2017年,中國科學家已發表9篇NSC論文!表現最突出的大學竟然是…

　　導讀

　　《自然》（Nature）、《科學》（Science）和《細胞》（Cell），是當前國際上最頂尖的學術期刊。

　　2017年剛剛了過去一個多月，中國科學家已在這三份期刊發表了9篇研究性論文，勢頭強勁！（內容來源於微信公眾號青塔 ID：cingta-com）

　　隨著近年來科研經費的持續增加，中國基礎科學研究進步明顯，在國際頂尖學術期刊上中國科學家發表的高水平學術論文也越來越多，部分研究領域經常會有重大突破性進展。

　　《自然》（Nature）、《科學》（Science）和《細胞》（Cell）作為目前國際上最頂尖的學術期刊，每期發表文章數量都很少，發表文章基本也代表了相關領域的頂尖研究成果。儘管2017年剛剛了過去一個月左右，中國科學家已經發表9篇研究性論文，勢頭非常強勁。

　　2017年以來中國科學家發表的9篇NSC論文中，北京大學表現最為突出，作為第一完成單位發表2篇Science，此外，北京大學和清華大學還合作發表一篇Cell。其他高校和科研單位中，南京理工大學、中科院上海植物生理生態研究所和南京農業大學各發表一篇Science，西北大學和中山大學各發表一篇Nature，中科院生物物理研究所發表一篇Cell。

　　從發表論文的通訊作者來看，不僅有兩院院士、國家傑青獲得者等大牛科學家，還包括了3位青年千人入選者，可見青年人才科研成果產出正在快速增加。而從研究領域來看，除了生命科學和醫學學科外，還包括化工、信息科學等學科領域。本期我們就一起來看看中國科學家發表的這9篇頂尖論文。

　　北京大學青年千人李晴研究組在Science發表論文

　　2017年1月27日，北京大學生命科學學院、北京大學-清華大學生命科學聯合中心研究員李晴研究組在DNA複製偶聯的核小體組裝的機制方面做出重要突破，該成果在線發表在國際權威學術期刊《科學》（Science）上（RPA binds histone H3-H4 and functions in DNA replication–coupled nucleosome assembly ）。

　　該工作發現單鏈DNA結合蛋白RPA通過結合組蛋白H3-H4，形成一個高效的平臺遞呈組蛋白到新合成子鏈起始核小體組裝。這一發現揭示一條全新的DNA複製和核小體組裝的偶聯機制，大大促進染色質複製領域的發展。

　　北京大學2011級PTN博士生劉少鋒、2014級生命科學學院博士生徐至韻和2014級前沿交叉學院博士生冷赫為本文的共同第一作者。生命科學學院李晴研究員為該論文的通訊作者。美國Weill Cornell Medical College和Houston Methodist Hospital的Kaifu Chen博士參與指導了這項研究的生物信息數據分析。該研究工作得到了國家自然科學基金委、國家青年千人計劃、北京大學-清華大學生命科學聯合中心、北京大學蛋白質與植物基因研究國家重點實驗室等的經費支持。論文連結：

　　http://science.sciencemag.org/content/355/6323/415

　　北京大學彭練矛-張志勇課題組在Science發表成果

　　北京大學彭練矛教授（左）和張志勇教授（右）

　　2017年1月20日，北京大學彭練矛-張志勇課題組在5nm碳納米管CMOS器件重要研究成果在線發表在著名學術期刊《科學》（Science）上。

　　集成電路發展的基本方式在於，在電晶體尺寸縮減的前提下，研製性能更強大、集成度更高、功能更複雜的晶片。目前，主流CMOS（互補金屬氧化物半導體）技術將達到10 nm（納米）的技術節點，後續由於受到來自物理規律和製造成本的限制而很難繼續提升，「摩爾定律」可能面臨終結。20多年來，科學界和產業界一直在探索各種新材料和新原理的電晶體技術，以期替代矽基CMOS技術，然而迄今為止，尚未實現10 nm新型CMOS器件，也沒有新型器件能夠在性能上真正超越最好的矽基CMOS器件。

　　碳納米管被認為是構建亞10 nm電晶體的理想材料，其原子量級的管徑保證器件具有優異的柵極靜電控制能力，更容易克服短溝道效應；超高的載流子遷移率則保證器件具有更高的性能和更低的功耗。理論研究表明，碳管器件相對於矽基器件來說，在速度和功耗方面具有5～10倍的優勢，有望滿足「後摩爾時代」集成電路的發展需求。可是，2014年國際商用機器公司（IBM）所實現的最小碳管CMOS器件僅停滯在20 nm柵長，性能也遠遠低於預期。

　　北京大學信息科學技術學院、納米器件物理與化學教育部重點實驗室彭練矛-張志勇教授課題組在碳納米管電子學領域進行了十多年的研究，發展了一整套高性能碳管CMOS電晶體的無摻雜製備方法，通過控制電極功函數來控制電晶體的極性。

　　北京大學信息學院博士後邱晨光為第一作者，張志勇、彭練矛為共同通訊作者。研究成果不僅表明在10 nm以下的技術節點，碳納米管CMOS器件較矽基CMOS器件具有明顯優勢，且有望達到由測不準原理和熱力學定律所決定的二進位電子開關的性能極限，更展現出碳納米管電子學的巨大潛力，為2020年之後的集成電路技術發展和選擇提供了重要參考。論文連結：

　　http://science.sciencemag.org/content/355/6322/271

　　北京大學陳雷研究組與清華大學高寧研究組聯合發表一篇Cell

　　2017年1月12日，北京大學分子醫學研究所、北京大學-清華大學生命科學聯合中心研究員陳雷研究組與清華大學生命科學學院高寧研究組合作，在《細胞》雜誌發表題為《胰島細胞ATP敏感的鉀離子通道u結構》（Structure of a Pancreatic ATP-sensitive Potassium Channel）的文章，解析了ATP敏感的鉀離子通道（KATP）的中等解析度（5.6 ）冷凍電鏡結構，揭示了KATP組裝模式，為進一步研究其工作機制提供了結構模型。

　　生物體進化出多種方式來感知細胞內能量狀態，從而維持能量穩態。KATP通道可以在細胞內ATP水平升高時關閉，從而使鉀離子無法外流，進而使膜的興奮性增加。通過這種方式，它們將細胞內的代謝水平轉化為電信號。這些離子通道廣泛地分布於很多組織中，並且參與多種生命過程。在胰島β細胞中，KATP可以間接地感受血糖濃度，控制胰島素的釋放：當血糖升高時，由於β細胞對血糖的主動攝取和代謝，細胞內ATP濃度升高，ATP直接結合在KATP上並抑制其活力，使鉀離子無法外流，導致細胞膜的去極化，從而激活電壓門控的鈣離子通道，進而導致鈣離子的內流。鈣離子濃度的升高會引起胰島素的釋放，從而降低血糖濃度。KATP的突變會導致很多遺傳性代謝疾病。例如，KATP的抑制劑可以用於治療二型糖尿病，其激活劑可以用於治療高胰島素症。

　　陳雷和高寧為本文共同通訊作者，北京大學CLS項目博士後李寧寧（生命科學學院）和吳驚香（分子醫學所）為本文的共同第一作者。該工作最終的冷凍電鏡數據採集在國家蛋白質科學設施（北京）的清華大學冷凍電鏡平臺完成，數據處理在國家蛋白質科學設施（北京）清華大學高性能計算平臺完成。部分的數據處理也得到了北京大學CLS計算平臺的支持。此外，國家蛋白質科學設施（上海）和生物物理所冷凍電鏡平臺在前期的工作中給予一定支持。本工作獲得國家自然科學基金委、科技部重點研發計劃、北京大學-清華大學生命科學聯合中心、青年千人計劃、北京市結構生物學高精尖創新中心等的經費支持。論文連結如下：

　　http://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(16)31744-5

　　南京理工大學胡炳成團隊Science發表突破性研究成果

　　2017年1月27日，南京理工大學化工學院胡炳成教授團隊成功合成世界首個全氮陰離子鹽，佔領新一代超高能含能材料研究國際制高點。相關研究論文發表在國際頂級期刊Science上，這也是我國在Science上發表的含能材料領域第一篇研究論文。

　　新型超高能含能材料是國家核心軍事能力和軍事技術制高點的重要標誌。全氮類物質具有高密度、超高能量及爆轟產物清潔無汙染等優點，成為新一代超高能含能材料的典型代表。目前，該領域的研究熱點之一是全氮陰離子的合成。由於製備全氮陰離子的前驅體芳基五唑穩定性較差，加上全氮陰離子自身不穩定，致使採用常規方法獲取全氮陰離子非常困難。自1956年芳基五唑被首次合成以來，製備穩定存在的全氮陰離子及其鹽的研究一直沒有取得實質性進展。

　　南京理工大學化工學院胡炳成教授團隊經過多年研究，解決了這一困擾國際含能材料研究領域達半個多世紀的世界性難題，在全氮陰離子的合成中取得了重大突破性進展。他們創造性採用間氯過氧苯甲酸和甘氨酸亞鐵分別作為切斷試劑和助劑，通過氧化斷裂的方式首次製備成功室溫下穩定全氮陰離子鹽。熱分析結果顯示這種鹽分解溫度高達116.8 ℃，具有非常好的熱穩定性。

　　全氮陰離子鹽的成功製備，是全氮類物質研究領域的一個歷史性突破，為全氮陰離子高能化合物的製備奠定了堅實基礎，對於全氮類物質的合成應用以及全氮含能材料的發展具有重要的科學意義。論文連結：

　　http://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aah3840

　　中山大學青年千人高嵩教授在Nature發表重要成果

　　2017年1月23日，中山大學華南腫瘤學國家重點實驗室高嵩教授在Nature上發文提出Mfn1介導線粒體栓連的機制性模型。

　　線粒體是一個高度動態化的雙層磷脂膜包裹的細胞器，需要不斷地進行融合和分裂才能維持正常的生理功能。介導線粒體外膜融合的dynamin樣的GTP酶首先在黑腹果蠅(fuzzy onions, Fzo)和釀酒酵母(Fzo1)中被鑑(Hales and Fuller, 1997; Hermann et al., 1998; Rapaportet al., 1998)。稍晚時候，兩個同源蛋白Mfn1和Mfn2在哺乳動物中被報導(Santel and Fuller, 2001; Rojo et al., 2002)。在鼠中刪除Mfn1和Mfn2的任意一個可引起胚胎致死和線粒體片段化。人體中Mfn2上的突變可導致一種經典的軸突末梢感覺運動神經病變——CMT2A (Charcot-Marie-Tooth type 2A )。

　　Mfn1和Mfn2具有相同的拓撲學結構，帶有兩個空間上緊密相連的跨膜區，N末端和C末端部分均朝向細胞溶質。N端部分含有GTP酶結構域，後面緊跟著一個七肽重複膜序(HR1)，C端含有HR2。現在的線粒體外膜融合模型一般認為位於線粒體表面的Mfn發生順式二聚化(cis-dimerization)，進而促使毗鄰的線粒體外膜發生反式栓連(trans-association)。Mfn栓連線粒體外膜的見解最先來自於Mfn1 C末端HR2的晶體結構。結構顯示這一區域與另一個HR2二聚化形成一個反平行的兩股螺旋(coiled coil)。所以，HR2對於膜融合之前的線粒體栓連是必需的。儘管如此，Mfn介導外膜融合的具體機制仍然不是很清楚，只是知道融合過程依賴於Mfn GTP酶結構域對GTP酶的水解過程。其中，最根本的原因還是缺少Mfn的高解析度三維結構。

　　中山大學高嵩教授帶領的研究團隊精心設計了一個用於結構解析的Mfn1，含有GTP酶(G)結構域和HR1的前半部分和HR2的後半部分。在此基礎上，該研究團隊成功解析了處於不同GTP酶水解階段的Mfn1的晶體結構。結構由GTP酶結構域和一個四股螺旋束組成(稱為HD1)。因而，整體上Mfn1具有典型的動力蛋白(dymamin)超家族成員拓撲結構。除了G結構域之外，HD1尤其與被認為介導細菌膜融合的細菌動力蛋白樣蛋白BDNP(bacterial dynamin-like protein)的頸部一致。通過分析，Mfn1結構中缺少的截短部分很可能摺疊成類似於BDNL對應部分的螺旋結構，因而將此部分稱為HD2。

　　與處於其它狀態的結構不同，在過渡態類似物GDP AlF4-存在的情況下，Mfn1是一個二聚化的結構。這一些列結構揭示了Mfn1催化機制的獨特的特色和在過渡態下GTP的結合是如何有道構像的變化進而促進了G結構域的二聚化。基於結構的突變分析揭示了擾亂了G結構域二聚化的擾亂廢除了Mfn1的融合活性。而且，研究發現Mfn1中的一個保守的天冬氨酸trigger(Asp189)很可能是通過依賴於GTP-load的結構域重排機制來影響線粒體的延長。高教授研究團隊據此提出了Mfn1介導線粒體栓連的機制性模型，進而為線粒體外膜融合機制的分子基礎提供了新的見解。論文連結：

　　http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature21077.html#affil-auth

　　中科院生物物理研究所王豔麗課題組發表一篇Cell

　　2017年1月12日，Cell 雜誌發表了中科院生物物理研究所王豔麗課題組關於Ⅵ型CRISPR-Cas系統的效應蛋白C2c2的結構研究。標題為「Two Distant Catalytic Sites Are Responsible for C2c2 RNase Activities」。該研究解析了Leptotrichia shahii（Lsh）細菌中C2c2與crRNA (CRISPR-RNA) 的二元複合物以及C2c2在自由狀態下的晶體結構，揭示了LshC2c2通過兩個獨立的活性結構域來發揮其兩種不同的RNA酶切活性，這為研究C2c2發揮RNA酶活性的分子機制提供了重要的結構生物學基礎。

　　CRISPR/Cas系統是古菌和細菌的抵抗病毒和質粒侵染的重要免疫防禦系統。CRISPR-Cas系統劃分為兩大類，第一大類CRISPR-Cas系統由多亞基組成的效應複合物發揮功能；第二大類是由單個效應蛋白（如Cas9, Cpf1, C2c1等）來發揮功能。其中，Cas9, Cpf1, C2c1均具有RNA介導的DNA核酸內切酶活性。目前，Cas9和Cpf1蛋白作為基因組編輯工具被廣泛應用，克服了傳統基因編輯技術步驟繁瑣、耗時長、效率低等缺點，以其較少的成分、便捷的操作以及較高的效率滿足了大多數領域的基因編輯需求，並有著潛在且巨大的臨床應用價值。

　　2015年，一種全新的第二類CRISPR-Cas系統-Ⅵ型系統被發現，該系統中的效應蛋白被命名為C2c2。而後的研究進一步發現，Ⅵ型CRISPR-Cas系統是一種新型靶向RNA的CRISPR系統，而C2c2是一種以RNA為導向靶向和降解RNA的核酸內切酶，有望被開發作為RNA研究的工具，擴展CRISPR系統在基因編輯方面的運用。

　　王豔麗課題組通過深入的研究，解析了C2c2與crRNA的二元複合物的晶體結構以及C2c2蛋白的晶體結構，揭示了C2c2包含一個crRNA識別的葉片即REC葉片，和一個核酸酶葉片即NUC葉片。REC葉片包含NTD結構域（N-terminal domain）和Helical-1結構域，NUC葉片包含了兩個HEPN結構域、Helical-2結構域以及連接兩個HEPN結構域的連接結構域。負責切割前體crRNA和靶標 RNA的活性口袋分別位於Helical-1和HEPN結構域上。crRNA的結合會引起C2c2蛋白的構象變化，這種變化很可能會穩定crRNA的結合，進而對識別靶標RNA起著重要作用。該研究通過結構和生化研究揭示了C2c2剪切pre-crRNA以及切割靶標 RNA的分子機制，對認識細菌抵抗RNA病毒入侵的分子基礎具有十分重要的意義。同時也為改造CRISPR-C2c2系統，為其在基因編輯領域的運用提供了強有力的結構基礎，有助於加速對病毒感染引發的疾病的理解、治療和預防。

　　中國科學院生物物理所王豔麗研究員為本文的通訊作者。王豔麗課題組的劉亮（博士後）為本文的第一作者，該研究得到科技部、國家自然科學基金以及中國科學院戰略性先導科技專項（B類）的資助，上海同步輻射光源（SSRF）以及日本同步輻射光源SPring-8為該研究提供了重要的技術支持。論文連結：

　　http://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(16)31747-0

　　中科院上海植物生理生態研究所何祖華團隊發表一篇Science

　　稻瘟病是水稻最重要的病害之一，對水稻的生產威脅極大，嚴重的情形下可致水稻大面積減產甚至顆粒無收，所以通常在審定水稻新品種時除了高產優質之外，抗稻瘟病能力鑑定通常是不可或缺的關鍵環節。目前市場上的水稻品種通常是一些高產量、口感好但是易感稻瘟病的品種，推廣上稍有不慎有可能導致農民損失摻重，這類事件媒體多有報導，那麼培育一種既能抗擊稻瘟病同時又不影響水稻產量和品質的品種顯得非常重要。

　　2017年2月2日，中科院上海植物生理生態研究所何祖華研究員團隊與合作者在Science發表了題為「Epigenetic regulation of antagonistic receptors confers rice blast resistance with yield balance」的研究論文，該研究成功克隆了持久廣譜抗稻瘟病基因Pigm，並揭示了水稻廣譜抗病與產量平衡的表觀調控新機制。通過運用傳統雜交手段將這一關鍵抗病基因整合到其它水稻品種中能夠獲得同時兼具高抗稻瘟病、高產優質的新品種，據悉該水稻新品種目前正在參加國家水稻品種審定，因此該研究不僅在理論上擴展了植物免疫與抗病性機制的認識，也為作物抗病育種提供了有效的新工具。論文連結：

　　http://science.sciencemag.org/content/early/2017/02/01/science.aai8898

　　除了以上提到的7篇頂尖論文外，青塔之前還報導了西北大學早期生命研究團隊在Nature上發表的重要研究成果以及南京農業大學王源超教授團隊在Science的成果。

　　西北大學早期生命研究團隊發表一篇Nature

　　倫敦時間2017年1月30日16時在線提前出版的英國《自然》雜誌（Nature），以封面亮點文章的形式，發表了西北大學早期生命研究團隊和劍橋大學、中國地質大學（北京）等單位合作研究的重要成果——《陝西寒武紀最早期的微型後口動物》。

　　西北大學地質學系韓健研究員等在陝西南部寬川鋪生物群中微型動物化石的研究中，發現了最古老的原始後口動物——冠狀皺囊動物。這種成體僅1毫米的微型動物，被認為代表著顯生宙最早期的微型人類遠祖至親。

　　【冠狀皺囊動物腹面和側面】

　　這一發現，將對人類早期祖先的認知，由距今5.2億年前推至5.35億年前（十分接近顯生宙起點），其體積則也由「釐米級」推至「毫米級」。論文連結：

　　http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/abs/nature21072.html

　　南京農業大學王源超教授團隊發表一篇Science

　　北京時間2017年1月13日凌晨2點，科學雜誌Science以研究長文Research Article在線發表了南京農業大學王源超教授團隊關於作物疫病發生機制的突破性成果，該成果揭示了病原菌攻擊宿主的全新致病機制「誘餌模式」（DECOY），為改良作物的持久抗病性提供了重要的新方向。

　　該團隊在稍早的研究中，還發現植物能夠利用細胞膜上的受體識別XEG1，啟動基礎水平的抗性，但是病原菌又可以分泌效應子到寄主胞內幹擾其抗性（Plant Cell,2015）。由於糖基水解酶XEG1在卵菌、真菌和細菌中廣泛存在，因此這一發現為開發能誘導植物廣譜抗病性的生物農藥提供了重要的理論基礎。論文連結：

　　http://science.sciencemag.org/content/early/2017/01/11/science.aai7919

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