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  RNA病毒是一类独特的生命形式,其基因组复制过程完全不涉及DNA形式,因此需要自身编码的依赖RNA的RNA聚合酶(RNA-dependentRNApolymerase,简称RdRP)来主导完成。对多数RNA病毒来说,基因组复制过程缺乏纠错机制,具有较高的变异性,因此增加了疫苗和药物研究的整体难度。深入研究RdRP的催化与调控机制,对了解RNA病毒的本质、掌握其进化规律和发展病毒防控策略至关重要。RdRP催化过程主要由链引发和链延伸两个阶段构成。其中不稳定的引发阶段主要实现对合成起始位点的精确控制,进而在合成数个核苷酸后完成向稳定的延伸阶段的转换,延伸阶段由数以千计且机制相同的核苷酸添加循环构成,因此核苷酸添加循环机制是RdRP催化RNA合成的核心内容。  RdRP最早于上世纪六十年代早期在小RNA病毒科的门戈病毒和脊髓灰质炎病毒等的相关研究中被发现(Reichetal. Science 1961;Reichetal. PNAS 1962)。从1997年SteveSchultz研究组报道脊髓灰质炎病毒RdRP晶体结构(Hansenetal. Structure 1997)至今,已有数十种病毒的RdRP三维结构获得解析。与其他类型的单亚基聚合酶相似,RdRP的核心区形似杯装右手,由手掌(palm)、拇指(thumb)和手指(fingers)三个结构域围绕形成一个催化中心。与其他单亚基聚合酶不同的是,RdRP拇指与手指尖端通过疏水相互作用形成了环绕式(encircled)右手结构。后续研究表明,RdRP这一独特环绕式结构很可能与其催化机制独特性相关,由于手指区的运动性受到了拇指与手指相互作用的限制,病毒RdRP在底物NTP诱导的催化中心关闭过程中的构象变化主要发生在手掌结构域(GongandPeersen PNAS 2010),而其他类型的单亚基聚合酶的相关构象变化则主要发生在手指区(Huangetal. Science 1998;Lietal. EMBOJ 1998;YinandSteitz Cell 2004)。  中国科学院武汉病毒研究所研究员龚鹏长期从事病毒RdRP的催化与调控机制研究,前期在OlvePeersen研究组从事博士后研究期间揭示了RdRP基于手掌区构象变化的催化中心关闭特征,提出了六状态核苷酸添加循环模型和转位中间体假说(图1)。2011年成立研究组以来,继续致力于阐明RdRP核苷酸添加循环机制,2016年利用时间分辨晶体学等方法进一步揭示了催化中心关闭由两个步骤构成,其中第一步构象变化由NTP核糖2¢位羟基诱导,从而阐明了2¢位修饰的核苷类分子(如丙型肝炎特效药索非布韦)可特异性抑制RNA病毒的结构基础(ShuandGong PNAS 2016)。在此项工作中,该团队还捕获了一种转位中间体(translocationintermediate)结构,发现RdRP在完成催化反应后RNA产物链先于模板链向上游移动,而RdRP独特的催化基序G(motifG)与模板链的“锁定”相互作用很可能是造成RNA双螺旋不对称运动的主要因素。  为充分揭示RdRP转位机制和完整绘制RdRP核苷酸添加循环图,该研究团队充分结合晶体学与酶学方法开展研究,通过改变肠道病毒RdRP-RNA复合物晶体浸泡实验中的底物NTP和副产物焦磷酸的浓度,同时结合晶体浸泡时间扫描策略,获得了正向转位和逆向转位的中间体结构。在这两类中间体结构中,RNA产物链均先于模板链发生移动,进一步提示了基序G的“锁定”作用对转位过程的控制(图2,PDB号:6LSE、6LSF)。与正向转位中RNA双链始终维持原有的碱基对相互作用不同,逆向转位中间体提示RNA双链见发生“滑动”,导致原有碱基对相互作用被打破,重新建立了亚稳定的不完全配对的双链。这一结果一定程度上提示了聚合酶催化的逆向反应比正向反应更难发生,同时也为理解聚合酶的纠错功能提供了重要依据。  为了观测到转位末期基序G“锁定”作用如何打破,从而允许模板链发生移动,研究团队系统性分析了基序G参与锁定的两个关键氨基酸位点(对应肠道病毒RdRP的114和115位),发现大多数RdRP在这两个位点均使用四种小侧链氨基酸(G:甘氨酸;A:丙氨酸;S:丝氨酸;T:苏氨酸),推测上述“锁定”作用很可能由空间位阻实现控制。在测试了这两个位点的G/A/S/T四种氨基酸的全部16种组合后,发现多数突变体RdRP仍然可以维持催化功能,但催化效率(由kcat/KM,NTP评测)比之野生型发生不同程度的变化,提示突变可能对“锁定”作用产生调节(图3)。研究团队通过进一步尝试突变体RdRP-RNA复合物结构解析,利用一种kcat和野生型相当但KM,NTP五十倍于野生型(即NTP亲和力远低于野生型)的突变体成功获得了模板链“解锁”的转位后期中间体结构(图4,PDB号:6LSG、6LSH)。  至此,龚鹏研究组系统性阐释了RdRP核苷酸添加循环中化学反应前的催化中心关闭和化学反应后的转位这两个重要构象变化的精细过程,相对完整地绘制了循环图。为进一步研究RdRP错配、基因组复制纠错和研制针对RNA病毒的核苷类高效和特效药物奠定了重要基础。研究团队进一步提出,RdRP通过“锁定”相互作用对转位实行严格控制很可能是为了保障模板碱基的精确定位和高效催化,类似的模板锁定以及转位与催化的偶联机制很可能在其他类型的聚合酶中同样存在。  此项研究主要受到国家重点研发计划项目“高致病性病毒转录复制过程关键蛋白质机器的功能和干预机制”(2018YFA0507200,项目首席科学家为中科院武汉病毒所研究员陈新文)的支持。论文的四位共同第一作者中:博士生王美华、舒波(已获博士学位)主要完成了前两类转位中间体的工作;博士生李瑞主要完成了基序G突变体的酶学表征并与王美华共同完成了利用基序G突变体获得第三类转位中间体的工作;博士后景旭平主要参与了RdRP-RNA复合物晶体衍射数据收集和结构解析工作。副研究员叶寒青参与了基序G突变体的酶学表征工作,龚鹏为论文通讯作者。相关论文5月25日以StringentcontroloftheRNA-dependentRNApolymerasetranslocationrevealedbymultipleintermediatestructures(《多种中间体结构揭示RdRP对转位过程的严格控制》)为题在《自然-通讯》(NatureCommunications)上在线发表。  论文链接图1. 病毒RdRP的六状态核苷酸添加循环模型。核苷酸添加循环(nucleotideadditioncycle或NAC)可由六种状态(S1-S6)阐明:S1-RdRP催化中心未结合NTP,为开放式构象;S2-NTP进入催化中心,仍为开放式构象;S3- 催化中心关闭;S4- 化学反应发生后,RNA产物链延伸一个核苷酸,仍保持关闭式构象;S5- 催化中心转换为开放式构象;S6- 转位中间体。图中列出了每种状态对应的结构PDB号(四位代码)以及用于判断转位中间体状态的参考PDB号(蓝色字体)。图2. 新解析的RdRP正向与逆向转位中间体结构。在每种转位中间体结构的产物链(product)均由两种混合态(正向:S6A/S6B;逆向:S6RA/S6RB)构成,展示了产物链先于模板链运动的特征,其中正向转位(A)RNA双链碱基对得以维持(黑色虚线),而逆向转位双链间发生滑动(红色虚线显示新形成的碱基对,其中实心和空心圆标识分别表示常规和摇摆碱基对)。图3. 针对RdRP独特基序中参与模板链“锁定”的两个氨基酸位点的系统性酶学表征。A)RdRP在相关位点(红框标识)多为G/A/S/T等小侧链氨基酸。B)基于快速反应装置和荧光实时检测的RdRP单步反应表征方法。C)部分“锁定”位点突变体具有与野生型(WT)相近的催化效率(kcat/KM)。基于酶反应动力学特征将WT及突变体划分为五种不同类型(I-V)。D)T114S-S115T(ST)突变体KM值约为WT的50倍。图4.RdRP分步不对称转位过程分解示意图。左:转位前,基序G锁定RNA模板链,对模板链来说,基序G则相当于跨栏运动员需要跨越的栏架;中一:在转位前期,产物链先于模板链发生移动(PDB号:5F8N、6SLE),模板链仍处于锁定状态;中二:转位后期,锁定相互作用被打破,模板链发生移动,跨越基序G;右:转位后,模板+1位核苷酸(橘黄色)到达-1位,基序G重新锁定模板。

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  金属表面耐气蚀性能的显著改善已成为在流体介质中服役装备长寿命、高可靠性能提升的必然要求,借助各类表面涂层技术,优化和改善材料表面耐气蚀性能是材料表面工程领域的研究热点。气蚀作为一种特殊的材料损伤现象,尤其是材料在海水介质中引发的气蚀孕育、发生、直至严重损伤过程因受到“腐蚀-气蚀”的耦合交互作用而更为复杂。  中国科学院兰州化学物理研究所磨损与表面工程和聚合物摩擦学课题组利用热喷涂技术,采用具有优异耐高温耐腐蚀性能的Ni基合金粉末,制备了相关耐气蚀涂层材料。揭示了涂层晶体结构演变、物相、组织改善对涂层在人工海水中耐气蚀能力提高的机理;研究了涂层表面形成的腐蚀膜与涂层气蚀性能的交互作用并进行了深入剖析;通过对涂层气蚀斑区域进行电化学测试,分析了气蚀损伤的电化学腐蚀作用机制。  研究表明,在海水介质中,涂层材料本身的力学性能、涂层中微缺陷的改善均可提升涂层的耐气蚀性能;耐腐蚀性能的提升会缓和气蚀的损伤过程,针对腐蚀-气蚀耦合作用,腐蚀会加剧气蚀损伤,但是所造成的最终材料失效,仍是以气蚀损伤为主。  上述研究成果近期分别发表在CorrosionScience、JournalofMaterialsScience&Technology和AppliedSurfaceScience。  以上工作得到中科院“青年创新促进会”优秀会员和国家自然科学基金的经费支持。  论文链接:123兰州化物所耐气蚀涂层材料研究获进展

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  作为基因检测的金标准,聚合酶链式反应(PCR)技术是一种重要的疾病检测工具。目前,众多疾病的临床检测均采用实时荧光PCR(RT-PCR)技术作为核心手段。但是,RT-PCR技术在灵敏度、检测限、分析成本以及基层诊断疾控普及等方面也存在着诸多不足。  中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室研究员吴文明在长春光机所率先开展了聚合酶链式反应技术研究。近期,团队将光机电一体化技术与芯片实验室技术结合,就传统RT-PCR技术的缺点进行了系统攻关,取得一系列进展。  鉴于传统RT-PCR技术核酸检测灵敏度低和传统数字PCR技术存在集成自动化程度较低等弊端,团队成功研发出采用实时荧光检测模式的连续流动式、全自动、一体化集成数字PCR系统,解决了传统数字PCR系统因终点检测难以区分假阳性的缺点。该系统基于单恒温热源,只需要一次进样就可同步实现微液滴生成、热循环扩增以及核酸绝对定量分析的整个数字PCR检测流程。工作流程实现自动化控制,无需人为操作,解决了传统数字PCR系统需要依赖人工操作在不同仪器上反复移动样品的弊端。同时,该系统自带太阳能电池,可实现能源自给,为现场检测奠定了基础,并且实验室整机成本仅万元以内;在试验耗材方面,因其不依赖国外系统采用的价格高昂的数字PCR芯片,从而大大降低数字PCR检测耗材成本。相关成果相继发表于多个SCI刊物(AnalyticaChimicaActa,2020,ACA-20-374R2;Sensors2020,20,2492)。  团队成功研发出的低成本RT-PCR系统,实现了对包括乙肝、禽流感、甲状腺因子、麻疹、杆菌等多种靶向基因的实时荧光定量分析。结合芯片光学优化以及温度循环优化,系统还可实现高效的病原菌原位分析。针对帕尔贴半导体存在的升降温速度慢这一弊端,研发出了一种基于机械位移式的新型RT-PCR定量系统,此系统可实现扩增曲线检测以熔解曲线绘制等一系列功能,不仅提高了温度循环速度,相对于TEC还大大提升了硬件循环温控重复使用寿命,并且降低了整个系统的体积功耗以及重量,同时为快速热循环PCR技术奠定了基础。  为解决PCR芯片流体控制依赖昂贵外部驱动系统的弊端,团队系统开展了“免外部能源与复杂驱动系统”的多相流体自发控制的研究,并从方法学层面拓展出多种衍生原理,还结合多种自发式流体控制手段与新型芯片设计实现了芯片实验室不同下游应用,而且基于连续流动式技术在国际上提出了能耗重量体积最小的“手持式基因指纹分析仪”以及“手持式实时荧光定量PCR系统”,为实现现场检测奠定基础。  核酸检测PCR作为一种在疾病检测领域具有广泛应用的技术,目前仍存在着高昂的检测成本,这会给检测的普及和国民经济带来巨大的压力。因此,降低PCR检测成本对于各类传染病防控工作具有重要意义,而要实现上述目标仍需要从分析仪器和检测试剂两个方面进行深入的系统性突破研究,这也将会成为团队下一步的工作重点。吴文明最近一年率领团队研发成功的多套PCR系统

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  中国科学院南海海洋研究所边缘海与大洋地质重点实验室海洋沉积与古环境研究团队在南海中上层水体海洋热含量演变过程研究中取得进展,研究成果以Istheupwardreleaseofintermediateoceanheatcontentapossibleengineforlow-latitudeprocesses?为题在线发表在国际期刊Geology上。杨艺萍为论文第一作者,研究员向荣为通信作者。  海洋是地球上一个巨大的热量“存储器”。长期以来,关于全球气候变化的高纬驱动和低纬驱动假说一直存在许多争议。其中低纬驱动假说的关键是理解热带海区热量和水汽在海洋和大气中的分布和循环演化规律。中层水(200-1000米)作为大气和深海之间连通的必经通道,通过控制大气和深海之间的热量交换过程调节着全球气候的变化。然而由于研究手段的缺乏,冰期-间冰期之间的海洋热含量演变及中-上层水体的热量传输过程仍不清楚,这大大限制了人们对全球气候变化的理解。  研究人员利用生活在不同深度的浮游有孔虫为研究对象,根据有孔虫壳体的Mg/Ca比值记录,重建了两万年以来南海北部约60、100、250、325、700米的水体温度(图1),并据此计算了表层、温跃层和中层水体的热含量演变历史。研究发现中层水的温度变化与表层水体的温度变化呈现相反的变化趋势,表明冰期有更多热量被储存在中层水体中。  随着末次冰期向全新世过渡,储存在中层水中的热量逐渐向上层释放,导致中层和温跃层的水体温度自下往上依次下降(图2),即中层水温度在14.3千年(kyr)BP时就开始下降,而其上部的水层温度逐层延迟到12.9、9.2和7.3千年(kyr)BP时才出现下降。  研究认为,这种冰期时存储在中层水体中热含量延后向海洋表层释放的过程,可能为后来的全新世气候变暖提供了一个重要能量来源,有可能是热带低纬过程热含量演变的一个重要驱动因素。研究为低纬海区热含量变化提供了新的思路。  本项研究由国家自然科学基金项目“南海深海过程演变”重大计划重点项目(91228207)、国家自然科学基金青年基金项目(41906057)、中科院南海生态环境工程创新研究院自主部署项目(ISEE2018PY02)等共同资助完成。  论文链接图1不同属种浮游有孔虫的钙化深度图2南海北部中-上层水体的垂向热力结构和海洋热含量演变历史。A:南海北部不同生活深度的浮游有孔虫壳体Mg/Ca记录的水体温度;B:中-上层水体的海洋热含量演变历史。

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  铁电陶瓷具有储能密度高、放电速度快、贮存性能稳定等特点,在近代科学和高新技术领域中具有重要应用。传统铁电材料中钙钛矿结构的锆钛酸铅(简称PZT)系列是应用面最广的铁电材料,也是目前国际上公认的、实现能量存储和爆电换能的理想材料。但是,随着新技术对高性能铁电材料需求的增加和环境友好型社会的发展,探索新型无铅铁电材料体系变得越来越迫切。  近日,中国科学院上海硅酸盐研究所研究员董显林和王根水带领的研究团队发现了一种新型、高性能、无铅铁电材料(Ag0.935K0.065)NbO3(AKN),该材料比目前所用的含铅铁电陶瓷具有更高的能量存储密度和更好的温度稳定性,可用于能量存储和爆电换能。该项工作提供了一种环境友好的铁电陶瓷材料,相关研究成果发表在ScienceAdvances上,论文第一作者为中科院上海硅酸盐所与澳大利亚国立大学联合培养博士生刘振,王根水和刘芸为文章共同通讯作者,上海硅酸盐所为论文第一单位。  新材料的设计采用AgNbO3(AN)作为反铁电相,KNbO3(KN)作为铁电相构筑铁电——反铁电相界,通过改变铁电相KN的含量实现AKN铁电陶瓷性能和相变压力的调控。与传统PZT系列铁电陶瓷相比,AKN铁电陶瓷具有更优异的储能密度和温度稳定性,使其在能量存储和爆电换能应用中具有更优异的综合性能。通过与澳大利亚国立大学教授刘芸团队和美国宾夕法尼亚州立大学教授陈龙庆团队合作,结合透射电镜分析、压力条件下原位中子衍射分析和唯象理论计算,揭示了AKN铁电陶瓷爆电换能行为的物理机制为压力诱导的氧八面体旋转从a-a-c+型转变为a-a-c-/a-a-c+型,这与压力诱导的、不可逆的铁电-反铁电相变有关。  以上研究工作得到国家自然科学基金面上项目、中科院仪器研制项目、中科院青促会和上海市扬帆计划等的资助。  文章链接AKN铁电陶瓷的宏观性能:(A)AKN压力下的P-E曲线,(B)等静压下原位去极化曲线,(C和D)等静压下介电常数和介电损耗,(E)在6.9GPa冲击压力下的动态放电曲线,(F)与其他铁电材料的储能密度比较。AKN铁电陶瓷中子衍射:(A)不同状态的AKN铁电陶瓷,(B)不同等静压下极化AKN铁电陶瓷的原位中子衍射,(C)不同等静压下极化AKN铁电陶瓷中子衍射谱中1/2(321)和1/2(341)的积分面积,(D)不同等静压下未极化AKN铁电陶瓷原位中子衍射。AKN铁电陶瓷FE和AFE相的唯象模拟:(A)AKN组成-压力相图,(B)能量等值线,(C)AKN铁电陶瓷的能量分布,(D)AKN-0.08在不同等静压下的P-E曲线。

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  日本国立成育(成长发育)医疗研究中心21日宣布成功为一名肝病患儿进行了肝脏细胞移植,移植用的肝脏细胞由人类胚胎干细胞培养而成。这家研究所称这是世界首例培养自人类胚胎干细胞的肝脏细胞移植。  国立成育医疗研究中心21日发布了这一成果。这项临床治疗研究始于2019年10月,这家研究所的团队向患有先天性尿素循环障碍的新生儿肝脏血管注射了由人类胚胎干细胞培养的肝脏细胞,并观察到注入的肝脏细胞产生了能分解氨的酶,患儿的状况也得到了改善。  作为一种过渡治疗,这次移植帮助患儿等到可以安全进行肝移植的时候(3至5月龄),然后患儿又成功接受了肝移植手术。  研究报告称,这是世界首次成功移植人类胚胎干细胞培养的肝脏细胞,也是日本首次利用人类胚胎干细胞进行临床治疗。报告说,迄今肝脏细胞移植治疗中的一大课题就是细胞来源不稳定,这次临床治疗的成功验证了相关移植技术的安全性和有效性。

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