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2019 07-23

科技·前沿 近期科研成果扫描

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  生命学院颉伟课题组在《科学》期刊合作发文揭示人类早期胚胎组蛋白修饰重编程过程

  医学院布莱恩·科比尔卡教授研究组合作在《科学》发文阐述beta2肾上腺素受体胞内别构激动剂的调控机理

  7月8日,清华大学自动化系戴琼海院士领衔的国家自然基金委重大仪器研制团队在多维多尺度高分辨率计算摄像显微仪器研制和生命科学观测领域取得重要成果,以“视频帧率下厘米尺度微米分辨率的生物动态成像”(Video-rate imaging of biological dynamics at centimeter-scale and micrometer-resolution)为题,在线发表于《自然·光子学》(Nature Photonics)上。

  ▲图1.曲面排列的大规模高密度相机阵列实现亿级像素的动态视频观测,探索哺乳动物全脑神经活动

  显微仪器是生命科学和医学研究中不可或缺、无法替代的重要工具。具有高时空分辨率的大尺度生物活动显微成像对于系统生物学研究是不可或缺的。然而,传统显微仪器长期受制于视场与分辨率此消彼长的固有矛盾和数据通量瓶颈难题,无法兼顾宽视场和高时空分辨率,制约了生命科学基础研究和临床医学研究的发展。

  在这项研究工作中,团队将光学、微电子、计算机视觉以及信号处理等学科交叉,提出了多尺度曲面中继协同显微成像新架构:通过物方平场像方曲场的物镜将样本放大到曲面中继像,像感器阵列分区域同步并行拍摄中继像近似平场的小区域,经计算重建为无缝的宽视场高分辨率动态图像序列。基于此架构,研制了“实时超宽场高分辨率成像显微镜”(Real-time, Ultra-large-Scale, imaging at High-resolution macroscope,RUSH),兼具1厘米×1.2厘米超宽视场、全视场均一的1.2微米高分辨率、30帧每秒高帧率,数据通量高达51亿像素每秒。

  ▲图2.(a)RUSH成像示意图及采集重建过程;(b)RUSH视场10毫米×12毫米,可覆盖整个小鼠全脑;(c)全视场不同区域分辨率分布图,平均分辨率为1.30±0.08微米,反卷积后达1.2微米

  工作通过清醒小鼠在体全脑皮层成像等生命科学实验,对以宽场高分辨动态成像为基础的脑动态网络结构、神经血管耦合机制、癫痫病理进行了探索。这项工作为生命科学和医学研究亟需的显微仪器研制提供了新思路。

  论文共同第一作者为清华大学自动化系范静涛副研究员、索津莉副教授、2014级博士生吴嘉敏、谢浩助理研究员,清华大学为论文第一单位。论文共同通讯作者为清华大学自动化系戴琼海院士、精仪系孔令杰副教授和浙江大学现代光学仪器国家重点实验室郑臻荣教授。

  清华生命学院颉伟课题组在《科学》期刊合作发文揭示人类早期胚胎组蛋白修饰重编程过程

  清华大学生命科学学院颉伟课题组与郑州大学第一附属医院孙莹璞/徐家伟课题组合作,揭示了人类早期发育过程中组蛋白修饰的重编程过程。研究成果以“人类亲本-合子转变中组蛋白修饰的重编程”(Resetting histone modifications during human parental-to-zygotic transition)为题,以研究论文的形式于7月4日在《科学》(Science)上在线发表。

  表观遗传学修饰参与基因表达调控并影响个体发育。在哺乳动物早期胚胎发育过程中,卵细胞受精形成具有全能性的受精卵,并经过细胞分裂与分化形成囊胚,后者包含具有多能性的内细胞团。伴随着发育的进行,表观遗传学修饰经历了剧烈的重编程。近年来,以小鼠等模式生物为研究模型,DNA甲基化、染色质开放性、染色质高级结构以及组蛋白修饰等表观遗传学特征的动态变化过程和规律都逐渐被揭示。以组蛋白修饰为例,之前的研究发现,在小鼠卵细胞发育晚期,组蛋白修饰H3K4me3和H3K27me3会以非经典的形式分布,并能够通过母源继承的方式传递到胚胎中调控子代的基因表达和发育过程。干扰组蛋白修饰的重编程会造成小鼠发育的缺陷。这些研究表明,经典的表观修饰能在发育早期以非经典的形式存在并发挥独特的功能,并对哺乳动物发育至关重要。然而,由于人类卵细胞和早期胚胎样品的稀缺性,组蛋白修饰的重编程在人类早期胚胎发育过程中是否遵循和小鼠相似的重编程规律、这些重编程对于人类胚胎发育的有怎样的生物学意义还知之甚少。此外,人类早期胚胎发育的研究对于辅助生殖等临床应用也有重要的指导意义。

  颉伟实验室利用并优化了蛋白与染色质结合位点检测的新技术CUT&RUN,成功地在少至50细胞的样品中实现了组蛋白修饰全基因分布的检测。研究团队进一步与孙莹璞/徐家伟课题组合作,在人类发育成熟的卵母细胞和早期胚胎中检测了H3K4me3,H3K27me3以及H3K27ac的动态变化。研究结果表明,人类早期胚胎发育过程中的组蛋白重编程经历了和小鼠非常不同的动态变化。

  前期研究表明,在小鼠中,H3K4me3与H3K27me3均呈现与体细胞不同的非经典的分布规律。而在人类卵细胞中,H3K4me3与H3K27me3均呈现经典的分布模式。在受精后,小鼠中母源H3K27me3能够传递至囊胚,而人类的H3K27me3在合子基因组激活前被大规模地去除,并在基因组激活后重新建立。H3K4me3在合子基因组激活前出现在许多启动子区域以及基因远端开放区域,并伴随着这些区域染色质开放性的建立。研究团队将这种H3K4me3称之为预备性的H3K4me3(priming H3K4me3)状态。在合子基因组激活后,这些区域会转变为激活或抑制的状态。研究人员提出了“表观基因组重启”模型。这些结果说明人类早期发育中的组蛋白重编程具有高度的物种特异性。研究团队也研究了人类早期谱系分化过程的表观遗传学调控。通过结合染色质图谱和已发表的单细胞转录数据,研究团队预测了人类早期谱系的关键调控因子。

  有趣的是,研究团队发现在人类早期胚胎中,相比较滋养外胚层的特异基因,内细胞团(包括上胚层和原始内胚层)的特异基因会更多的被H3K27me3所标记。这说明不同谱系的特异基因在早期发育分化过程中会被抑制性表观修饰不对称标记。综上所述,这些结果揭示了人类早期发育中组蛋白修饰重编程的特殊性以及研究人类早期胚胎发育的重要性。同时,这些结果也为未来进一步理解人类早期胚胎的发育和临床指导提供了关键的数据和线索。

  郑州大学第一附属医院主任医师、教授孙莹璞,清华大学生命科学学院教授颉伟以及郑州大学第一附属医院教授徐家伟为本文通讯作者,夏炜焜(清华大学生命科学CLS博士生)、徐家伟(郑州大学第一附属医院教授)、于广(清华大学生科院博士生)、姚桂东(郑州大学第一附属医院副研究员)为本文共同第一作者。北京大学前沿交叉学科研究院博士生许锴、郑州大学第一附属医院助理研究员马雪山和博士生张楠也在该课题中作出了重要贡献。合作实验室还包括清华大学那洁课题组。该课题得到了清华大学实验动物中心、生物医学测试中心基因测序平台以及计算平台,以及河南省妇产疾病(生殖医学)临床研究中心的大力协助和支持。

  自锂离子电池商用化以来,人们一直在致力于提高其能量密度。Si基材料由于其具有高的比容量(4200 mAh/g),成为最具有潜力的能够取代商用石墨负极(372 mAh/g)的材料。但是Si基材料在充放电过程中存在巨大的体积膨胀及粉化问题,导致其循环稳定性差,阻碍了其实际应用。经过20多年的研究,研究者们从材料结构、纳米化、合金化改进,碳包覆等角度进行调控,已经能够部分解决硅基材料的问题,如特斯拉Model 3电动车中锂电池已商用化加入约10%的Si基负极。但其循环性能差的问题依然突出。

  ▲ 图. A)不同材料与电解液反应产物的XRD 结果表征;B)不同材料与电解液副反应的活化能比较;C) 在1 A/g的电流密度下的循环性能测试。

  本研究发现,在目前的硅负极电池体系下,不仅有硅的体积膨胀与粉化问题,而且Si会与电解液中的氟发生化学反应形成氟硅酸锂结晶体,不断消耗电池体系里有限的Li源、Si源和电解液,进而会导致电池失效。包覆的纳米碳层并不能阻止氟与硅的接触,反而是个促进这一反应的催化剂,成倍地降低了反应的活化能并成百倍地加速这一反应进程。

  为了抑制这一副反应的发生,在Si表面包覆一层致密的纳米级厚度碳化硅陶瓷层,阻止氟化物的渗入并稳定硅负极的体积膨胀以达到抑制副反应、稳定SEI层的目的。包覆SiC陶瓷层后,副反应的活化能变为原来的三倍,对应的室温下的反应速率降为原来的1/300。通过在实际的电池体系下进行电化学性能测试,包覆SiC后的材料循环稳定性得到大幅度提高。上述成果可望为Si基负极材料的稳定性研究提供一种新的解决思路,推进硅基负极材料的商用化。

  清华大学化工系魏飞教授是该文的通讯作者,博士生于春辉和博士后陈晓为共同第一作者,清华大学化工系助理教授张如范、博士生肖哲熙、博士后林贤清、博士后张晨曦等参加了该项工作。

  清华航院张一慧课题组发文系统阐述三维微纳结构的组装方法、调控策略及广阔应用

  7月2日,清华大学航院张一慧副教授团队在国际材料科学领域知名学术期刊《先进材料》 (Advanced Materials)上在线发表了综述文章《通过卷曲、折叠、共形和屈曲方法实现微纳尺度三维组装》(Micro/Nanoscale 3D Assembly by Rolling, Folding, Curving, and Buckling Approaches),系统回顾了微纳尺度三维组装领域的最新进展,综述了三维微纳结构在电子/光电子器件、微机电系统、医疗器件和细胞支架等领域的应用。在此基础上,该文章对三维微纳组装技术的现有挑战与发展机会进行了展望。

  电子器件的小型化是微电子领域近几十年来研究的一个重要课题。随着大规模IC技术的持续发展,平面制备工艺和硅器件的尺寸逐渐逼近物理极限。因此,发展新制备工艺、探索新器件架构进而延续和拓展摩尔定律成为科学界和工业界共同关注的热点问题。

  发展三维电子器件为克服平面工艺的一些固有挑战提供了一种解决方案,现有的三维电子器件制备技术主要分为直接制备技术和间接组装技术。近年来,对直接制备技术的研究主要集中在三维晶体管技术,三维异构集成技术和三维打印技术上,但由于三维晶体管和异构集成技术主要基于堆叠思想,其可获得的三维构型种类有限且制备工艺复杂,三维打印技术在高性能电子材料的适用性和打印速度上存在一定局限性。间接组装技术作为另一种三维器件制备途径,充分利用成熟的平面制备工艺来制备平面前驱体,然后通过力学组装的方法将其转化为目标三维微结构。三维组装技术因其与平面工艺相兼容,可实现丰富的微纳三维结构,可集成多种先进电子材料等优点,近年来广受关注,已经发展出多种三维组装方法及多种应用于不同领域的三维器件。

  该文章系统回顾了近年来该领域发展的主要三维组装方法,并依据加载/变形的特点将其总结为四类:卷曲、折叠、共形和屈曲组装方法。文章分别对这四类组装方法进行了深入的介绍,对比分析了这几类方法在三维构型方面的适用性,并针对每一类方法在电子/光电子器件、微机电系统、医疗器件和细胞支架等领域发展出的典型器件的结构与功能进行了介绍,充分体现出三维微纳结构在器件功能上所起到的关键性作用。最后,对三维组装技术研究进行了小结,并展望了该领域仍待研究的若干方向。

  本文通讯作者为清华大学航院张一慧副教授,清华大学航院2017级博士生程旭为本文第一作者。

  近日,清华大学物理系何珂、薛其坤等人的实验研究团队和徐勇、段文晖等人的理论研究团队合作首次发现了一种内禀磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4,为提升量子反常霍尔效应的温度开辟了一条新的道路,并为多种新奇拓扑量子物态和效应的研究提供了一个理想平台。此项研究相关实验结果以《内禀磁性拓扑绝缘体的实验实现》(“Experimental realization of an intrinsic magnetic topological insulator”)为题发表于日前出版的《中国物理快报》(Chinese Physics Letters)上;相关理论结果以《MnBi2Te4家族范德瓦尔斯层状材料中的内禀磁性拓扑绝缘体》(“Intrinsic magnetic topological insulators in van der Waals layeredMnBi2Te4-family materials”)为题发表于日前出版的《科学·进展》(Science Advances)上。

  拓扑绝缘体是一类由时间反演对称性保护的拓扑物态,因此是非磁性的。有意思的是,人们在拓扑绝缘体中期待的新奇量子效应之中的相当一部分需要引入磁有序破坏其时间反演对称性才能出现。一个典型的例子就是量子反常霍尔效应——一种无需外加磁场就可出现的量子霍尔效应,这种效应即是通过在拓扑绝缘体中掺杂磁性元素引入磁有序而首次实验实现的。然而通过磁性掺杂在拓扑绝缘体中引入磁有序并非一个理想的方法。磁性掺杂会给材料带来高度无序及电、磁学性质的不均匀性,这导致了极低的量子反常霍尔效应实现温度(远低于铁磁居里温度),还会严重干扰如手征马约拉纳模这样需要精细控制的实验研究。一个理想的磁性拓扑绝缘体应当是内禀的,即具有确定化学计量比,磁性元素有序排列,居里温度之上是拓扑绝缘体,居里温度之下具有长程铁磁序。尽管之前有一些理论探索,磁性拓扑绝缘体一直未能在实验上获得。

  ▲图1. 分子束外延生长的内禀磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4的实验测量结果。(A)高分辨电子显微镜图显示了MnBi2Te4特征性的“七层”结构;(B)角分辨光电子能谱显示出MnBi2Te4的狄拉克型表面态,表明其是一个三维拓扑绝缘体;(C)霍尔电阻随磁场变化曲线呈阶梯状,显示在外磁场作用下MnBi2Te4的“七层”间磁构型由反铁磁到铁磁的转变。

  清华大学物理系何珂、薛其坤等人的实验研究团队和徐勇、段文晖等人的理论研究团队合作首次发现了一种内禀磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4。这是一种层状磁性材料,每一个“七层”(septuple-layer, SL)单元包含一个Mn单原子层。他们通过交替生长Bi2Te3和MnTe的方法制备出了这种材料的单晶薄膜,其特征的“七层”结构被高分辨电子显微镜和X射线衍射清晰确认。通过角分辨光电子能谱测量,他们发现这种材料只要层厚不低于两个“七层”就会具有狄拉克型表面态,表明这是一个三维拓扑绝缘体(图1)。结合磁性测量结果和第一原理计算他们发现这种材料的体相是一种反铁磁拓扑绝缘体:Mn原子的磁矩在每个“七层”内铁磁排列,在“七层”之间反铁磁排列。理论计算结果发现这种独特的磁结构会使这种材料显示极其丰富的、性能优异的拓扑量子物态:其层厚为奇数“七层”的薄膜处于量子反常霍尔相,层厚为偶数“七层”的薄膜处于轴子绝缘体相(axion insulator)并呈现拓扑磁电效应,三维体相是追寻已久的具有拓扑轴子表面态的反铁磁拓扑绝缘体,在外加磁场下又可转变为最简单(只有一对外尔点)的磁性外尔半金属(图2)。此外,磁性可以在这种材料的拓扑表面态上可以打开高达52meV的能隙,这意味着其有可能在更高温度下实现量子反常霍尔效应等量子效应。

  ▲图2. 内禀磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4理论计算结果。(A)单层MnBi2Te4的晶体结构,对Mn元素进行替换可生成一大类MnBi2Te4相关材料。(B)通过维度与磁性调控,MnBi2Te4家族材料能实现丰富的拓扑物相,包括反铁磁拓扑绝缘体(AFM TI)、外尔半金属(WSM)、量子反常霍尔 (QAH) 效应、轴子绝缘体(AI)等。(C, D)单层MnBi2Te4的能带结构及其示意图,其中Mn原子具有半满的d轨道,费米面附近的电子态主要由Bi/Te的p轨道贡献。因此,在MnBi2Te4中,Mn和Bi/Te原子层分别提供磁性和拓扑,这两种量子序在同一种材料中实现了完美的结合。

  MnBi2Te4有序的磁性原子排列、巨大的磁能隙,以及所蕴含的丰富的拓扑相使其成为一个理想的磁性拓扑绝缘体系统,为量子反常霍尔效应实现温度的提高指示了一条新的道路,并可以作为研究多种拓扑物态和效应的平台,用于探索维度、磁性、对称性与拓扑之间相互作用以及由此演生出的新物理与新应用。此工作相关论文的预印本已引起了国际上拓扑物态、二维材料等领域研究者的广泛关注。最近在这种材料的单晶解离薄片样品中量子反常霍尔效应已经被实验观测到(arXiv: 1904.11468; 1905.00715),所需温度确实要高于磁性掺杂拓扑绝缘体。

  该项工作实验部分论文的第一作者为清华大学物理系博士生龚演,共同通讯作者为何珂教授、薛其坤教授和徐勇副教授。理论部分论文的第一作者为清华物理系的博士生李佳恒,共同通讯作者为清华大学物理系徐勇副教授、段文晖教授和何珂教授。上述工作的合作者还包括清华大学的顾秉林教授、姚宏教授、于浦教授、王亚愚教授、张定副教授、斯坦福大学的张首晟教授、中科院物理研究所的谷林研究员等以及博士生郭景文、廖孟涵、朱科静、李阳、杜石桥、王尊等。

  清华化工系、化学系课题组与复旦大学合作发文报道酶和贵金属耦合催化体系新进展

  近日,清华大学化工系戈钧副教授课题组、化学系肖海副教授课题组与复旦大学理查德·杰尔(Richard Zare)教授课题组合作,在酶-金属复合催化剂制备领域取得重要成果,以“蛋白质-高分子结合物中合成高活性酶-金属复合催化剂”(Highly active enzyme–metal nanohybrids synthesized in protein–polymer conjugates)为题,于6月24日在线发表于《自然·催化》(Nature Catalysis)上。

  催化是化学工业的基础,为人类社会发展提供了丰富的材料、能源、药品等必须保障和支撑。均相催化、多相催化和酶催化是催化的三种基本形式,有着各自广泛的应用领域和重要价值。三者之间的耦合有望开发出更高效、环保、经济的催化过程,并实现单一形式催化难以完成的目标,为化学工业的可持续发展提供新技术。然而,均相催化、多相催化和酶催化的反应条件往往不匹配,易造成催化剂失活。其中,酶催化剂一般需要在常温、常压、水溶液等温和条件下发挥作用。因此,如何设计酶与均相、多相催化剂的复合催化剂,使其在相对温和条件下同时具备各自较高的催化活性是一个关键的挑战。

  ▲图1. (a) 酶-金属复合纳米催化剂的制备方法;(b) 脂肪酶-钯复合催化剂在外消旋反应和动力学拆分反应中的催化效率;(c) 脂肪酶-钯复合催化剂在动态动力学拆分中的催化性能;(d) 重复使用性能;(e)理论计算的外消旋化反应自由能曲线。

  在这项工作中,研究者利用酶-高分子结合物的限域结构原位还原合成了金属亚纳米颗粒,从而构建了酶-亚纳米金属复合催化剂。利用扩展X射线吸收精细结构、基于微液滴反应在线快速消解蛋白的纳升电喷雾质谱、分子动力学模拟等手段,研究者对酶-高分子结合物限域结构中还原金属亚纳米颗粒的过程进行了深入分析。通过实现多种酶和金属颗粒的组合,研究者证明了该合成方法具有较好的普适性。其中,脂肪酶-钯亚纳米团簇复合催化剂(0.8Pd/CALB-Pluronic)很好保持了脂肪酶的活性,同时在钯催化的(S)-1-苯基乙胺外消旋化中表现出高活性,在酶促反应相对较低的温度下,比商业化钯碳催化剂活性高近50倍。通过密度泛函理论计算,研究者发现钯亚纳米团簇中金属原子与氧之间的配位能提高催化剂的活性。立体选择性酰胺化反应的酶催化和胺类化合物外消旋化反应的钯催化相耦合,使该复合催化剂可应用于(±)-1-苯乙胺、(±)-1-氨基茚满、(±)-1,2,3,4-四氢-1-萘胺等胺类化合物的化学-生物法动态动力学拆分以制备重要的手性药物中间体,其催化效率分别比商业化的固定化脂肪酶和钯碳催化剂的组合提高7.6、3.1、5倍。

  这项工作通过在蛋白-高分子结合物纳米限域空间中可控合成酶-金属亚纳米团簇复合物,揭示了复合催化剂中蛋白、高分子中有机官能团对金属亚纳米颗粒的界面调控机制,探索了酶-金属复合催化剂在手性药物绿色合成中的应用。这项工作为酶催化和多相催化耦合及其在绿色生物制造以及环境污染物降解中的应用提供了新思路。

  论文共同第一作者为清华大学化工系2015级博士生黎晓阳、2018级博士生曹宇飞和复旦大学化学系骆凯博士,清华大学为论文第一单位。论文共同通讯作者为清华大学化工系戈钧副教授、化学系肖海副教授和复旦大学化学系理查德·杰尔教授。

  清华医学院布莱恩·科比尔卡教授研究组合作在《科学》发文阐述beta2肾上腺素受体胞内别构激动剂的调控机理

  6月28日,清华大学医学院、结构生物学高精尖创新中心布莱恩·科比尔卡(Brian Kobilka)教授研究组合作在《科学》(Science)期刊在线发表题为《胞内别构激动剂调控beta2肾上腺素受体的机理》(Mechanism of β2AR regulation by an intracellular positive allosteric modulator)的文章,首次报道了激活态的beta2肾上腺素受体(β2AR)同时结合正构激动剂BI167107和别构激动剂Cmpd-6FA的晶体结构。这项工作鉴定了一个新的G蛋白偶联受体(GPCR)别构调节位点,并发现了新的别构调节机制,为针对GPCR的别构药物研发提供了指导。

  G蛋白偶联受体(GPCR)家族在人体中有800多个成员,在视觉,嗅觉,味觉,以及激素和神经递质的信号转导中发挥着重要的生理功能,同时也是关键的药物研发靶点。目前绝大多数的GPCR药物靶向其正构位点,即天然底物结合的位点。正构位点在不同亚型的GPCR之间保守性较高,以致正构药物常存在亚型选择性较差的问题。别构调节物指的是不结合在GPCR正构底物结合位点的小分子化合物。其结合位置通常保守性较低,因此有可能具有更好的选择性。近年来,不少GPCR结合别构调节物的结构被报道出来,但是这些结构多数报道的是别构拮抗剂,它们将GPCR稳定在非激活状态。在本工作发表之前,仅有一个激活态GPCR结合小分子别构激动剂的结构被发表,即布莱恩·科比尔卡在斯坦福大学研究组于2013年发表的激活态M2乙酰胆碱受体结合别构激动剂LY2119620的结构(Kruse et al., 2013)。

  Beta2肾上腺素受体属于 GPCR家族,在心肺系统中起重要调节作用。Beta2肾上腺素受体的配体,如beta阻滞剂(beta-blocker)和beta激动剂(beta-agonist),是常用的治疗心血管和呼吸道疾病的临床药物。在2017年,布莱恩·科比尔卡教授在清华大学医学院的研究组和杜克大学罗伯特·莱夫科维茨(Robert Lefkowitz)教授研究组合作在《自然》发文报道了Beta2肾上腺素受体结合首个胞内别构拮抗剂Cmpd-15的结构(Liu et al., 2017)。近期罗伯特·莱夫科维茨教授研究组通过DNA编码的小分子库筛选发现另一个小分子化合物Cmpd-6对beta2肾上腺素受体具有别构激动剂的活性(Ahn et al., 2018)。其能提高beta2肾上腺素受体对正构激动剂的亲和力,并且能与下游信号传导蛋白如G蛋白和arrestin协同作用,介导下游信号的传导。

  布莱恩·科比尔卡教授研究组和罗伯特·莱夫科维茨教授研究组合作,尝试利用蛋白质晶体学的手段获得激活态β2AR与Cmpd-6的复合物结构。然而初期的多次尝试都无法检测到Cmpd-6的电子密度。研究人员分析认为这是由于Cmpd-6溶解度较低,且亲和力较弱(uM级别),导致在晶体里面Cmpd-6的占有率较低,无法检测到电子密度。为了解决这个问题,罗伯特·莱夫科维茨教授研究组在Cmpd-6上引入乙酸基团获得溶解度更高的衍生物Cmpd-6FA。布莱恩·科比尔卡研究组发现在较高沉淀剂PEG400浓度下Cmpd-6FA溶解度比较高,并经过一系列的晶体筛选和优化,成功在高PEG400浓度的条件下获得了激活态β2AR的晶体。最终在一个添加了3 mM Cmpd-6FA的结晶条件下收到了3.2埃的晶体数据,并且观测到了属于Cmpd-6FA的电子密度。Cmpd-6FA结合在跨膜螺旋2、3、4和第二胞内环(ICL2)形成的结合口袋里(图1)。

  ▲图1:Cmpd-6FA的分子式及对β2AR的别构激活剂活性,以及激活态β2AR结合纳米抗体NB6B9,正构激动剂BI167107和别构激动剂Cmpd-6FA的结构。

  有趣的是,β2AR的第二胞内环在非激活态下是无规卷曲的结构,在激活态下是alpha螺旋结构。而Cmpd-6FA的结合稳定了其alpha螺旋结构。一方面,这有助于β2AR与下游Gs蛋白的结合。另一方面,为了形成第二胞内环的螺旋结构,β2AR的跨膜螺旋3(TM3)需要向内移动大约3埃,螺旋3的内移引起跨膜螺旋5和6(TM5和TM6)的外移,而后者是GPCR激活态的标志性构象。因此,尽管Cmpd-6FA结合在胞内的位置,它促使β2AR更倾向于处在激活状态,进而影响结合在β2AR胞外口袋的正构激动剂的亲和力(图2)。这一机理不同于之前报道的LY2119620影响M2乙酰胆碱受体的机理。LY2119620结合在M2乙酰胆碱受体的胞外口袋直接阻止正构激动剂的解离。

  ▲图2:别构激动剂Cmpd-6FA调节β2AR的分子机理。(A) Cmpd-6FA的结合有助于β2AR与Gs蛋白形成复合物。(B)Cmpd-6FA的结合引起TM3的内移,进而引起TM5和TM6的外移,从而使受体更倾向于处在激活状态。

  研究人员设计了一系列的Cmpd-6的衍生物,并测试了其活性。其结果与结构模型相互支持。Cmpd-6对于β2AR具有亚型选择性,它能显著提高β2AR对于正构激动剂的亲和力,而对同一家族的β1AR影响很小。分析表明在参与结合Cmpd-6的14个氨基酸中,只有7个在β2AR和β1AR之间是一样的。当把β1AR结合位点上的氨基酸突变成和β2AR一样时,Cmpd-6对β1AR也有较强的别构激动剂活性。这一突变实验进一步验证了结构模型。

  Cmpd-6的别构位置可能普遍存在于其他GPCR中。该位置和别构激动剂AP8结合游离脂肪酸受体GPR40的位置有部分重合(Lu et al., 2017)。另外近期有研究组利用突变实验鉴定出多巴胺受体D1R的别构激动剂DETQ可能结合在其第二胞内环(Wang et al., 2018)。本工作鉴定出来的Cmpd-6结合模型可能用于指导其他GPCR的别构激动剂的设计。

  本论文是清华大学医学院、结构生物学高精尖创新中心、斯坦福大学医学院分子与细胞生理学系布莱恩·科比尔卡教授与杜克大学罗伯特·莱夫科维茨教授共同合作的成果。布莱恩·科比尔卡教授与罗伯特·莱夫科维茨教授为本文的共同通讯作者。清华大学医学院刘翔宇博士与杜克大学Ali Masoudi博士和Alem W. Kahsai博士为本文的共同第一作者。衍射数据收集得到日本Spring-8同步辐射光源的支持和协助。

  随着经济的快速发展以及人们生活方式的改变,2型糖尿病成为严重影响人们健康和生活质量的重要疾病。血液中葡萄糖浓度的升高是2型糖尿病的典型特征。糖异生负责了正常人体空腹饥饿过夜后大约一半的葡萄糖生成,以及2型糖尿病(T2D)病人空腹后葡萄糖增量。此外,目前临床上针对糖尿病治疗的药物大多靶向糖异生的调节。

  肝脏是糖异生的主要器官。在体内,肝脏糖异生受到体内多重激素水平的调控,如胰岛素和胰高血糖素等。Asprosin是机体在饥饿时白色脂肪组织分泌的一种激素,可以通过结合未知的G蛋白偶联受体(GPCR)促进肝脏糖异生。

  在该项研究中,研究人员通过GPCR siRNA文库筛选发现嗅觉受体OR4M1的敲低抑制了糖异生基因表达,Olfr734(人源OR4M1的同源基因)敲除小鼠表现出糖异生能力下降以及胰岛素敏感性增强。通过用纯化的OLFR734在FBS(牛血清)中分离签订了其配体可能是Asprosin。该研究进一步通过体外结合试验证明了Asprosin是OLFR734的配体(Kd约等于18nM)。同时他们通过小鼠水平的生理实验发现Asprosin通过OLFR734激活了下游cAMP-PKA通路,促进糖异生基因G6pc和Pck1的表达,进而升高血糖。给小鼠注射Asprosin抗体后能够阻断Asprosin/OLFR734对糖异生的促进作用,因而干扰Asprosin和OLFR734的相互作用或许可以作为糖尿病治疗的一个靶点。

  综上,该研究首次确定了嗅觉受体OLFR734作为Asprosin的受体在饥饿和肥胖情况下对维持机体葡萄糖稳态的关键作用,为糖尿病的治疗提供了一个潜在的药物靶点,同时拓展了嗅觉受体的非嗅觉功能。

  清华大学生命学院王一国副教授为本文的通讯作者。生命学院已毕业博士生李二伟、2013级博士生单海丽、博士后陈力群、2015级博士生隆艾君、已毕业博士生张元元为本文的共同第一作者。

  我国是煤化工大国,近年来,以煤气化为代表的新型煤化工快速发展,但是煤化工废水存在处理难度大、难回用、费用高的难题,造成严重的环境压力。

  为解决此难题,张潇源团队多年潜心研究,构建碳铝复合载体金属催化剂,开发了高效稳定的臭氧催化剂制备和高级氧化技术,并开展长达120天的煤气化实际废水连续试验,取得了良好的出水效果,出水指标远优于国家标准,相较传统臭氧氧化提升120%的臭氧利用率(图2),节约75%的运行能耗。该项研究解决了传统臭氧高级氧化技术性能和稳定性的问题,可为煤化工废水和其他同类工业废水的污染控制和回用提供了新的解决思路。

  该文通讯作者为清华大学环境学院张潇源副教授,第一作者是环境学院博士后魏卡佳,其他作者还包括环境学院黄霞教授、梁鹏副教授、曹效鑫博士和硕士生顾婉聪。

  该文介绍了一种以氧化石墨烯(GO)为载体制备用于气相酶催化的固定化酶方法。首先将脂肪酶CALB溶液与GO溶液充分混合,利用静电和氢键相互作用形成水凝胶,再经冷冻干燥形成多孔结构的酶-GO催化剂(LGA)。热重分析和圆二色性光谱分析结果表明,GO置换出酶分子表面的部分必需水分子,LGA中的CALB保持着其天然活性结构。在采用LGA催化香叶醇和乙酸乙烯酯生成乙酸香叶酯的案例中,LGA持续催化500小时保持酶活不变,而CALB冻干粉则不呈现催化活性。将该方法应用于另外两种脂肪酶也取得提高酶稳定性和活性的效果,证明该方法具有通用性,在气相酶催化反应中具有广阔的应用前景。

  ▲图.(a)气相酯交换反应:香叶醇和乙酸乙烯酯在脂肪酶CALB催化下生成乙酸香叶酯,气相反应装置;酶-氧化石墨烯(GO)气凝胶(LGA)的微观结构图;(b)无水工况下500小时连续催化,内图为LGA和CALB的活性对比;(c)热重分析;(d)圆二色光谱分析。

  酶是生物催化剂,催化着自然界丰富多样的生命繁衍和物质转化过程,具有活性高、选择性高和反应条件温和的优点。将酶催化应用于化工产业,对于推进其绿色安全和可持续发展具有重要意义。气相酶催化研究始于上个世纪60年代末,其特殊难点是反应器的反应物/产物/载气气流会持续剥除酶分子表面必需水分子,使酶丧失结构柔性而导致表观催化活力很低。目前所采用的各类对反应系统进行“加湿”的措施可提高酶的催化活性但难以兼顾酶稳定性。本研究成果提供了一个解决上述应用困境的新方案,以GO负载酶制备气相催化剂的方法便捷并具有通用性,GO所构建的稳定的亲水微环境免除“加湿”步骤,使得反应系统得到简化并更易控制。上述成果可望重新点燃学术界和工业界对于气相酶催化技术的热情,推进气相酶催化技术的创新和应用。

  清华大学化学工程系刘铮教授是该文通讯作者,博士生徐伟娜为第一作者,清华大学蒋国强副教授和卢滇楠副教授,美国加州大学河滨分校(UC Riverside)吴建中教授,美国哥伦比亚大学博士后张一飞(本课题组毕业博士生)等参加了该项研究工作。

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