上科大近期科研进展：生命与物质领域

上科大近期科研速览：生命与物质领域

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杨扬组合作发现非人灵长类动物树突棘动态特征

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朱焕乎组发现鞘脂跨组织调控发育机制

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翟晓芳组揭示锰氧化物超薄膜磁各向异性的“水遁术”

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孙博组揭示ParB蛋白随机多聚化调控DNA组装机制

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刘一凡组合作开发新型荧光增强数字PCR技术

发现非人灵长类动物树突棘动态特征

近日，生命学院杨扬团队与中科院脑科学与智能技术卓越创新中心蒲慕明团队在权威学术期刊《国家科学评论》（National Science Review）在线发表研究论文，报道了非人灵长类恒河猴的前额叶皮层神经元树突棘在时间进程和空间分布上的动态特征。

突触是神经元之间信息交流的最小单元，其稳态与可塑性对动物神经系统行使正常功能至关重要。树突棘结构组成了90%以上兴奋性神经突触。科研人员在啮齿类实验动物中进行了数量庞大、内容多样的树突棘动态特征研究，但缺乏针对非人灵长类大脑树突棘动态特征的相关报道。

该研究利用AAV病毒载体介导的GFP标记系统，对两只年轻和两只中年恒河猴的背外侧前额叶皮层第五层锥体神经元进行了稀疏高亮标记。发现树突棘在七天时间内表现出6%的突触形成率与消失率，其中新生树突棘更容易消失，树突片段上存在着树突棘动态特征热点。且树突棘的动态特征与类别相关：足状凸起的动态特征最强，而蘑菇型树突棘最为稳定。此外，树突棘表现出符合韦布尔分布的右偏分布，说明树突棘有在短距离间聚集现象，但整体来说其形成和消失分别倾向于在低密度和高密度的区域发生（图）。

图 四只恒河猴的树突棘间距分布概率曲线

此项研究填补了非人灵长动物树突棘稳定性和动态特征研究的空白，为进一步理解非人灵长类大脑神经环路的可塑性提供了结构基础。

详细新闻：https://www.shanghaitech.edu.cn/2022/0729/c1006a727814/page.htm

发现鞘脂跨组织调控发育机制

7月28日，生命学院朱焕乎团队在学术期刊CellReports上发表论文，报道了线虫肠道细胞中过氧化物酶体的定位及鞘脂跨组织调控发育机制。

葡萄糖神经酰胺（Glucosylceramide）是一类集氨基酸、脂肪酸和糖类为一体的特殊鞘脂。缺乏葡萄糖神经酰胺会导致早期发育停滞甚至死亡，但其机制并不为人所知。

在过去的研究中，朱焕乎及其团队先后发现葡萄糖神经酰胺激活mTORC1通路可调控线虫个体发育，且此发育信号通路的主要生理目的是感知食物中整体氨基酸的水平，从而调节线虫发育命运。

本研究发现PRX-11等多个过氧化物酶体关键蛋白的基因突变能够使葡萄糖神经酰胺缺乏的线虫突破早期发育停滞，且肠道和肌肉中过氧化物酶体活性对于葡萄糖神经酰胺介导的线虫发育至关重要。在缺乏营养、缺乏葡萄糖神经酰胺，或者mTORC1活性下调的情况下，过氧化物酶体不再均匀分布于肠细胞中，而是集中在靠近线虫肠腔的顶膜区域，且这种依赖微管/马达蛋白的过氧化物酶体聚集，会影响过氧化物酶体合成并分泌小分子糖脂激素——蛔苷，并作用到线虫的化学感觉神经元纤毛上的激素受体，从而抑制葡萄糖神经酰胺缺失动物的发育。

本工作在线虫中首次发现了一条通过体内脂质代谢物、营养感知通路、细胞器亚细胞定位及激素分泌来感知外界营养并调控发育的肠-脑轴通路。结合此前的发现，研究团队认为葡萄糖神经酰胺和过氧化物酶体可能分别代表了动物体内正向和负向调控发育的元件。这也可能帮助解释为什么多细胞而非单细胞真核生物发育需要糖鞘脂和过氧化物酶体。

图. 营养感知通路通过影响过氧化物酶体的胞内定位和激素合成/释放调控个体发育

详细新闻：https://www.shanghaitech.edu.cn/2022/0730/c1006a730740/page.htm

锰氧化物超薄膜磁各向异性的“水遁术”

水是人类和所有生物的生命之源，也是大自然神奇的魔法师。水分子、氧离子或氢离子的“娇小身躯”可以轻易嵌入大多数材料的结构基元中，从而实现材料从微观到宏观的物性改变。

磁性功能材料在低功耗自旋电子学器件应用领域具有广阔前景，这其中多方向软磁超薄膜是发展柔性自旋电子学器件的基石。而磁各向异性为零或非常弱的“软磁超薄膜”较为少见，在多个方向都具有较小的矫顽场、磁性容易翻转的软磁材料则更为稀有。那么水能否调控薄膜的磁各向异性呢？

为此，上科大物质学院翟晓芳团队与上海纽约大学、美国阿贡国家实验室和美国国家标准计量局（NIST）等的团队合作，制备出大面积且无裂纹的自支撑锰氧化物薄膜，并将其转移至硅衬底后开展磁性方面的研究。研究发现，经水浸泡后，原先外延薄膜中显著的磁各向异性在厚度为几个纳米的自支撑超薄膜中竟消失了，自支撑薄膜表现出多方向软铁磁性，其饱和磁化强度和居里温度也同时提高。

为解密磁各向异性的“水遁术”，研究者通过多种实验表征和理论计算方法，揭示了锰价态的分层模型（图）。当自支撑薄膜减小到几纳米厚时，表面区域和薄膜内部的体积相当，整个薄膜的磁各向异性趋于消失。因此，通过采用水溶牺牲层工艺，自支撑超薄膜表面的氢离子掺杂可对整个薄膜的磁性产生决定性的影响，从而产生异于外延薄膜的功能特性。

图. 氢掺杂后锰价态的分层模型：水溶过程导致薄膜表面掺杂氢离子，该区域锰价态接近+2价，易磁化轴为面外方向；而薄膜内部则因水难以进入，锰价态仍表现为块材的+3价，易磁化轴仍保持面内方向

详细新闻：https://www.shanghaitech.edu.cn/2022/0730/c1006a730769/page.htm

ParB蛋白随机多聚化调控DNA组装机制

近日，生命学院孙博团队在学术期刊《核酸研究》(Nucleic Acids Research)上在线发表研究论文，报道了染色体分离相关蛋白ParB调控DNA组装的新机制。

染色体分离是指成对的同源染色体彼此分开的过程。染色体分离对于确保亲本遗传信息完整准确地遗传给子代至关重要。在大多数细菌和质粒中，染色体分离通过ParABS系统实现。在典型的ParABS系统中，ParB二聚体可以特异性识别、结合parS位点，并由CTP驱动扩散到相邻DNA上。但ParB二聚体如何有效组织并压缩DNA形成染色体分离核蛋白复合物仍然未知。

本研究发现，几十个ParB二聚体可以在几秒内自发地聚集形成多聚体（multimer）。ParB多聚体可以稳定结合非特异DNA，并由CTP水解驱动实现DNA扩散、parS识别等。与ParB二聚体不同的是，ParB多聚体具有桥接、运输DNA的独特特征（图）。这些发现表明ParB多聚体可能作为中间体介导ParB二聚体进一步实现高阶ParB-DNA复合物的组装，为理解ParABS系统调节染色体分离提供了重要的分子基础。

图. ParB多聚体组织DNA组装的分子机制模型

详细新闻：https://www.shanghaitech.edu.cn/2022/0731/c1006a733151/page.htm

新型荧光增强数字PCR技术

近日，物质学院刘一凡团队与浙江大学团队合作，开发出一种荧光增强数字聚合酶链式反应(PCR)技术，可用于在单分子水平对DNA进行快速和高灵敏度的绝对定量，有望用于病原体快速检测、癌症早筛等生物医学领域。成果发表于生物传感领域期刊Biosensors and Bioelectronics。

图. I:（A）荧光增强数字PCR芯片分解示意图，（B）将微通道板（MCP）分割为4 × 4 mm²大小的区域，每个区域包含2.5 × 10⁴个微孔，（C）荧光增强数字PCR芯片示意图的俯视图和横截面图。II：（A）扫描电子显微镜下微通道板（MCP）截面斜视图，（B）扫描电子显微镜下微通道板（MCP）截面的表面特写，（C）通过局部斜角沉积（LOAD）将ZnO纳米棒均匀地积淀在微通道板侧壁，（D）ZnO纳米棒功能化的微通道板上微孔的扫描电子显微图，（E）II（D）的局部结构放大图。

自1985年美国科学家Kary Mullis开发出第一代以PCR技术为基础的核酸定性分析方法后，第二代实时荧光定量PCR技术、第三代核酸检测技术的数字PCR（dPCR）技术逐渐实现了由定性分析到定量测定的技术进步。dPCR将连续的液相反应体系分割于数万至数百万独立的皮升级微腔室中进行离散扩增，使之具备单分子级别的高灵敏度和绝对定量的优势。但dPCR技术仍存在需要热循环、反应周期较长、经济和时间成本较高、动态范围较窄等缺点。

为增强dPCR临场快速核酸检测能力，合作团队开发出一种基于ZnO纳米棒修饰的微通道板（MCP）集成dPCR微芯片（图）。MCP是一种高度多孔的玻璃薄膜，将MCP巧妙地集成在微流体芯片中，能为PCR反应体系提供海量独立的微腔室。高度透气的微流体芯片作为“气泵”，使得样品的加载和微腔室化可由简单的移液步骤实现，无需额外设备。

为减少热循环周期、缩短检测时间，研究团队还将ZnO纳米棒均匀地积淀在微通道板侧壁，PCR产物的荧光强度得到极大增强，DNA扩增终点检测的时间从小时级缩短到25分钟，同时提高了检测精度。该系统的微腔室密度高达1563 mm^-2，在指甲盖大小的面积内即可形成超过15万个独立微腔室，这大大提升了dPCR的可扩展性，使得百万级微腔室扩增成为可能。

利用该集成系统，研究人员对噬菌体λDNA和癌症相关PLAU基因进行快速的单分子级别绝对定量。经过反复试验，该技术在核酸绝对定量中的总体测量偏差小于5%。因此该新型集成化微系统有望加速数字PCR技术在病原体快速检测、癌症早筛等生物医学领域的广泛应用。

详细新闻：https://www.shanghaitech.edu.cn/2022/0803/c1006a740025/page.htm

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