科研进展--中国科学院广州分院

华南植物园“一种甘薯曲叶病毒侵染性克隆的构建方法及甘薯高效简易的侵染方法”获发明专利

6月17日获悉，由中国科学院华南植物园邓书林等科研人员完成的“一种甘薯曲叶病毒侵染性克隆的构建方法及甘薯高效简易的侵染方法”获国家发明专利授权。该发明公开了一种甘薯曲叶病毒侵染性克隆的构建方法及甘薯高效简易的侵染方法，是将1.01个重复的甘薯曲叶病毒基因组序列插入到双元载体中，得到甘薯曲叶病毒侵染性克隆。该发明提供了一种解决甘薯曲叶病毒接种天然宿主甘薯侵染率低的方法。通过发病症状的观察和PCR的检测，该发明成功将甘薯曲叶病毒的对不同品种甘薯接种率均提高到了100%。另外，该发明所提供的方法不仅高效，而且操作简易，可以实现大规模的接种及筛选，能为后续筛选抗性品种及甘薯曲叶病毒与甘薯相互作用的研究提供技术上的有力支持。

2024-06-17

华南植物园“生态格局分析可视化方法、系统、设备及介质”获发明专利

6月17日获悉，由中国科学院华南植物园徐洲锋等科研人员完成的“生态格局分析可视化方法、系统、设备及介质”获国家发明专利授权。该发明公开了一种生态格局分析可视化方法、系统、设备及介质，定义分析任务，根据分析任务选取参与分析的目标数据源和对应的预设的目标地理网格系统；根据分析任务、预设参数和目标数据源从目标地理网格系统中选取对应的目标地理网格单元，将分析任务分解为对应的分解任务，规划运算流程；从目标数据源中提取对应的运算数据，进行计算得到分析任务的分析结果；选取渲染地理网格层级及与其对应的渲染地理网格单元；根据分析结果对各个渲染地理网格单元进行可视化渲染输出；该方案能够将生态格局分析中不同分析任务的数据对齐，使得分析结果能够进行相互对比和进行分析数据集成。

2024-06-17

口孵鱼类亲代抚育行为的遗传调控机制取得新进展

近日，由中国科学院南海海洋研究所林强研究员团队和浙江海洋大学高天翔教授团队等合作完成的口孵鱼类亲代抚育行为遗传调控机制的最新结果以Article形式在线发表在The Innovation Life（《创新生命》）上。中国科学院南海海洋所研究员张艳红、副研究员王信为本文共同第一作者，研究员林强和教授高天翔为共同通讯作者。亲代抚育行为的演化代表了生物个体在适应环境方面的重大突破，其形成机制一直是行为学、进化生态学等领域关注的热点问题。口孵是硬骨鱼类亲代抚育的一种特殊形式，然而目前关于口孵鱼类亲代抚育行为的遗传调控机制研究甚少。图1 天竺鲷科鱼类实现口孵育儿行为的遗传基础本研究以典型口孵鱼类细条银口天竺鲷(Jaydia lineata)为研究对象，对其育儿行为的遗传基础进行了探究。首先组装了该物种染色体水平基因组，通过多物种的分子系统学研究，发现鱼类口孵行为最早可追溯到约2.5亿年前，而口孵的天竺鲷科鱼类的进化分歧时间约为9700万年前。同时发现鱼类繁殖模式多样化（雌性卵胎生、雄性育儿、卵生）主要集中于鱼类物种多样性爆发的白垩纪，揭示了鱼类繁殖性状与物种多样性的共同演化，以及口孵行为的多次独立进化(图2)。图2 亲代抚育鱼类的系统发育特征和繁殖策略大约四分之一的鱼类存在亲代抚育行为，口孵又是硬骨鱼亲代抚育的一种特殊形式，至少9科鱼类中存在口孵行为。本研究首先选择具有亲代抚育行为（雌性卵胎生、雄性卵胎生、雌性口孵和雄性口孵）的代表性硬骨鱼类，通过全基因组水平的趋同进化分析，发现多个基因如rab34,grm2等在亲代抚育物种谱系中具有显著的遗传趋同信号，这些基因在胚胎发育过程中发挥着重要作用。进一步聚焦于口孵鱼类，发现相对于普通卵生鱼类而言，口孵鱼类的编码基因普遍表现出较快的进化速率。神经递质催产素（Oxytocin，鱼类中直系同源基因命名为isotocin）被称为“爱的荷尔蒙”。全基因组趋同分析显示口孵鱼类催产素通路具有明显的适应性遗传突变，催产素信号通路相关基因在介导亲代抚育行为中发挥至关重要的作用，如CD38、IP3R等不仅存在氨基酸位点趋同变异，同时均受到显著正选择。神经肽类物质在调控动物社会行为，如亲母行为、亲代抚育行为中发挥重要作用。比较转录组分析显示，神经肽及其受体信号通路在天竺鲷雌雄个体间存在显著差异；与不具备口孵行为的弹涂鱼相比，雄性之间也存在明显差异。图3 口孵鱼类亲代抚育行为的遗传调控机制口孵育儿行为虽增加了后代的存活率，但代价却是将亲本置于饥饿、免疫功能改变的特殊生理状态。本研究通过比较基因组和转录组分析共同揭示了天竺鲷在投资后代和维持自身健康之间的微妙平衡，并且发现了天竺鲷的免疫性别二态性，强调了雄性亲本口孵行为对免疫相关基因表达的影响。此外，本研究还发现口腔黏膜不仅特异性表达一些免疫相关基因（如IL-17a,S100A9,chemokine28），且首次证实口腔黏膜有孵化酶基因（hce,hce1-like,hce2-like）表达，揭示了口腔黏膜在保障口腔中胚胎正常发育和免疫防护等方面的独特生物学功能（图4）。图4 细条银口天竺鲷口腔黏膜的独特生物学功能及其特异性免疫反应本研究通过揭示鱼类育儿行为的遗传基础，为我们深入了解鱼类进化过程和复杂行为驱动机制提供了宝贵的见解。理解基因变异如何影响行为演化不仅有助于加强了我们对自然界的认识，还对保护生物学等领域具有重要意义。该研究工作得到了国家自然科学基金杰青项目（延续）、国家自然科学基金重点项目、国家重点研发项目等联合资助。相关论文信息：Mouthbrooding behavior and sexual immune dimorphism in Indian perch Jaydia lineata. https://doi.org/10.59717/j.xinn-life.2024.100066

2024-06-15

葡萄牙牡蛎四倍体速长新品系选育及产业化推广应用获重要进展

近日，中国科学院南海海洋研究所热带海洋生物资源与生态重点实验室喻子牛研究员团队，在葡萄牙牡蛎四倍体速生新品系选育及产业化应用方面获重要进展，研究团队在应用新型诱导技术成功建立葡萄牙牡蛎四倍体群体后，开展了其持续3代选育，获得的选育系在生长率、存活率和倍性稳定性方面具有显著优势，并应用到了三倍体牡蛎苗种产业上，取得了良好的养殖效果。相关成果发表于国际水产领域专业期刊《Aquaculture》，副研究员秦艳平为论文第一作者，研究员喻子牛和研究员张跃环为并列通讯作者。葡萄牙牡蛎(又称福建牡蛎)是我国产量最高的牡蛎种类，是福建、广东和广西沿海的主要养殖种；但养殖的二倍体因个体较小、品质平庸等导致效益较低。推广三倍体养殖是解决问题和转型升级的重要途径，而四倍体与二倍体杂交是规模化三倍体生产的根本方法；因此，四倍体良种直接关系其种业升级发展；团队通过葡萄牙牡蛎四倍体的连续选育，获得了优良选育品系。国内外尚无关于葡萄牙牡蛎四倍体持续选育和产业应用的报道。该研究对四倍体进行了持续3代的选育，成功获得了一个葡萄牙牡蛎四倍体的快速生长新品系，并对相关性状(生长、存活、性比、倍性组成和优势率)进行了比较研究。结果表明：(1)选育组的生长率显著快于未选育组，壳高增长的选择优势由第一代（S1）的7.80%提高到第三代（S3）的34.68%；(2)选育代数的增加并未对存活率产生显著影响，两个组别没有显著性差异；(3)随着选育代数的增加，选育组中染色体丢失的个体数量逐渐减少，其四倍体倍性更加稳定；(4)选育组保持完全可育，并呈现雄性比例高的特点。随后，团队把选育系应用到三倍体的产业化应用上，显著提高了葡萄牙牡蛎的养殖效益和三倍体良种覆盖率，在华南沿海获得了良好的养殖效果，为沿海地区牡蛎种业发展做出了有效贡献。该成果得到了国家贝类产业技术体系、科技部重点研发计划、广东省重点研发计划、海南省重点研发、福建省科特派项目和广州市重点研发计划等项目资助。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.aquaculture.2024.741127图 1 葡萄牙牡蛎四倍体持续选育3代的生长、存活和全重比较图 2 葡萄牙牡蛎四倍体及其染色体组型

2024-06-13

P450酶催化糖肽分子内苯酚偶联反应机制研究取得新进展

近日，南海海洋所张长生研究员团队和厦门大学王斌举教授团队合作在P450酶催化糖肽分子内苯酚偶联反应的机制研究方面取得新进展，相关成果“Discovery and Biosynthesis of Cihanmycins Reveal Cytochrome P450-Catalyzed Intramolecular C−O Phenol Coupling Reactions”发表于Journal of the American Chemical Society（《美国化学会志》）。南海海洋所博士方春艳、副研究员张丽萍和厦门大学博士生汪永超为论文共同第一作者，南海海洋所研究员张长生、研究员朱义广和厦门大学教授王斌举为共同通讯作者。在化学生物学领域，细胞色素P450酶因其独特、多样的催化能力而备受瞩目。P450酶催化的分子内C−O和C−C苯酚偶联反应在天然产物生物合成中扮演着关键角色，广泛存在于糖肽类抗生素如万古霉素和替考拉宁中。虽然糖肽类抗生素中多个催化分子内苯酚偶联反应P450酶的功能和晶体结构相继被解析，但底物复合物结构的缺失导致该类反应的催化机制一直是未解之谜。研究团队从放线菌Amycolatopsis cihanbeyliensis DSM 45679中发现了C−O连接的新型双环糖肽类化合物cihanmycins（CHMs,图1）。CHM A (1)的结构通过X-ray单晶衍射确定为双环糖肽，包含肉桂酰基团和两个稀有的D-阿拉伯呋喃糖。研究团队基于生物信息学分析和异源表达实验，在DSM 45679的基因组中定位了CHM的基因簇，并通过体内基因敲除和体外生化实验证实了3个P450酶的功能：Cih26负责肉桂酰基团的环氧化和羟化，Cih32负责三个氨基酸的羟化，Cih33及其同源蛋白DmlH和EpcH催化分子内C−O苯酚偶联反应形成CHM的双环骨架（图1）。图1. CHM生物合成中3个P450酶的功能为揭示Cih33及其同源蛋白催化C−O苯酚偶联反应的机制，研究团队开展了晶体学研究并解析了DmlH和DmlH−7复合物的晶体结构，首次揭开了分子内C−O苯酚偶联P450酶与大环肽结合模式的神秘面纱。同时，单环底物7的柔性结构使其NMR信号裂分复杂，难以解析结构，而DmlH−7的结构获取提供了通过复合物晶体鉴定小分子结构的经典案例。值得注意的是，底物7与DmlH的辅因子血红素（heme）平面之间有一个水分子，可能在苯酚偶联反应的攫氢过程中起关键作用。为验证这一推测，研究团队开展了分子动力学（MD）模拟和量子力学/分子力学（QM/MM）计算，揭示了DmlH催化分子内苯酚偶联反应由水介导的双自由基机制（图2），首次提出了水分子在双自由基苯酚偶联反应中的重要作用。图2. 分子内苯酚偶联反应由水介导的双自由基机制（注：“*”为羟化氨基酸，“CM”为肉桂酰基团）此外，基于生信分析，从数据库中挖掘到81个含有Cih33同源蛋白的肽类基因簇。对这些基因簇的P450酶进行系统发育分析，发现催化分子内苯酚偶联反应的Cih33/DmlH/EpcH和糖肽类抗生素的P450酶都聚集在同一分支，表明该分支中的其他P450酶可能具有相似的功能和机制，编码这些P450酶的基因簇有望产生新颖的双环肽类化合物。综上所述，本研究证实了双环糖肽类化合物CHM生物合成中3个P450酶的功能，并利用酶学和计算化学等方法首次揭示了DmlH催化分子内苯酚偶联反应由水介导的双自由基机制，为深入理解P450酶催化的分子内苯酚偶联反应提供了新的视角，还为发现和开发更多新颖的双环肽类化合物奠定了研究基础，有望为抗生素研发提供更多物质基础。以上研究工作得到了国家重点研发计划“合成生物学”重点专项、国家自然科学基金委重大项目、中国科学院王宽诚率先人才计划、广东省自然科学基金等项目资助。相关论文信息：Chunyan Fang†,Liping Zhang†,Yongchao Wang†,Weiliang Xiong,Zier Yan,Wenjun Zhang,Qingbo Zhang,Binju Wang*,Yiguang Zhu*,and Changsheng Zhang*. Discovery and Biosynthesis of Cihanmycins Reveal Cytochrome P450-Catalyzed Intramolecular C−O Phenol Coupling Reactions. J. Am. Chem. Soc. 2024. DOI: 10.1021/jacs.4c02841.文章链接：https://doi.org/10.1021/jacs.4c02841

2024-06-11

研究揭示南海次表层涡旋形成的非绝热强迫机制

近日，中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境国家重点实验室（LTO）经志友团队，在南海次表层涡旋的形成过程与动力机制研究方面取得新进展。相关研究成果发表在Journal of Physical Oceanography上，博士研究生刘余亿为第一作者，研究员经志友为通讯作者。中尺度涡旋蕴含海洋超过90%的动能，是海洋物质能量循环的主要动力载体，同时也是贡献海-气相互作用、海洋生态环境变化的关键动力过程。不同于表层强化的中尺度涡旋，海洋内部次表层涡旋是一类透镜状、低位涡、生命周期较长的特殊涡旋，能够携带源地异常性质水体输送至数千公里以外的海区，且难以被卫星遥感观测所识别，关于其形成、演变过程及动力学机制，目前尚缺乏深入系统的科学认识，更无法直接预报。本研究基于高分辨率现场观测并结合再分析资料和位涡动力学分析，从边界层位涡通量收支新视角，揭示了南海典型次表层透镜状涡旋的形成过程与动力机制。研究结果表明，秋冬季大气非绝热强迫驱动的海面浮力损失是次表层涡旋形成的关键条件。秋冬季增强的海面浮力损失产生向上的位涡通量，减小反气旋涡的混合层位涡；次年春季大气热强迫驱动的海表升温，减弱海面浮力损失，逐渐向海表注入位涡，并抬升混合层，从而通过层化封存低位涡水至涡旋内部，最终在地转调整作用下形成海洋内部的透镜状中尺度涡旋。进一步分析表明，南海北部至少20%的反气旋涡在次年春夏季演变成为次表层透镜状涡旋。更重要的是，这些低位涡、透镜状次表层涡旋的形成，主要是由秋冬季海面降温（surface cooling）引起的海表浮力损失和地转调整所驱动，而非风场强迫（down-front wind forcing）。本研究基于观测证据揭示了南海次表层透镜状涡旋形成的大气非绝热强迫新机制，对进一步深入认识和理解卫星遥感难以直接观测的全球海洋次表层涡旋及其形成机制具有重要科学意义。该研究主要由国家自然科学基金共享航次计划、国家自然科学基金项目资助完成。图1 （a）涡旋移动轨迹；（b）航次观测期间（2021年春季）SST和CTD温度剖面图2 南海次表层透镜状涡旋形成的非绝热强迫机制相关论文信息：Yuyi Liu,and Zhiyou Jing* (2024). Intrathermocline eddy with lens-shaped low potential vorticity and diabatic forcing mechanism in the South China Sea. Journal of Physical Oceanography,54(3),929-948.原文链接：https://doi.org/10.1175/JPO-D-23-0149.1

2024-06-12

广州能源所燃气热泵技术通过专业机构检测

近日，中国科学院广州能源研究所研发的燃气热泵技术通过了合肥通用机电产品检测院有限公司的检测，其中标准工况下的制热能效（从燃气热值算起的一次能效）高达173%。近日，中国科学院广州能源研究所研发的燃气热泵技术通过了合肥通用机电产品检测院有限公司的检测，其中标准工况下的制热能效（从燃气热值算起的一次能效）高达173%。目前国际上燃气热泵技术主要被日韩企业所垄断，主要生产商包括松下、大金、三菱重工、洋马、电装、爱信和LG等，高峰时年产值达到200亿元人民币。广州能源所储能技术研究室冯自平研究员团队在科技部863计划、中国科学院STS等项目的支持下，突破了燃气热泵多联机、燃气热泵冷热水机等系列核心技术，实现了燃气热泵技术的产业化，为我国建筑能源领域低碳发展提供了创新技术。燃气热泵是以燃气发动机驱动的蒸汽压缩式热泵机组，夏季制冷、冬季制热，可以以天然气、液化石油气、甲醇、H2等为燃料。其基本原理是燃气驱动发动机输出轴功，带动开启式压缩机，与空气进行热交换从而实现高效制冷制热。在制热工况下，燃气热泵不仅从空气中吸收了热量，而且有效回收了发动机的余热，由此获得远高于燃气锅炉的能效。与电热泵技术相比，燃气热泵由于可以回收余热，冬季不易结霜，因此机组制热能效和供暖的舒适性得到大幅度提高；与此同时，燃气热泵通过改变发动机转速可以实现全变频运转，供热量在环境温度降低至-12℃时依然不衰减。该技术以遍布城市的管道燃气为能源，实现了一次能源的高效利用。北方冬季供暖在我国建筑能耗中占有很大比重，仅北京市就有10亿平方供暖面积，大部分采用燃气锅炉，每年消耗燃气200亿立方，由此给城市能源供应和财政带来沉重负担。与此同时，随着人民生活水平的提高和工农业经济的飞速发展，城市电力负荷峰谷差越来越大，而空调是造成电力负荷峰谷差的主要设备。燃气热泵技术的研发，将为冬季供暖节能和夏季空调节能提供最新技术。冬季以燃气热泵代替锅炉，可以减少40%以上的燃气消耗；夏季以燃气热泵代替电空调，可以降低50%以上的配电容量和高峰用电。因此，燃气热泵技术的研发和产业化，将有力推动我国建筑节能和电力负荷峰谷差的削减。在关键核心技术突破的同时，广州能源所长期重视科研成果的产业化。目前，该产品已在多地的写字楼、宾馆和工厂等开展示范应用，项目遍及重庆、北京、西安和杭州等地，获得了良好的节能效果。以位于北京顺义的国家工程中心为例，该项目建筑面积10000平方米，安装了9台燃气热泵机组。在2023年出现极寒天气的情况下，11月至次年3月的供暖费用只有10元/平方米，远低于北京市45元/平方米的工商业集中供暖收费标准。今后，广州能源所将继续加大研发力度，全面推进国内国际两个市场，为我国“双碳”目标的实现贡献力量。

2024-06-12

研究揭示全球俯冲作用如何影响地幔蛇纹石化程度

近期，中国科学院南海海洋研究所张帆研究员团队，联合林间院士、中国科学院海洋研究所研究员高翔、中山大学副教授蔡晨和南方科技大学副教授周志远，在俯冲板块地幔蛇纹石化程度控制因素的研究上取得了重要进展，相关成果发表于国际地学期刊《地球与行星科学通讯》（Earth and Planetary Science Letters），副研究员张江阳为第一作者，研究员张帆为通讯作者。俯冲作用是水向地球深处输送的主要机制，这个过程对板块构造、俯冲地震活动、弧岩浆作用以及气候变化等都具有重要影响。大洋岩石圈在海沟附近发生弯曲变形，并形成挠曲正断层。水沿着正断层进入板块深部，引起地幔蛇纹石化。因此，俯冲板块的地幔蛇纹石化与俯冲作用的水通量有密切的关系。然而目前对俯冲板块地幔含水量（或地幔蛇纹石化程度）的具体控制因素和机制尚不清楚。科研人员利用过去二十年全球海沟地区的地震数据，深入探讨了板块年龄、挠曲曲率和沉积物厚度等因素对上地幔顶部地震波速的影响。研究发现，随着板块的年龄增长，其挠曲变形区域的应力屈服深度受到限制，而板块曲率则直接决定这一深度的实际表现。这两个因素共同决定了俯冲板块浅部的水平伸展应变量，进而显著影响了地幔上层的蛇纹石化程度。有趣的是，沉积物厚度较大的地区，地幔的地震波速下降趋势相对较小，显示出沉积覆盖对于地幔蛇纹石化的抑制作用。通过对全球各地海沟的地震波速结构进行详尽分析，研究结果揭示：俯冲板块的变形与地幔蛇纹石化程度之间存在着明确的线性相关性。这一发现不仅有助于我们更好地理解板块构造过程中的水循环动态，也为估算俯冲板块的含水量提供了新的理论依据。这项研究从板壳力学的基本原理出发，阐明了板块年龄和曲率对地幔蛇纹石化的控制机理，并揭示了沉积覆盖作用对地幔蛇纹石化的阻碍效应，对估算俯冲板块含水量、地幔蛇纹石化程度以及理解俯冲带水循环过程具有重要意义，为深入研究地球内部环境和气候变化提供了重要支撑。上述研究工作得到了国家自然科学基金项目、广东省人才项目和广州市科学基金项目等支持。文章信息：Zhang,J.,Zhang F*.,Lin,J.,Gao,X.,Cai,C.,Zhou,Z. (2024). Mantle serpentinization of subducting plate are controlled by combined effect of plate age and bending curvature. Earth and Planetary Science Letters. 640: 118799.原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X24002322图1. （a）本研究中所用的Vp结构剖面的位置；（b）水平伸展应变与Vp降低之间的相关性图2. 示意图显示板龄（厚度）和弯曲曲率对板水化作用的影响机制

2024-06-05

Small Methods | 一种用于归档和检索医学磁共振成像数据的高效DNA存储系统

近日，中国科学院深圳先进技术研究院姜青山研究员、黄小罗高级工程师、中国农业科学院深圳农业基因组研究所戴俊彪研究员等联合设计了一种名为"EDS"的DNA存储方法，通过改进编码模型、引入冗余核苷酸和设计索引技术，实现了医学MRI数据的可靠归档和检索。近日，中国科学院深圳先进技术研究院姜青山研究员、黄小罗高级工程师、中国农业科学院深圳农业基因组研究所戴俊彪研究员等联合在国际学术期刊Small Methods (IF=12.4)上发表了题为An Effective DNA-Based File Storage System for Practical Archiving and Retrieval of Medical MRI Data的研究文章（图1）。文章中设计了一种名为"EDS"的DNA存储方法，通过改进编码模型、引入冗余核苷酸和设计索引技术，实现了医学MRI数据的可靠归档和检索。图1. 文章上线截图文章链接：https://doi.org/10.1002/smtd.202301585医学MRI数据是诊断、治疗规划和疾病监测等多种领域的重要工具。利用DNA存储技术保存医学MRI数据将有助于人类健康管理。通过DNA存储，可以确保这些重要数据在数千年内安全保存并精确恢复，从而保证了这些重要数据的长期存储。此外，DNA存储还使得过去的健康数据更容易被未来的研究人员获取，这对于纵向研究非常重要，因为它允许研究人员研究疾病的进展和治疗效果。该工作提出了一种名为“EDS”的方法（图2），通过三个关键组成部分实现了医学MRI数据的归档。首先，研究团队设计了一种新颖的分块策略，解决了旋转编码导致的数据丢失问题。其次，提出了一种基于规则的四进制转码方法，满足生化约束条件并确保可靠的数据映射。最后，设计了一种索引技术，简化了随机搜索和访问过程。图2. EDS方法流程图研究团队提出了一种名为“DFS”的索引技术，克服了DNA文件存储中高额外开销的挑战，旨在简化DNA文件存储的组织结构，实现灵活的随机搜索、访问和文件管理。图3中展示的正则标签（RT，一个碱基对）有效地帮助搜索特定的分块（子图像），将其与其他分块区分开来。图像被分割为16个分块，每个分块被分配了不同的基因标签，序列索引中设计了唯一的地址（4个碱基对），以精确定位和检索所需的序列；此外，在随机有效负载（平均长度为107个碱基对）之前添加了不同的标签（DT，四个碱基对），用于区分每个分块的解码二进制数据，进而简化了存储数据的组织。图3. DFS技术示意图该工作在计算时间上也提出了新的方法，通过利用多进程技术优化DNA存储编码流程，将编码任务分解成多个子任务，并分配多个CPU进行并行计算，提高编码速率，实验共测试了72GB的人体MRI数据，完成编码仅需9个小时，编码时间效率提升明显，同时基于数据进行了预测，1TB量级的数据在120 h能完成。通过计算机模拟和生物合成实验证实，EDS方法在医学MRI数据存储方面表现出色，并且具有更好的生化约束控制和较短的计算时间。为医学MRI数据的DNA存储开辟了新的途径。图4. 体内合成验证EDS 性能测试这项研究成果为医学领域的数据存储和检索提供了新的可能性，具有重要的实际应用前景。随着进一步的研究和发展，DNA存储技术有望成为医学数据管理的重要工具，为医学健康领域带来更多的创新和进步。中国科学院深圳先进技术研究院姜青山研究员、黄小罗研究员高级工程师，中国农业科学院深圳农业基因组研究所戴俊彪研究员为该文章的通讯作者，博士生Abdur Rasool、硕士生洪经纬为论文的共同第一作者。该研究获得国家重点研发项目、深圳市科技项目等多个基金的资助。

2024-06-03

管敏团队揭示靶向脂肪细胞ESRRA抵抗骨质疏松小鼠骨髓脂肪扩张促进成骨和血管生成的新机制

近日，中国科学院深圳先进技术研究院管敏研究员课题组（课题组博士后黄童龄为本文的第一作者）在Nature Communications发表了题为“Targeting adipocyte ESRRA promotes osteogenesis and vascular formation in adipocyte-rich bone marrow ”的研究论文，脂肪细胞中的雌激素相关受体α（estrogen-related receptor α, ESRRA）通过正调控leptin和反向调节分泌型磷蛋白 1（secreted phosphoprotein 1, Spp1）的表达和分泌，从而影响骨髓中富含脂肪细胞的骨生成和血管形成。同时，探讨ESRRA作为治疗骨质疏松的潜在靶点的可能性。哺乳动物骨髓由多种类型的细胞组成，包括脂肪细胞、成骨细胞、破骨细胞、基质细胞和血管内皮细胞。这些细胞之间的相互作用为骨髓干细胞（也称为基质或间充质干细胞，BMSCs）和其他谱系细胞的分化提供了关键的调节环境。成骨细胞和骨髓脂肪细胞（bone marrow adipocytes，BMAds）虽然功能和形态上不同，但都起源于同一前体细胞——BMSCs。骨髓脂肪组织（MAT）是骨髓的重要组成部分，具有能量储存和内分泌调节功能，对于维持骨稳态至关重要。然而，骨髓脂肪细胞的过度积累与骨质恶化有关，通常被认为不利于骨髓微环境的稳态。近日，中国科学院深圳先进技术研究院管敏研究员课题组（课题组博士后黄童龄为本文的第一作者）在Nature Communications发表了题为“Targeting adipocyte ESRRA promotes osteogenesis and vascular formation in adipocyte-rich bone marrow ”的研究论文，脂肪细胞中的雌激素相关受体α（estrogen-related receptor α,ESRRA）通过正调控leptin和反向调节分泌型磷蛋白 1（secreted phosphoprotein 1,Spp1）的表达和分泌，从而影响骨髓中富含脂肪细胞的骨生成和血管形成。同时，探讨ESRRA作为治疗骨质疏松的潜在靶点的可能性。文章上线截图有研究表明，高脂肪饮食（HFD）诱导肥胖小鼠通过循环瘦素（leptin）作用于表达瘦素受体（LepR+）的BMSCs，促进脂肪形成，抑制BMSCs成骨，从而加速MAT的扩张。因此，病理条件导致骨微环境中异常信号的存在，驱动BMSCs分化命运转变，即成脂分化增强而成骨分化减少，从而导致骨量减少、骨微结构破坏和MAT堆积。事实上，在多种临床病理情况下，如肥胖、糖尿病、神经性厌食症、糖皮质激素治疗、放疗、更年期和衰老，骨量减少常伴随着MAT的异常扩增。然而，这些异常扩增的BMAds如何介导骨髓驻留细胞行为的确切机制仍然难以确定。BMAds位于骨髓微环境中，与血管和造血系统密切接触。2014年Ralf Adams教授课题组在Nature上发表“背靠背”研究论文，证实骨组织中存在一种特异性血管亚型——H型（CD31hiEMCNhi）血管，它们与骨祖细胞关联，支持骨形成，H型血管异常与衰老和绝经后的骨质疏松症发生发展相关。BMAds可分泌多种分泌因子，包括leptin、脂联素（adiponectin）和干细胞因子（SCF）等，从而参与骨髓微环境中骨生成、血管形成和造血功能的稳态维护。因此，BMSCs分化命运的改变（成骨减少、成脂增加）和血管形成障碍是导致骨质疏松症的重要影响因素。然而，这些同时发生的具体调控机制仍有待深入阐明。在本研究中，研究人员发现在高脂饮食介导肥胖和卵巢切除介导雌激素缺乏的病理条件下，小鼠主要表现为骨量减少伴随骨髓脂肪细胞数量增加；同时，骨骺端生长板下H型血管密度降低且血管结构和形态异常，以及周围成骨前体细胞数量明显减少。以转录因子ESRRA为研究对象，利用Adiponectin-Cre工具鼠构建了成熟脂肪细胞特异性ESRRA敲除小鼠模型。通过系统的骨形态计量学和组织学分析，发现条件性敲除脂肪细胞Esrra基因能够明显增加骨微环境中骨祖细胞数量，促进骨形成，并且增强骨髓H型血管形成，从而明显改善骨质丢失。进一步机制研究发现，骨髓脂肪细胞中ESRRA直接与leptin基因启动子上的ESRRA反应元件（ERRE）结合，增强其转录表达和分泌。此外，ESRRA干扰E2/ESR1驱动的Spp1启动子激活，从而下调SPP1的表达和分泌。条件性敲除ESRRA后，通过抑制脂肪细胞leptin的表达和分泌，增强骨髓LepR+BMSCs的成骨分化，进而抑制BMAds的扩增。同时，BMAds或白色脂肪细胞分泌的SPP1可锚定骨髓，发挥促血管内皮细胞迁移和血管新生的作用，同时增加骨祖细胞在骨骺端 H 型血管周围的聚集和分化，最终促进骨形成。脂肪细胞ESRRA调控leptin和SPP1表达及分泌影响骨质疏松病理性微环境的骨髓脂肪扩张和成骨成血管作用研究结果表明了脂肪细胞ESRRA可通过调控BMSCs成骨成脂分化方向以及H型血管的形成，改善肥胖/雌激素缺乏所导致的骨丢失。因此，进一步建立高脂诱导肥胖和骨丢失小鼠模型，并喂食ESRRA特异性拮抗剂Compound 29。实验结果显示，经治疗后的小鼠骨形成能力显著增强，骨髓脂肪细胞显著减少，有效抵抗肥胖小鼠的骨丢失和BMAds异常扩增。综上所述，该研究揭示了病理性骨微环境中，脂肪细胞ESRRA调控分泌因子影响BMSCs成骨成脂分化命运及血管内皮细胞的血管生成，提示骨髓脂肪细胞ESRRA是潜在的药物靶点，为治疗骨质疏松症等骨疾病提供了新途径。

2024-06-05