国际合作遗传研究

 

Nature封面：古人类DNA。Nature杂志第7624期封面文章报道了来自多样地理种群的787个高质量基因组。非洲人的预估变异累积速度慢于非洲以外的人；此外，澳大利亚、新几内亚和安达曼原住民来自早期走出非洲的现代人类的遗传并不显著，但是与其他非非洲种群起源相同。研究估计，在一次走出非洲后，澳大利亚和巴布亚原住民在51000-72000年前从亚欧种群中分离出来。一个包含全球148个种群的483个高覆盖率人类基因组的数据集、其中包括来自125个种群的379个新基因组引导的模型显示，即所有非非洲人群的大部分遗传血统源自最近一次的走出非洲浪潮；但来自巴布亚人的数据表明人类扩张时间可能更早。

 

 

青年科学家的困境

 

Nature封面：青年科学家。Nature杂志第7626期特刊通过让青年科学家群体发声，探讨该群体面临的一些问题。这些年轻的研究人员竭力建立自己的实验室、渴望创新、建立自己的事业，但是论文数量却是评价他们的重点，这应该不是我们做科学的方式。当此之际，全球博士后供过于求、研究经费匮乏且终身教职不再有，为了确保下一代研究人员不流失，科研界的每个人，无论老中青，都需要贡献自己的一份力。青年科学家应该能够更加自由追求学术发现，而不是关注于能够发表多少文章。要能通过合适的方法发出自己的声音，大胆讲出自己的意见和需求。

 

 

Hoxa11基因与五指

 

Nature封面：突变小鼠的艺术化手部骨骼。Nature杂志第7627期封面报道了干群（已灭绝）四足动物的多指趾向现存四足动物的五指状态过渡的调控过程。这种突变引起了Hoxa11基因在末端肢芽中的表达，导致额外指趾的形成。大部分现存的四足动物（四足陆地脊椎动物）的每个肢体拥有五根指趾。如果基因突变造成指趾数量变化，一般都是少于标准的五根。但这种 “五指”状态并非一开始就如此固定。最早的四足动物每个肢体有六根、七根甚至八根指趾。Hoxa11 和Hoxa13基因的互斥表达是形成五指所必需的；Hoxa11基因的内含子中演化出了一种转录增强子；此外，Hoxa11正常发挥功能是维持五指状态所必需的。

 

 

移植胚胎神经元融入成体新皮层回路

 

Nature封面：互连神经元在细胞分辨率下的艺术再现。Nature杂志第7628期讲述移植胚胎神经元融入成体新皮层回路的研究。在哺乳动物成体的大脑新皮层中，由于神经再生极度受限，修复大脑损伤的一种可能的策略是利用移植胚胎神经元。然而，尚不清楚这些神经元能否继续发育并融入成体的已有回路中。封面文章采用双光子显微术和单突触追踪方法，表明移植入成年小鼠视觉皮层的胚胎神经元可在四到八周内成熟并得到类似成体的属性，可以接收适当的输入并建立感觉刺激选择性反应。因此，移植神经元能以极强的特异性融入成体大脑内一般不接受新神经元的新皮层回路中。

 

 

给美国新任总统的几堂科学课

 

Science封面：民族党（驴）和共和党（象）瞪着实验台上代表科学问题的烧瓶。Science杂志第6310期封面文章为美国新总统准备了六堂重要的科学课，这涉及今后4或8年中，美国总统办公室需要应对的六个方面的科学政策问题，这些问题如危险的进化（病原体的变化比我们的防御快）、基因编辑（基因编辑技术引起了棘手的伦理问题）、海平面上升（大西洋沿岸已经有被淹没的危险）、大脑健康（有关阿尔兹海默病等疾病的个人、政府预算支出负担沉重）、聪明的 AI（人工智能飞速发展，期望和风险并存）、风险评估（不要高估我们的能力，直觉判断会带来糟糕的政策）也与目前全球社会、经济及民生息息相关。

 

 

月球的影响：环状结构的形成

 

Science封面：“圣杯号”任务揭示东海盆地重力场。Science杂志第6311期封面文报道了“圣杯号”（GRAIL）飞船揭示月球重力场信息。东海盆地是月球上最年轻且保存最完整的撞击结构。通过“圣杯号”飞船的高分辨率数据确定了盆地尺寸等信息，同时其重力场揭示了盆地的三环结构及断层特征，其外壳结构为多环盆地的形成提供了约束。多环盆地是具有多个同心环状结构的大型陨击坑，广泛分布于月面。通过模拟东海多环盆地的形成，表明其深部较弱且温暖的材料流动对外环形成至关重要，揭示了决定环状结构地点与间距的关键参数为撞击块的尺寸与月球热梯度。

 

 

疼痛研究

 

Science封面：一只浸没在冰水混合物中的手。Science杂志第6312期封面文报道了未来关于疼痛（pain）研究。疼痛会摧毁一个人的生命质量，疼痛起源于身体边缘的刺激，然后通过神经传递到大脑。这个传递过程非常复杂，涉及大量的神经线路。一旦我们理解了这些神经线路，我们就能干预和阻断到一个合适的水平。然而，疼痛不仅仅是神经的事，周围的组织也扮演着重要的角色，皮肤、免疫、神经胶质细胞等也是。疼痛干预的失败导致了美国类鸦片类药物的流行。了解这些药物的作用机制能够研发替代品。美国许多州已经对大麻的临床使用进行立法，但是研究会受到联邦法规的严格制约。

 

 

格陵兰岛的挪威教堂

 

Science封面：重建一座10世纪格陵兰岛上的挪威教堂。Science杂志第6313期封面文报道了格陵兰岛消失的古挪威人。格陵兰岛上的挪威人的居住时间在公元985年到公元1450年之间。之后他们怎么消失的，虽然有一些有限的线索，但是至今仍然是一个谜。新的考古学研究表明，与专注乳业的社会不同，北极气候适应性差。新发现表明存在一个古挪威人的中心群落，他们专注狩猎和贸易，并进行着一些有计划的迁徙，支持共同狩猎，农场联盟就松散起来。新发现的海象牙这类有价值的商品也显示着这类群落的兴衰。

 

 

给美国新任总统的几堂科学课

 

Science封面：民族党（驴）和共和党（象）瞪着实验台上代表科学问题的烧瓶。Science杂志第6310期封面文章为美国新总统准备了六堂重要的科学课，这涉及今后4或8年中，美国总统办公室需要应对的六个方面的科学政策问题，这些问题如危险的进化（病原体的变化比我们的防御快）、基因编辑（基因编辑技术引起了棘手的伦理问题）、海平面上升（大西洋沿岸已经有被淹没的危险）、大脑健康（有关阿尔兹海默病等疾病的个人、政府预算支出负担沉重）、聪明的 AI（人工智能飞速发展，期望和风险并存）、风险评估（不要高估我们的能力，直觉判断会带来糟糕的政策）也与目前全球社会、经济及民生息息相关。

 

 

月球的影响：环状结构的形成

 

Science封面：“圣杯号”任务揭示东海盆地重力场。Science杂志第6311期封面文报道了“圣杯号”（GRAIL）飞船揭示月球重力场信息。东海盆地是月球上最年轻且保存最完整的撞击结构。通过“圣杯号”飞船的高分辨率数据确定了盆地尺寸等信息，同时其重力场揭示了盆地的三环结构及断层特征，其外壳结构为多环盆地的形成提供了约束。多环盆地是具有多个同心环状结构的大型陨击坑，广泛分布于月面。通过模拟东海多环盆地的形成，表明其深部较弱且温暖的材料流动对外环形成至关重要，揭示了决定环状结构地点与间距的关键参数为撞击块的尺寸与月球热梯度。

 

 

疼痛研究

 

Science封面：一只浸没在冰水混合物中的手。Science杂志第6312期封面文报道了未来关于疼痛（pain）研究。疼痛会摧毁一个人的生命质量，疼痛起源于身体边缘的刺激，然后通过神经传递到大脑。这个传递过程非常复杂，涉及大量的神经线路。一旦我们理解了这些神经线路，我们就能干预和阻断到一个合适的水平。然而，疼痛不仅仅是神经的事，周围的组织也扮演着重要的角色，皮肤、免疫、神经胶质细胞等也是。疼痛干预的失败导致了美国类鸦片类药物的流行。了解这些药物的作用机制能够研发替代品。美国许多州已经对大麻的临床使用进行立法，但是研究会受到联邦法规的严格制约。

 

 

格陵兰岛的挪威教堂

 

Science封面：重建一座10世纪格陵兰岛上的挪威教堂。Science杂志第6313期封面文报道了格陵兰岛消失的古挪威人。格陵兰岛上的挪威人的居住时间在公元985年到公元1450年之间。之后他们怎么消失的，虽然有一些有限的线索，但是至今仍然是一个谜。新的考古学研究表明，与专注乳业的社会不同，北极气候适应性差。新发现表明存在一个古挪威人的中心群落，他们专注狩猎和贸易，并进行着一些有计划的迁徙，支持共同狩猎，农场联盟就松散起来。新发现的海象牙这类有价值的商品也显示着这类群落的兴衰。

中科院微生物研究所施一研究员和中科院院士高福团队揭示寨卡病毒致病机制，进一步了解寨卡病毒NS1蛋白的作用机制及其对疾病的影响，研究论文发表于《The EMBO》杂志。寨卡病毒NS1全长蛋白的晶体结构解析如下：NS1存在结构不同的两个面，内表面和外表面，分别面对病毒的复制系统和宿主的免疫系统，以此实现蛋白的两个主要功能。此外，寨卡病毒NS1结构的内表面发现有一个长的缠绕loop可以形成疏水的“spike”，插入细胞膜中、参与膜结合。在不同的黄病毒中“spike”氨基酸虽然是不一样的，但是存在类似的特征，即都为疏水或正电荷氨基酸，有利于结合脂类双分子层。与已有的西尼罗病毒及登革病毒NS1结构相比，寨卡病毒的NS1在内表面和外表面都存在不同的电荷分布特征。

 

 

金属离子激活寨卡病毒解旋酶分子机制

 

中科大金腾川教授团队利用X晶体衍射技术，清晰地捕捉到寨卡病毒解旋酶只结合三磷酸核苷（NTP）、与NTP-金属离子结合后的激活初始态及NTP水解后的状态，揭示了金属离子激活寨卡病毒NS3解旋酶的分子机制，相关成果发表于《核酸研究》杂志。NS3是寨卡病毒基因组编码的7个非结构蛋白之一，如果没有二价金属离子的参与，NTP不仅不能推动病毒解旋酶的工作，反而抑制了其活性。金属离子结合NTP后引起NS3解旋酶自身结构发生改变，从而激活其活性的过程。该解析的晶体结构是同类型NS3解旋酶中分辨率最高的，为治疗寨卡病毒感染的药物设计提供了精细的结构信息。该机制还适用于其他黄热病毒家族的解旋酶。

 

 

寨卡病毒垂直传播影响子代脑发育

 

中科院上海生科院神经科学研究所神经科学国家重点实验室、军事医学科学院微生物流行病研究所病原生物学和生物安全国家重点实验室合作，以小鼠为模型研究了寨卡病毒的垂直传播对子代动物脑发育的影响，相关成果发表于《细胞研究》杂志。通过从疫区回国病人身上分离的寨卡病毒株，感染怀孕小鼠。经研究发现，寨卡病毒其可跨过胎盘屏障，直接靶向胚胎期小鼠的大脑皮层神经前体细胞并抑制其增殖，导致神经前体细胞的耗竭，最终造成大脑皮层面积缩小。同时，病毒感染造成子代动物脑中基因表达网络的紊乱，其中很多小头症相关基因的表达受到影响。因此，必须对寨卡病毒感染引起足够重视。

 

 

寨卡病毒感染直接导致小头畸形

 

中科院遗传与发育生物学研究所许执恒研究团队与军事医学科学院微生物流行病研究所秦成峰研究团队合作，建立了寨卡病毒小头畸形动物模型,并证实寨卡病毒可以直接导致小头畸形的发生，研究结果发表于《细胞-干细胞》。通过培养哺乳动物小鼠发现，寨卡病毒可以在胚胎脑中快速复制，并感染神经干细胞，造成神经干细胞的增殖与分化异常，以及神经元的大量死亡，最终导致大脑皮层变薄及小头畸形。通过全基因组表达谱分析，发现大量与免疫、小头畸形、寨卡病毒的潜在受体及细胞凋亡相关的基因出现明显异常。该研究首次提供了第一种研究寨卡病毒导致小头畸形的动物模型，并为进一步研究寨卡病毒的致病机制和相关治疗提供研究基础。

 

 

细胞类型特异的基因调控网络

 

中科院遗传与发育生物学研究所王秀杰研究组与中科院动物研究所周琪院士合作，通过系统比较小鼠胚胎干细胞（mESC）与多种体细胞的转录组数据，发现了104个可以利用mESC特异的选择性启动子调控其在mESC中表达的基因，研究成果发表于《EMBO Reports》。这些基因在mESC和不同类型体细胞中均普遍表达，但在mESC中通过mESC特异的选择性启动子而产生mESC特异表达的新的转录本（SATS isoform）。mESC中表达的SATS转录本的转录大多受到多能性核心因子Oct4、Sox2及Nanog的调控，功能研究表明SATS 转录本参与调控mESC多能性的维持，敲低部分SATS 转录本后导致mESC分化。

 

 

TGFβ调控间充质干细胞影响乳腺癌转移机制

 

中科院上海生命科学研究院/上海交通大学医学院健康科学研究所时玉舫研究组阐述了转化生长因子β（transforming growth factor β, TGFβ）调节间充质干细胞（mesenchymal stem/stromal cells，MSCs）中CXCL12的表达决定乳腺癌细胞转移特性的新机制，研究论文发表于《Oncogene》。CXCL12对肿瘤细胞转移的影响主要依赖于其对肿瘤细胞表面的CXCR7的调节作用，即高浓度的CXCL12下调肿瘤细胞CXCR7的表达，致使肿瘤细胞远端转移能力显著降低。通过分析乳腺癌病人样本信息，发现高水平CXCR7表达和低水平CXCL12表达是乳腺癌的典型特征，并且与乳腺癌病人的存活率密切相关。

 

 

乳腺癌转移复发关键基因

 

同济大学生命科学与技术学院、附属东方医院肿瘤转移研究所高华研究组发现一个促使乳腺癌向多个器官转移的基因TM4SF1，相关研究成果已发表于《细胞》。研究人员利用小鼠模型作为一种体内筛选工具，建立了高通量、全基因组水平、功能相关的遗传学筛选平台，寻找与乳腺癌、肺癌等肿瘤转移复发直接相关的分子，及其细胞和分子机制。通过对147例具有完整临床信息乳腺癌患者的组织微阵列进行分析，发现TM4SF1基因在乳腺癌患者中呈上调表达，患者的生存期明显缩短；反之，生存期明显延长。通过计算机生物信息分析3455例乳腺癌原发位和转移位肿瘤组织也得到了类似结果。根据TM4SF1基因表达的强弱，可以预测乳腺癌患者发生肿瘤转移的时间长短。

 

 

急性B淋系白血病细胞异质性研究

 

中科院广州生物医药与健康研究院李鹏研究组与厦门大学附属第一医院血液科徐兵研究团队揭示了成人急性B淋系白血病细胞更符合“随机干细胞模型”，发现CD34和CD38的表达是可逆性且非等级划分的，研究论文发表于《血液学与肿瘤学》。从异种移植中分离纯化的CD34+CD38-、CD34+CD38+、CD34-CD38+细胞群可在NSI小鼠体内重建B-ALL白血病，且包含三种细胞群。B-ALL细胞体外培养后，CD34+CD38-、 CD34+CD38+逐渐消失，剩余CD34-CD38+细胞群。将三例B-ALL病人体外培养剩余的CD34-CD38+细胞群进行多次传代移植，仍可在异种移植中重建完整的病人体内白血病表型。成人B-ALL细胞遵循“随机干细胞模型”，CD34和CD38表达不同的异质性B-ALL细胞具有可逆性且并非等级区分。

 

 

膀胱癌干细胞起源的重要遗传学机制

 

中科院生物物理研究所蛋白质科学研究平台抗体工程实验室李翀与中科院微生物研究所、深圳大学的研究人员合作，采用单细胞测序技术对肿瘤干细胞进行基因组学层面的探索，并进行了功能性实验验证，研究论文发表于《欧洲泌尿学》。通过进化分析发现膀胱癌干细胞起始于膀胱上皮干细胞或膀胱癌非干细胞。对膀胱癌干细胞中发生突变的21个关键基因进行鉴定后发现，有6个基因未曾在膀胱癌中报道。ARID1A，GPRC5A和MLL2联合突变可显著增强“膀胱癌非干细胞”转化成“膀胱癌干细胞”能力。该研究证实了“膀胱癌干细胞”起源于“膀胱癌非干细胞”，揭示癌变细胞中关键突变如何调控膀胱癌干细胞的自我更新机制。

 

 

SALL4A蛋白调节增强子上的DNA去甲基化

 

中科院生物物理研究所朱冰研究员与同济大学高绍荣教授等研究人员合作，报道了在小鼠胚胎干细胞中，SALL4A蛋白与TET家族双加氧酶共同调节增强子上5-甲基胞嘧啶（5mC）的氧化过程，研究论文发表于《分子细胞》。在小鼠胚胎干细胞中，SALL4A蛋白主要定位于增强子，其与染色质的结合在很大程度上依赖于TET1蛋白。进一步分析基因组上SALL4A结合位点的胞嘧啶修饰状态发现，这些位点上缺乏稳定的5hmC，却富集了进一步氧化的产物5fC和5caC，提示SALL4A可能促进5hmC的进一步氧化。果然，敲除Sall4导致在原先的SALL4A结合位点上积累较高水平的5hmC，因为敲除Sall4降低了TET2的稳定结合，不利于5hmC的进一步氧化。

 

 

“分子时钟”用于癌症发生风险的预测

 

中科院上海生命科学研究院计算生物学研究所Andrew Teschendorff教授与国内外同行合作，发现生命周期中细胞分裂导致的DNA分子变异积累可以被用于癌症发生风险的预测，研究论文发表于《基因组生物学》。通过检测基因组不同位点的DNA甲基化水平，构建了一种新的“分子时钟”用于预测组织干细胞的分裂次数。癌症细胞的有丝分裂节律明显加速，该现象同样发生于包括乳腺及肺等多种组织癌前病变过程中，提示基于这种新的“分子时钟”研究可用于癌症发生风险的预测。更为重要的是，吸烟人群相关组织有丝分裂时钟的运行节律也发生了显著加速，进一步印证了癌症风险因素与其介导的分子时钟节律加速之间的相关性。

 

 

胚胎发育过程中关键信号通路的表观遗传调控机理研究

 

中科院上海生化与细胞研究所分子生物学国家重点实验室徐国良课题组和美国加州大学圣地亚哥分校孙欣课题组合作，揭示TET双加氧酶介导的DNA去甲基化通过调控Lefty-Nodal信号通路控制小鼠胚胎原肠运动，研究论文发表于《自然》杂志。研究者利用生殖系特异性敲除小鼠模型得到Tet1/2/3三敲除胚胎，系统地研究了Tet1、Tet2和Tet3在小鼠早期胚胎发育中三敲除致死的机制，发现TET双加氧酶介导的DNA去甲基化与DNMT甲基转移酶介导的甲基化共同作用，通过调控Lefty-Nodal信号通路控制小鼠胚胎原肠运动。该研究首次在体内证明DNA甲基化及其氧化修饰在小鼠胚胎发育过程中具有重要功能。

 

 

全球升温，从基因到生态系统都受到重大影响

 

中科院西双版纳热带植物园的理查德·托马斯·科莱特教授参与的国际研究团队，发现全球升温1℃这一事实已经对大范围的基本生物学过程（从基因到生态系统）造成了重大影响，研究论文发表于《科学》。地球在升温，地球上没有任何一个生态系统可以免受其影响。大量的证据表明气候变化对人类也产生了影响，包括有害生物增加、疾病暴发、渔场的变化莫测以及许多地区农业产量的降低。珊瑚礁就由于水温升高逐步褪色和死亡。在北极，冰圈缩小造成鸟类、海豹、北极熊等物种的数量下降。频繁的干旱导致亚马逊雨林的树冠结构变化和森林生物量的减少。在北美，自20世纪90年代以来，由于病虫害的爆发，毁掉了数百万公顷的森林。在陆地、淡水和海洋生态三大系统中，春季每十年都来得更早些。

 

 

上新世暖期热带气旋活动的演变规律及物理机制

 

中科院大气物理研究所竺南中心博士燕青等联合其他国内外科研人员，采用超高分辨率（~25km）全球大气模式，揭示了上新世暖期热带气旋活动的演变规律及物理机制，研究结果发表于《美国科学院院刊》。上新世暖期全球热带气旋最大风速增加3~7%，且其位置向两极移动，气旋持续时间延长约8~11%，同时热带气旋的破坏力也显著增加。上述变化主要归因于上新世增强的热带气旋潜在位势、减弱的垂直风切变，增加的大气水汽含量，以及由于Hadley环流向极地扩张所引起的环境因子经向梯度减小。上新世热带气旋的变化特征与观测的现代暖期以及预估的未来暖期气旋变化趋势大体一致。

 

 

柴达木盆地西部SG-1b钻孔矿物组成

 

中科院青藏高原地球科学卓越创新中心方小敏研究员等人选择柴达木盆地西部碱山的高分辨率钻孔SG-1（古地磁定年7.3-1.6Ma），对大约6百万间的沉积物进行了详细的矿物学研究，相关研究成果发表于《科学报告》。中新世晚期以来，青藏高原强烈的抬升对柴达木盆地演化产生了重要影响，这体现在柴达木盆地发育的多个次级盆地和巨厚的沉积物中。沉积物的主要成分是矿物，矿物不仅记录了环境信息，也一定记录了构造隆升信息。这些矿物中，文石、大部分方解石、石膏、天青石和石盐为湖泊的自生矿物，铁白云石和天青石的析出与热液作用有关。

 

 

长期保护性耕作对土壤微生物群落的影响

 

中国科学院东北地理与农业生态研究所黑土有机碳与保护性耕作学科组孙冰洁和张晓平研究员应用磷脂脂肪酸技术结合主响应曲线分析方法对免耕、垄作和秋翻下的土壤微生物量碳和群落结构进行了动态研究，相关成果发表于《土壤与耕作研究》。发现在表层0-5cm处微生物量碳、群落丰富度及群落结构随可利用性基质的季节波动发生显著的季节变化。长期免耕和垄作有利于表层土壤微生物性质的改善，造成表层0-5cm处较高的微生物群落总量以及真菌和细菌的生物量，但是并没有形成真菌为优势种群的群落结构。该研究为东北地区保护性耕作的应用推广及农田生态系统的可持续发展提供了理论依据。

 

 

大数据采集中的数据拥塞问题

 

北京交通大学电子信息工程学院郏东耀教授研究团队，针对大区域、大规模的多点测量中，现有的无线传感网技术存在着布点复杂、数据传输拥塞、覆盖不均问题，提出了基于混合蛙跳方法的自适应多路径算法用于解决大数据采集中的数据拥塞问题，相关成果发表于国际顶级期刊Information sciences。该研究模拟多只青蛙主动避免拥塞的策略，在全局优化中引入了多路径路由思想，从而实现了最优路径的选取以避免大数据环境下数据拥塞。这种方法在在大规模监测数据采集及传输具有良好的实时性和可靠性，并能显著提高能量利用率，延长网络生命期。该研究基于国家发改委资助的下一代互联网智慧农业示范工程项目。上述成果对我国农业、交通等多个领域的大面积大规模监测具有重要的理论和实用价值。

 

 

我国灰霾成因研究

 

中科院地球环境研究所王格慧课题组通过外场观测与实验室烟雾箱模拟，发现并证实大气细颗粒物上二氧化氮液相氧化二氧化硫是我国当前雾霾期间硫酸盐的重要形成机制，相关成果发表于《美国科学院院刊》。硫酸盐是大气气溶胶PM2.5中主要组分之一，它对云的形成、酸雨、能见度和人体健康有着重要影响。西安和北京外场观测表明：雾霾期高湿度下硫酸盐浓度迅速增加，二氧化硫在气溶胶液相转化成硫酸盐随着相对湿度的增加而呈指数型增长，同期伴随着高浓度的氮氧化物和氨气。当前我国大气二氧化硫有效减排控制的同时，亟需进一步加强氮氧化物、氨气和挥发性有机污染物减排控制，本着由易到难的原则，应优先加强氮氧化物减排控制。

 

 

灰霾天气下汞的迁移和转化机制

 

中国科学技术大学教授谢周清、刘诚团队揭示了中国城市大气中各种形态的汞（包括气态元素汞、气态氧化汞和颗粒态汞）在灰霾与非灰霾天气条件下的分布特征和排放源地差异以及潜在的大气汞氧化机制，相关论文发表于《大气化学与物理学》。汞，俗称“水银”，是一种有毒有害的重金属元素，在大气中通常以气态元素汞形式存在。气态元素汞在大气中停留时间长，可进行长距离传输，因而被视为一种全球性的污染物。由于大量使用煤炭等化石燃料，我国成为汞的排放大国。灰霾频发的秋冬季，大气汞污染主要是来自于当地汞的排放，而灰霾天较差的扩散条件使得大气汞积聚。

 

 

全球气温升高导致小麦减产

 

南京农业大学朱艳教授联合国内外49家单位的科学家，在全球、国家以及站点尺度上，系统比较了不同方法在过去30年评估温度升高对小麦生产潜在效应方面的表现，温度每升高1℃，全球小麦产量平均降低5.7％，相关成果发表于《自然-气候变化》。目前，全球小麦年产量超过7亿吨，产量下降5.7％即意味着全球每年将损失近400万吨小麦。研究建立的评估方法已经广泛拓展应用到水稻、玉米等其他粮食作物的评估当中。今后将着眼全国水稻和小麦主产区，更加精确量化分析气候变化对我国粮食生产的潜在效应，并关注极端天气尤其是极端高温对不同区域粮食作物生产的影响。

 

 

利用桑蚕丝制备可穿戴应变传感器

 

清华大学的张莹莹团队与任天令教授团队、徐志平教授团队合作，发现一种利用桑蚕丝制备可穿戴应变传感器的途径，该成果发表于《先进材料》。研究团队使平纹桑蚕丝绸通过高温热解所得碳化丝绸具有“纳米石墨晶-微米级纤维-宏观编织图案”分级结构，从而表现出柔性、高可拉伸性和高导电性的特点。将该碳化丝绸包埋于弹性聚合物即得柔性应变传感器。该应变传感器性能优异，可同时实现对人体大尺度运动、小尺度运动及微弱生理信号（比如脉搏）的检测。这种柔性传感器的制备策略可推广到其他纤维织物，如棉织物、人造纤维织物等。

 

 

含铜不锈钢在泌尿系统疾病治疗中的应用

 

中科院金属所杨柯研究员所在的生物材料团队将具有多重生物功能的含铜不锈钢新材料应用于治疗泌尿系统疾病，相关论文发表于《材料科学工程C》。杨柯团队设计一种新型含铜不锈钢输尿管支架，研究结果表明，含铜不锈钢对泌尿系统中主要致病性大肠杆菌生物膜的形成具有明显的抑制功能，并抑制感染性结石的形成。此外，含铜不锈钢对尿道上皮细胞和尿道瘢痕成纤维细胞具有选择性作用，在促进内皮化的同时，还兼具抑制纤维化的功能。具有多重生物功能的含铜不锈钢是一类较为理想的新型泌尿系统植入材料，有助于降低临床中难以克服的由于植入器械而引起的并发症发生。

 

 

斑块侵蚀：OCT指导下急性心脏冠脉综合征指导策略的转变

 

哈尔滨医科大学附属第二医院心血管病医院于波教授牵头研究团队，细化了心脏介入治疗植入支架的指征，提出基于光学相干断层扫描术（OCT）对病变的准确定性，斑块侵蚀导致的急性冠脉综合征（ACS）可通过有效的抗栓治疗稳定病变，免于植入支架，相关成果发表于《欧洲心脏杂志》。我国急性心肌梗死植入支架的比例为94%，而欧美国家这一比例更高。ACS患者希望能通过有效的抗栓治疗稳定病变、避免植入支架，从而降低相关并发症风险，且不再需要终生服用抗凝药物。从早期溶栓、球囊扩张，到放支架，再到不放支架，冠心病介入治疗理念正不断更新，深入研究急性心肌梗死患者的支架植入指征，有助于推动冠心病介入治疗向更加精准化迈进。

 

 

可降解鸡蛋清忆阻器

 

浙江大学信电学院汪小知和骆季奎教授为主的研究团队与浙大材料学院及英国剑桥大学卡文迪许实验室研究人员合作，利用纯天然鸡蛋白(Egg Albumen)材料和可降解金属研制出生物兼容的可降解非挥发性储存器——忆阻器，研究论文发表于《应用材料与界面》。该储存器的核心材料是一层30纳米厚的蛋白，上下电极分别由镁和钨薄膜金属构成。改变电极上的电压可以将器件由高阻抗变成低阻抗状态，反之，达到储存信息的目的。研究表明，此忆阻器可读写数百次，在干燥情况下信息储存三个月而不变。当器件放入水中时，整个器件在3天时间内几乎完全溶解于水,仅留下少许的痕迹。

 

 

具有多重生物功能的新型可降解镁铜合金

 

中科院金属所杨柯研究员所在的生物材料团队开发出一种具有多重生物医学功能的可降解镁铜二元合金，利用镁铜合金在生理环境中降解形成的碱性环境以及持续释放镁和铜离子的特点，赋予了新型可降解镁铜合金抗菌、促成骨、促血管化等多重生物医学功能，研究论文发表于《科学报告》。镁合金以其良好的生物相容性、与骨组织匹配的力学性能以及可以在人体内降解吸收等特点，成为一类新型生物材料。具有多重生物功能的新型可降解镁铜合金，实现可降解镁合金结构和生物医学功能一体化，有助于解决植入材料在临床中引发的感染等问题，以发挥临床治疗作用，为医生与患者提供了更优的选择，也为推动生物可降解镁合金的临床应用。

 

 

纳米人工红细胞治疗癌症研究

 

中科院深圳先进技术研究院蔡林涛研究员所在的纳米医学研究团队构建了一种具有优良的载氧功能和能量（磷酸腺苷，ATP）响应的新型纳米人工红细胞，仿生的纳米体系具有红细胞类似的携氧和释氧功能，能够将氧气高效地输送至癌细胞内部直接干预线粒体代谢，显著提高细胞内的ATP和活性氧基团（ROS）的含量，研究成果发表于《先进健康材料》。增量的ATP 能够显著促进阿霉素从具有ATP 响应的A/D-ONC 中释放出来用于化疗，成功将对细胞生长有利的ATP 转变致命的化疗；同时，增量的ROS 能够提高对癌细胞的杀伤力。通过有效结合这两个因素，纳米人工红细胞实现了更高的细胞致死效果，相比于游离的阿霉素提高了438%。

 

 

可过滤降解饱和脂肪酸的新材料

 

浙江大学高分子系黄小军副教授团队研发出一种新型纤维膜，并用这种纤维膜制造出一种负载脂肪酶的材料，可将食品中的饱和脂肪酸高效转化为人体易吸收、分解的物质，研究成果发表于《英国皇家化学会先进化学》。膳食中饱和脂肪酸多存在于动物脂肪及乳脂中,饱和脂肪酸摄入量过高是导致胆固醇偏高,引发脂肪肝、动脉硬化、高血压等症状的主要原因之一。该纤维膜是一种超亲水中空纤维,纤维外径只有0.5毫米，体积小、表面积大，具有外层紧密、内层疏松的“梯度楔形”微孔结构，生物酶可以长期稳定地负载在微孔内。水源从外壁进入后能够迅速通过内壁渗出，提高了水解催化反应效率。

 

 

仿生关节软骨材料研究

 

中科院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室周峰研究员团队采用软硬复合的仿生界面设计策略，将聚丙烯酸水凝胶浇筑成型到多孔阳极氧化铝模板中，构筑了一种新型的软硬复合表面，该复合表面可以在高的赫兹接触压力下实现界面摩擦系数原位、快速、稳定、可逆的转变，相关论文发表于《先进功能材料》。人体滑膜关节能够在极高的赫兹接触压力(3-18 MPa)下呈现出较低的摩擦系数(0.001-0.03)。无论是静止还是运动状态,关节界面始终都能够保持超低的摩擦系数,支撑人体正常运动过程。研究表明,包覆在骨关节表面的重要软组织——关节软骨在减小骨与骨之间的摩擦以及缓冲运动时产生的震动等方向起着至关重要的作用。

 

 

病毒直接转化疫苗的新技术——制备复制缺陷的活流感病毒疫苗

 

北京大学药学院天然药物及仿生药物国家重点实验室主任周德敏教授/张礼和院士研究团队以流感病毒为模型，发明了人工控制病毒复制从而将病毒直接转化为疫苗的技术，相关成果发表于《科学》。流感、艾滋病、SARS和埃博拉出血热等致命性传染病及其周期性爆发，时刻危害着人类健康和社会稳定，其幕后黑手是结构多样、功能复杂且变异快速的病毒，而疫苗是预防病毒感染的有效手段。当前临床使用的疫苗或因病毒灭活致免疫原性和安全性差，或因制备工艺复杂而不通用，或因病毒突变致免疫逃逸失效。该研究在保留病毒完整结构和感染力的情况下，仅突变病毒基因组的一个三联码，使流感病毒由致命性传染源变为了预防性疫苗，再突变三个以上三联码，病毒由预防性疫苗变为治疗病毒感染的药物。

 

 

丙肝病毒基因工程疫苗研发突破

 

中科院上海巴斯德研究所黄忠课题组与钟劲课题组合作，在丙型肝炎病毒(HCV)疫苗研究中取得进展，研究成果“糖基化类型的改变增强丙型肝炎病毒亚单位疫苗的免疫原性及保护性中和抗体的诱导能力”发表于《病毒学杂志》。HCV感染是慢性肝炎的主要病因之一。目前在全球已经有超过1亿7千万HCV感染病例，感染率为3%，并且每年有30万至40万新发病例。在我国，HCV感染率为3.2%。病人感染HCV后80%转为慢性感染，其中10%-20%转归为肝硬化，1%-5%转归为肝癌。该研究以HCV包膜蛋白 E2为疫苗靶点，利用果蝇 S2重组表达体系制备了可溶性 E2蛋白（sE2），并且系统评价了sE2疫苗的免疫原性、诱导广谱中和抗体能力及其在小鼠感染模型上的保护作用。

 

 

猪链球菌纤连蛋白结合蛋白的结构及功能

 

中科院微生物研究所高福团队揭示了猪链球菌纤连蛋白结合蛋白，研究成果发表于《美国国家科学院院刊》。猪链球菌是一类重要的人畜共患病病原菌，猪链球菌感染可引起中毒性休克综合征，对人类健康威胁极大；目前没有疫苗能够有效预防人类感染这种细菌。该研究解析了猪链球菌FBPS蛋白N端及C端的晶体结构，并利用小角散射方法把两部分结构整合得到全长蛋白的结构。研究发现FBPS C-末端结合宿主纤连蛋白，N-末端附着于细菌表面，从而促进猪链球菌结合宿主细胞，发挥着细菌毒力因子的作用；同时还发现FBPS与纤连蛋白相互作用能够活化β1整合素受体信号通路，诱导炎症因子IL-6和IL-8的产生。该研究为设计靶向FBPS的药物奠定了基础。

 

 

病毒纳米器件实现动脉硬化斑块体内成像和药物靶向运送

 

中科院武汉病毒研究所崔宗强课题组与中科院生物物理所张先恩课题组合作，创建了“荧光-靶向-药物”多功能病毒样颗粒纳米器件，在小鼠活体内实现了动脉粥样斑块早、中、晚不同时期的荧光成像和药物靶向运送，相关论文发表于《纳米快报》。动脉粥样硬化是心血管疾病的主要原因，在早期和中期一般没有症状，晚期动脉硬化斑块破裂则引起中风和心肌梗死。动脉粥样硬化斑块的检测与靶向治疗是临床上的难题。该研究基于猴病毒40（SV40）主要衣壳蛋白VP1的自组装原理，通过基因操纵在VP1中插入针对动脉粥样硬化斑块不同时期的靶向肽，同时融合水蛭素，并使其与荧光量子点可控组装，构建内部包装近红外量子点（QD800）、表面展示靶向分子，并装载有治疗药物的“荧光-靶向-药物”三功能病毒样纳米颗粒。

 

 

无脊椎动物RNA病毒圈的重新界定——我科学家发现1445种新RNA病毒

 

中国疾病预防控制中心传染病预防控制所张永振团队发现了1445种新的RNA病毒，极大丰富了RNA病毒多样性，并从遗传进化的角度揭示了RNA病毒发生和进化上的基本规律；其中一些病毒与现有已知病毒的差异性之大，以至于需要重新被定义为新的病毒科，相关成果发表于《自然》。根据国际病毒分类委员会的统计，目前已确认的DNA病毒和RNA病毒共有2284种。此项研究充实了病毒的“数据库”，填补了病毒进化上的主要空缺。进一步解析新发现病毒与已知病原体间的关系，能够揭示其传播规律及其对人的致病性将有助于我国新发突发传染病的防控。未知病毒的检测与筛查体系也有助于提高我国由不明原因引起的传染病临床诊断能力，确认病原体，从而做到针对性治疗。

 

 

中东呼吸综合征冠状病毒疫苗新设计

 

中科院武汉病毒研究所客座研究员李放，北京微生物流行病学研究所的周育森以及复旦大学姜世勃教授等联合研究，寻找到并克服了中东呼吸综合征冠状病毒（MERS-CoV）疫苗设计上的内在缺陷，极大提高了该疫苗的有效性，相关研究成果发表于《自然-通讯》。目前市面上两种常用的病毒疫苗均存在一定的局限性。一种是传统疫苗，高效，但仍有感染人体的风险；另一种为亚单位疫苗，方便安全，但其低效性严重限制了更广泛的应用。如何突破疫苗的局限性，开发更好的疫苗，一直是困扰科学家的重大难题。该项研究从理论和实际上解决了病毒疫苗设计领域长期受困的难题，有助于进一步设计出针对中东呼吸综合征冠状病毒和严重急性呼吸综合征冠状病毒的超高效亚单位疫苗。

 

 

中缅边境地区HIV-1分子流行病学研究

 

中科院昆明动物研究所郑永唐课题组与中科院上海巴斯德研究所研究员张驰宇合作，从中缅边境缅北地区吸毒人群HIV-1感染者的血浆样品中，获得了31条HIV-1近乎全长基因序列，随后进行了HIV-1分型和重组分析，研究成果发表于《毒力学》和《艾滋病研究与人逆转录病毒》。人类免疫缺陷病毒(HIV)之间的重组可能导致病毒毒力、耐药性以及传播能力等方面的改变，从而使病毒能够逃脱疫苗、药物或宿主免疫系统的攻击，成为艾滋病无法被攻克的一个重要原因。在重组过程中获得上述生存优势的HIV重组型毒株可能代替某个区域现有的主要流行毒株，成为该区域新的优势流行株。CRF07_BC、CRF08_BC、CRF82_cpx和CRF83_cpx在缅甸北部地区的出现，可能将改变缅甸乃至东南亚的HIV-1流行趋势。

 

 

EV71病毒聚合酶的SUMO化修饰能促进病毒复制

 

中科院武汉病毒研究所王汉中研究团队发现EV71病毒（肠道病毒71型）的3D聚合酶同时具有SUMO化修饰和泛素化修饰；泛素化修饰依赖于SUMO化修饰，二者能起到稳定聚合酶的作用，从而促进病毒的复制；该研究发表于《病毒学杂志》。SUMO化修饰是一类翻译后修饰，对于细胞内的蛋白和信号途径起到重要的调节作用。病毒的聚合酶在病毒复制过程中至关重要，其上修饰会对病毒的复制具有直接影响。该研究通过生物信息学分析和定点突变，发现159位的赖氨酸和150-152位的氨基酸为3D的修饰位点，这些位点突变后都会对聚合酶活性起到一定的破坏作用。而过量表达SUMO-1后感染病毒发现，随着3D的SUMO化修饰的增强，病毒的复制也增加。