通道介导UPS蛋白进入囊泡结构。细胞实验发现,TMED10能够调控大量非经典分泌蛋白的分泌,包括炎症因子IL-1家族成员,galectin1和galectin3,以及小分子伴侣蛋白HSP5B。CLP诱导的败血性休克(Cecal Ligation and Puncture (CLP)-induced septic shock)小鼠模型中,TMED10髓系敲除的小鼠分泌更少的IL-1β, 进而导致更低的炎症反应与更高的存活率。进一步的研究发现,TMED10的C末端区域与分泌蛋白的一个motif的相互作用对蛋白的选择性转运与分泌非常重要。体外脂质体实验证明,TMED10直接介导UPS蛋白进入脂质体,并且这一过程依赖于蛋白质的去折叠。在细胞中,TMED10定位于ERGIC(ER-Golgi intermediate compartment)并且能够指导分泌蛋白进入这一膜性细胞器中。此外,研究还发现货物蛋白与TMED10的结合会诱导TMED10寡聚化形成蛋白通道从而介导蛋白的转位。基于这些实验数据与之前的研究成果(Zhang et al., 2015),作者提出如图所示的TMED10介导的蛋白质非经典分泌途径(TMED10-channeled UPS , THU)工作模型(图1)。UPS蛋白在胞质分子伴侣HSP90A的帮助下去折叠并被运送到ERGIC,结合TMED10诱导其发生寡聚化形成蛋白通道,在腔内分子伴侣HSP90B1的帮助下转位进入ERGIC,之后可能通过ERGIC形成运输小泡,直接运送到细胞质膜,或进入分泌型自噬体或分泌型自噬溶酶体/MVB,分泌型自噬体又可以直接和质膜融合或首先与溶酶体融合,最终将蛋白释放到细胞外。

生命学院研究员葛亮为本文的通讯作者,实验室张敏老师与生命学院博士生刘磊为本文共同第一作者。本研究受到基金委和科技部的经费资助。

近日,清华大学材料学院朱宏伟教授团队在《先进材料》(Advanced Materials)上在线发表了题为“石墨烯体系中的阳离子-π相互作用”(Cation-π Interactions in Graphene Containing Systems for Water Treatment and Beyond)的长篇综述论文,系统总结了石墨烯体系中的阳离子-π相互作用在水处理(膜分离、吸附)、新材料合成、纳米发电、能量存储及溶液/复合材料分散等应用中所发挥的关键作用,分析了阳离子-π相互作用的影响机理,综述了现阶段相关理论工作进展,讨论了石墨烯体系中的阳离子-π相互作用研究中存在的问题,展望了未来潜在的研究方向。

阳离子-π相互作用是一种非共价相互作用,在自然界,尤其是生命体中普遍存在,在诸多生命反应进程中必不可少。近年来,阳离子-π相互作用在生物学、化学、物理学中的重要性被广泛关注。石墨烯是碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料,可被视为一种独特的芳香族大分子。阳离子和石墨烯中离域π电子之间的相互作用会引起阳离子在石墨烯表面的富集、溶液中离子及石墨烯结构中电子的重新分布,进而影响石墨烯材料的本征性质及基于石墨烯的器件的性能。深入理解石墨烯体系中的阳离子-π相互作用,对于石墨烯特性的调控、器件的优化设计具有重要意义。

近年来,朱宏伟教授团队在石墨烯等新型二维材料的可控制备、结构设计及其在能源(太阳能电池、光电探测、光电催化)、环境(水处理、空气净化、土壤治理)、柔性传感器件等领域开展了大量研究工作,取得了一系列重要进展。该综述论文以石墨烯体系中的阳离子-π相互作用为切入点,对相关研究报道进行了梳理和讨论,并对其发展趋势和前景进行了展望。

本文通讯作者为朱宏伟教授,第一作者为清华大学材料学院2016级博士生赵国珂。本研究得到国家自然科学基金委基础科学中心项目和面上项目资助。

(来源:未知)

  • 凡本网注明"来源:的所有作品,版权均属于中,转载请必须注明中,http://www.nmgnews.cc。违反者本网将追究相关法律责任。
  • 本网转载并注明自其它来源的作品,目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点或证实其内容的真实性,不承担此类作品侵权行为的直接责任及连带责任。其他媒体、网站或个人从本网转载时,必须保留本网注明的作品来源,并自负版权等法律责任。
  • 如涉及作品内容、版权等问题,请在作品发表之日起一周内与本网联系,否则视为放弃相关权利。






图说新闻

更多>>