科技名刊精选

科技名刊精选

“天河二号”超级计算机模拟宇宙暗物质和中微子演化进程

北京大学科维理天文与天体物理研究所博后于浩然与北京师范大学天文系张同杰教授等合作，利用我国“天河二号”超级计算机完成了3万亿粒子数的N体数值模拟，揭示了宇宙大爆炸1600万年之后至今约137亿年的暗物质和中微子的演化进程，相关研究成果发表于《自然—天文学》。暗物质是宇宙的主要物质构成。中微子是自然界中的基本粒子之一。它在宇宙大爆炸约1秒钟后与其他等离子体物质退耦，形成看不见的宇宙背景。N体数值模拟中的粒子数犹如摄像机的像素，粒子数越多，越能清晰地‘还原’宇宙演化历史，降低中微子‘泊松噪声’的影响。

三重简并费米子首次观测

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）丁洪、钱天、石友国等首次观测到三重简并费米子，为固体材料中电子拓扑态研究开辟了新的方向，研究论文发表于《自然》。组成宇宙的基本粒子可分为玻色子和费米子。现有理论认为宇宙中可能存在3种类型的费米子，即狄拉克（Dirac）费米子、外尔（Weyl）费米子和马约拉纳（Majorana）费米子。大家所熟知的电子、质子、中子等就是狄拉克费米子。与时空连续的宇宙空间不同，电子所处的“固体宇宙”只满足不连续的分立空间对称性，这就可能导致传统理论中所没有的新型费米子。寻找新型费米子是拓扑物态领域一个挑战性的前沿科学问题。

银河系外盘结构研究

中国科学院国家天文台王乔等与国内外科学家合作，把作用量分布函数的方法应用于LAMOST反银心方向的K巨星样本，分析了银河外盘的结构；发现银河系的外盘要比以前人们猜想的更大、更厚，这对银河系盘的形成提供了新的线索，相关研究成果发表于MNRAS。银河系是典型的旋涡星系，解析银盘的结构有助于理解银河系及其他旋涡星系的形成与演化历史。LAMOST望远镜河内巡天在银河系中心相反方向获取了海量观测数据，该数据是开展银河系更远外盘结构研究的最好且最大的样本。研究发现主流的模型并不能够很好地延拓到银盘外区；以前模型预言的速度分布过窄。银河系外盘区域可能存在着更为复杂的起源或结构。

大亚湾中微子实验进展：“中微子反常”或因理论模型不正确

大亚湾反应堆中微子实验是一个在我国大亚湾核电站附近进行的国际合作实验，共有来自中国、美国、俄罗斯、捷克、中国台湾、香港等多个国家和地区共43个科研单位（如华东理工大学近代物理研究所等）的科学家参加，是我国基础科学领域目前最大的国际合作项目。大亚湾实验主要利用反应堆发射的反电子中微子进行中微子振荡的研究，最新研究以“大亚湾反应堆中微子流强和能谱的演化”为题发表于《物理评论快报》，表明核燃料中一种成分的中微子产额计算不正确。中微子是宇宙中数量最多的物质粒子，具有很多奇特性质。惰性中微子是一种理论上的粒子。假如真的存在，它有可能是宇宙中的一种暗物质。

中国湖泊磷污染下降

天津大学的童银栋、挪威水研究所的林岩及合作者，分析了2006年至2014年间中国862个湖泊的水化学数据以及磷来源和磷流入的省级数据；研究论文发表于《自然—地球科学》。在2006到2014年间中国湖泊的磷污染下降了逾1/3。中国政府于2000年推出的治理水污染政策协助降低了城市地区与磷污染有关的水华风险，但在一些欠发达地区，湖泊的磷浓度上升了。磷浓度中值大致降到了可导致富营养化的浓度阈值，重度污染的湖泊数量减少了2/3。其中主要的驱动因素是公共卫生改善和污水减少；一些较偏远地区湖泊磷浓度上升的原因则还不确定，但有可能是受到了森林退化和侵蚀的影响。

俯冲带大陆地壳生长研究

中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室王浩等对桐柏造山带不同地质单元内的桃园和黄岗花岗岩体展开了的全岩地球化学和锆石U-Pb年代学以及Hf-O同位素分析，研究论文发表于Lithos。地球是目前已知的所有太阳系行星中唯一一个具有大陆地壳的行星，因此大陆地壳的形成与演化研究十分重要。研究表明指示黄岗岩体源自宽坪群古老下地壳，并伴有20～40%左右的新生幔源物质加入。黄岗岩体的研究明陆弧地区的大陆地壳净增长非常有限，新的陆壳物质加入量与古老基性下地壳的再循环量基本平衡。桃园岩体的研究则表明大陆地壳主要通过洋弧地体的增生与再造实现大量增长。

喀斯特石漠化生态治理模式评估研究

中国科学院华南植物园植被与景观生态研究组陆宏芳等与合作者提出了3种典型治理模式的优化及生态补偿建议，相关论文发表于《清洁生产》杂志。中国西南存在全球连片面积最大的喀斯特生态系统，由于人为干扰严重，退化形成了大量石漠化生态系统，生态环境极其恶劣，严重制约着当地的社会、经济和生态可持续发展。研究发现花椒种植模式最好且可持续能力强；由于花椒种植模式对于本地自然资源的利用效率较高，花椒种植模式的经济产投比和单位面积经济效益分别是2.77和21190.07元/ha/yr；从纯生态治理效益来看，金银花—李子套种模式最好；在花椒种植模式上进行养殖和沼气生态工程加环的经济效益明显。

湿地土壤碳对水位下降响应机制

中国科学院植物研究所冯晓娟研究组与北京大学贺金生教授研究组合作，利用海北站高寒湿地中宇宙水位控制实验，结合分子有机地球化学手段，研究了湿地水位下降过程中铁的氧化还原转化对土壤有机碳动态的调控机理，相关论文发表于《自然—通讯》。湿地占陆地表面积的5～8%，其碳储量却达到陆地碳库的30%，是一个非常重要的土壤碳库。与经典的“酶栓”（enzyme latch）理论相反，该论文提出以湿地土壤亚铁的氧化为核心的“铁门”（iron gate）机制，该机制可能缓解由湿地土壤氧气含量升高而造成的碳释放，用以解释和预测湿地干旱过程中的土壤碳动态。

人源大麻素受体“阴阳双面”解析

上海科技大学iHuman研究所刘志杰等与国内外科学家合作，解析了人源大麻素受体CB1（human Cannabinoid Receptor 1,CB1）与激动剂——四氢大麻酚（THC）类似物复合物的三维精细结构，揭示了大麻素受体在激动剂调控下的结构特征和激活机制，相关研究成果发表于《自然》。G蛋白偶联受体（GPCR）是人体内最大的细胞膜表面受体家族，在细胞信号转导过程中发挥核心作用。大麻素受体CB1是人体中枢神经系统表达量最高的GPCR之一，它对人的精神和情绪调节至关重要。掌握了CB1与激动剂和拮抗剂复合物的三维结构信息，等与看清该受体的‘阴阳双面’，对于内源性大麻素系统的功能机制研究有重要的指导意义。

细胞适应脂质过度累积引起活性氧增多的分子机制

中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所李伯良研究组与武汉大学生命科学学院宋保亮研究组合作，开展胆固醇和脂肪酸通过竞争性氧化调控ACAT2蛋白半胱氨酸的泛素化研究，研究成果发表于《自然—细胞生物学》。脂质（胆固醇、脂肪酸等）过度累积引起活性氧（ROS）增多，是引起脂毒性进而导致糖尿病的原因之一。研究发现胆固醇酯合成酶ACAT2通过在其277位的半胱氨酸残基上进行泛素化修饰而降解，胆固醇和脂肪酸诱导的ROS可氧化该半胱氨酸残基，从而抑制ACAT2的泛素化降解，增多的ACAT2将过量有毒的极性脂（胆固醇、脂肪酸）转变为无毒的胆固醇酯，从而改善胰岛素敏感性。

组蛋白修饰分工调控基因表达水平和基因表达噪音

中国科学院遗传与发育生物学研究所钱文峰研究组计算分析了人类胚胎的单细胞转录组数据，发现多种组蛋白修饰分别调控了基因表达水平和基因表达噪音，相关研究成果发表于《PLOS计算生物学》。基因表达过程依赖于转录因子、染色质调控因子和染色质等生物大分子在布朗运动过程中的随机碰撞，因此，即使是基因型和分化类型完全相同的细胞在相同环境下也存在基因表达的差异，被称为基因表达噪音。论文揭示了组蛋白修饰在调控基因表达水平和基因表达噪音上的“分工”，为理解转录组进化提供了线索，对研究干细胞增殖分化、个体发育、病原菌的抗药性以及农作物的稳产提供了指导意义。

细菌蛋白引导链与靶链不完全互补配对的分子机制

中国科学院生物物理研究所王艳丽课题组及其合作者开展细菌Argonaute（Ago）蛋白引导链与靶链不完全互补配对的研究，研究论文发表于《核酸研究》。单碱基凸起如果发生在引导链上（7T8,5A6和4A5）只是在凸起位点引起Ago局部构象的变化，而对于核酸双链的碱基堆积以及对靶链的切割影响很小。单碱基凸起发生在靶链的种子区中（6’U7’和6’A7’）能够引起复合物结构明显的构象变化，影响对靶链的切割。单碱基凸起6’N7’对于引导链和靶链的互补稳定性以及切割活性的影响较大。由于引导链的5’末端第一个碱基不与靶链形成互补配对，当该位置的碱基发生变化时，对引导链和靶链的互补稳定性以及Ago蛋白的切割活性影响较小。

基因编辑技术获得遗传增强的优质干细胞

中国科学院生物物理研究所刘光慧课题组、动物研究所曲静课题组、北京大学汤富酬课题组联合开展基因编辑技术的应用研究，改写了人类基因组遗传密码中的单个碱基，首次在实验室中获得了遗传增强的干细胞（Genetically Enhanced Stem cells，GES细胞）。这种GES细胞能够对细胞衰老和致瘤性转化产生双重抵抗作用，因此为开展安全有效的干细胞治疗提供了可能的解决途径，相关论文发表于《细胞研究》。通过NRF2基因的单碱基置换可以赋予人类干细胞更强的抵御应激和衰老的能力，以及在体内更好的留存和再生修复功能，甚至对干细胞癌变的抵抗活性；从概念上证明了利用该策略获得优质安全细胞移植物的可行性。

原核生物转录调控元件的绝缘化设计原则

中国科学院微生物研究所娄春波课题组与合作者在开发了一套普适于原核生物转录调控元件的绝缘化设计原则，该原则通过绝缘化处理消除了基因转录过程的核心元件——启动子和操作子之间的功能干涉效应，显著提高了它们的模块化属性和组装过程可预测性，从而在生物基因层面实现了计算机辅助设计和虚拟优化的全过程，研究论文发表于《自然—通讯》。启动子和操作子是转录调控的核心元件。启动子负责招募RNA聚合酶开启转录过程；操作子则通过招募转录因子控制启动子活性的上调或下调，从而实现基因表达信息流的整合与调控。基因表达调控作用是细胞生长、代谢和分化等重要生命活动的基础。

细菌中脂滴结合DNA并参与转录调控的新功能

中国科学院生物物理研究所刘平生课题组发现细菌脂滴能够通过其主要蛋白MLDS结合并保护基因组DNA，以及通过MLDSR蛋白参与转录调控，从而有利于细菌在极端环境下生存，研究论文发表于《自然—通讯》。脂滴是一种以中性脂作为内容物、由单层磷脂膜和外周蛋白包被的球型细胞器。脂滴单层磷脂膜的特异性，特别是脂滴结构蛋白对脂滴的特异识别，表明脂滴是细胞中非常特殊的且区别于其他双层磷脂膜细胞器的膜结构。细菌脂滴的出现，给细菌提供了一种崭新的、不同于细胞质膜的细胞区隔化方式。细菌脂滴的出现，有可能是原始细胞核的雏形，是细胞由原核到真核进化的一个重要里程碑。

线粒体炫调控神经元突触水平的长时程记忆

中科大生命科学学院毕国强课题组与北京大学分子医学研究所程和平课题组合作，发现神经元树突“线粒体炫信号”在神经突触传递短时程记忆向长时程记忆的转化中可能发挥着关键作用，研究论文发表于《自然—通讯》。线粒体炫是单个线粒体的量子化信号，它含有线粒体活性氧激增、基质瞬时碱化、膜电位瞬时下降等多重变化，时程为数十秒，是新形式的线粒体基本功能事件。线粒体炫广泛存在于多个物种及多种细胞。突触可塑性是学习记忆的神经基础。线粒体炫的发生依赖于神经活动钙信号及钙依赖性激酶，其所释放的活性氧信号可能是促进突触长时程增强的信号分子。