7篇！施一公等科学家发力，国内高校CNS论文继续大爆发

最近几年，国内高校基础科学研究方面进步明显，其中一个突出标志就是在以Nature、Science和Cell为代表的国际顶尖期刊上发文数持续增加。2019年2月底，国内学者甚至一次性连发6篇Nature研究论文，创造了前所未有的新纪录。进入3月份，这种势头依然不减。仅从本周来看，国内高校就在三大期刊上发文8篇，其中包括4篇Nature、1篇Science和2篇Cell，这些研究成果主要由国内高校完成，包括清华大学、南京大学、山东大学、南昌大学、西湖大学以及中山大学等。值得一提的是，施一公教授在最新Cell文章中，报道了2.9–3.8 Å酵母剪接体的B*复合物Cryo-EM结构，完成了剪接催化过程中几个主要步骤的最后一块拼图。至此，施一公研究组成为世界上首个、也是唯一一个成功捕获并解析了RNA剪接过程中所有完全组装剪接体高分辨率三维结构系列成果的团队。南昌大学国际有序物质科学研究院和东南大学江苏省分子铁电科学与应用重点实验室科研人员熊仁根教授等在分子压电领域取得重要进展，通过固溶体准同型相界的概念，将分子晶体d33压电系数提升至前所未有的1500pC/N，一举超越业界广泛应用的无机压电陶瓷PZT，文章在线发表在最新的Science。此外，山东大学、西湖大学、中山大学等其他学者发表的研究成果也都在科学上具有重要意义，值得关注。2019年3月15日，中国科学院院士、西湖大学校长、清华大学教授施一公团队就剪接体的机理与结构研究，于《细胞》（Cell）杂志发表题为《催化激活状态的酵母剪接体结构揭示RNA剪接分支反应的机理》（Structures of the Catalytically Activated Yeast Spliceosome Reveal the Mechanism of Branching）的科研论文，揭示了剪接体第一步剪接反应前的瞬变状态——催化激活剪接体（catalytically activated spliceosome，定义为“B*复合物”）4个不同构象的高分辨率三维结构，这是目前RNA剪接循环中最后一个未被解析的基本状态。至此，施一公研究组成为世界上首个、也是唯一一个成功捕获并解析了RNA剪接过程中所有完全组装剪接体高分辨率三维结构系列成果的团队。该文报道的这4个同一状态却不同构象的剪接体结构，整体分辨率为2.9埃-3.8埃，核心区域的分辨率高达2.7埃，是目前报道的最高分辨率剪接体结构，该结构首次揭示了第一步剪接反应发生过程中的动态变化，展现了剪接因子对于剪接反应发生的重要作用，第一次从结构信息中回答了剪接体对不同pre-mRNA底物识别的特异性等重要科学问题。清华大学结构生物学高精尖创新中心主任施一公教授为本文的通讯作者；清华大学医学院博士后、高精尖创新中心卓越学者万蕊雪、生命学院四年级博士研究生白蕊为该文的共同第一作者，清华大学生命学院博士后、高精尖创新中心卓越学者闫创业为结构模型的搭建提供了帮助；清华大学冷冻电镜平台主管雷建林博士为冷冻电镜数据收集提供了帮助。电镜数据采集于清华大学冷冻电镜平台，计算工作得到清华大学高性能计算平台、国家蛋白质设施实验技术中心（北京）的支持。本工作获得了北京结构生物学高精尖创新中心（清华）及国家自然科学基金委的经费支持。原文链接https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30155-22019年3月13日，清华大学陈柱成、李雪明课题组在《自然》（Nature）杂志上在线发表题为 《Snf2介导的染色质重塑中DNA滑移机理的研究》（Mechanism of DNA translocation underlying chromatin remodeling by Snf2）的研究论文。该工作解析了不同核苷酸状态下Snf2-核小体复合物的冷冻电镜结构，揭示了染色质重塑的机理。SWI/SNF家族蛋白利用ATP水解产生的能量移动核小体在基因组DNA的位置，重塑染色质。这对于控制遗传物质的开放性，调节基因转录等方面发挥重要作用。陈柱成实验室近期报道了Snf2与核小体结合的结构 (Liu, Nature 2017)。但这个早期的工作并没有明确检测到DNA移位。 染色质重塑蛋白如何利用ATP水解的能量推动核小体滑移依然是一个让人困扰的难题。在这个研究基础上，陈柱成继续与李雪明实验室合作，利用冷冻电镜技术，进一步确定了在不同核苷酸（ADP和ADP-BeFx）状态下Snf2-核小体复合物的高分辨结构（图1）。他们发现在一个ATPase循环过程中，Snf2存在打开-闭合的构象变化。在打开状态下，Snf2在核小体结合点(SHL2)引起1bp DNA的凸起，这个形变沿DNA链向入口端传递，使得 1bp DNA被拉入核小体。而且DNA前导链比后随链有更明显的移动，显示DNA的“扭曲－滑移”运动。ADP-BeFx的结合导致酶构象闭合，核小体恢复到自然状态，没有明显的扭曲。Snf2介导的这种DNA运动模式超出一般想象。为了确认这些实验结果，陈柱成与中科院物理所李明实验室合作，利用单分子荧光技术(smFRET)确认了溶液状态的DNA运动与冷冻电镜结构一致。最后，研究者提出了染色质重塑的两步走”DNA波”模型：第一步，ATP水解，Snf2张开，把DNA从入口端拉进，并在SHL2处储存1bp DNA形变（“DNA波”）；第二步，ATP结合，Snf2关闭，使得DNA形变向出口端传递，就像水波沿湖面传递一样,最终实现DNA对组蛋白的相对移动。这个模型表明Snf2水解一个ATP，移动1bp DNA。同时也解释了DNA移动的方向性机制。总之，本论文解答了染色质重塑过程中DNA移位的基本原理，相信此研究结果在染色质领域会有非常广泛的影响。清华大学结构生物学高精尖创新中心陈柱成研究员、李雪明研究员以及中科院物理所李明研究员为本文共同通讯作者 （图2）。清华大学生博士生李美静，夏显，田元元和刘晓玉，以及中科院物理所博士生贾棋为本文共同第一作者。本课题由中国科技部，自然科学基金委提供经费支持，并得到清华-北大生命科学联合中心，北京结构生物学高精尖创新中心的资助。全文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1029-23月15日，山东大学生殖医学研究中心在减数分裂领域取得重大突破，研究成果“Per-nucleus crossover covariation and implications for evolution”发表于国际权威学术杂志Cell。该研究发现并解析了交叉重组频率在同一减数分裂细胞的不同染色体之间协同变化这一重组调控新机制，揭示其在生物进化适应中的重要作用，并且为深入研究染色体结构与重组之间的关系及重组对生物进化适应的影响，提供了新思路。生殖医学研究中心王顺心教授为该文章的第一兼共同通讯作者，张亮然教授为共同通讯作者，山东大学为第一作者单位和通讯作者单位。减数分裂是有性生殖的必经过程。精子和卵细胞必须经过减数分裂才能产生。减数分裂过程要发生同源染色体配对、联会和重组等复杂的事件。交叉重组（crossover）是减数分裂的核心事件。交叉重组建立同源染色体之间的物理连接，保证染色体正确分离；同时会引起双亲遗传物质相互交换，增加物种的遗传多样性。如果交叉重组不能形成或者其数目/分布异常，则会导致配子无法形成或产生异常配子。但是，人们对减数分裂交叉重组调控的分子机制，及其在生物进化适应中的意义，还缺乏深入了解。王顺心教授与张亮然教授等，对人及多种真核生物减数分裂交叉重组进行研究发现，同一细胞内各条染色体之间在重组频率上存在协同变化。即同一细胞内如果一条染色体具有较高（低）的重组频率，那么该细胞内其余每条染色体都倾向于具有较高（低）的重组频率，最终导致该细胞具有较高（低）的重组频率。进而揭示，不同染色体之间交叉重组频率的协同变化，源于染色体轴长度的协同变化。交叉重组频率的协同变化增加了不同减数分裂细胞之间及由其产生的不同配子之间重组频率的差异。具有较高重组频率的配子含有较多新的基因组合，由其产生的个体将获得更多新的性状，在环境改变时具有更好的适应能力；具有较低重组频率的配子能保持亲本的有益性状，由其产生的个体在环境稳定时能更好地生存繁衍。这是王顺心教授和张亮然教授在Cell杂志联合发表的第2篇减数分裂研究论文。2017年3月，两位教授在Cell杂志发表了题为“Inefficient crossover maturation underlies elevated aneuploidy in human female meiosis”的原创论文，发现女性减数分裂存在特异的“交叉重组成熟缺陷”，并阐明该“缺陷”是造成女性高频率的染色体分离错误，进而导致高频率的非整倍体卵细胞和胚胎的根本原因，被F1000评为女性减数分裂染色体错误分离机制研究的重大突破（a major breakthrough）。两位教授的研究成果再次发表于Cell，标志着他们在减数分裂领域的研究走在国际前列。王顺心，山东大学生殖医学研究中心教授，山东大学“齐鲁青年学者”，山东省“泰山学者”青年专家。主要从事减数分裂分子机制，以及减数分裂异常导致的不孕不育分子机理的研究。张亮然，山东大学生殖医学中心教授。主要从事减数分裂同源重组的分子机制、染色体不稳定性的分子机制等研究。文章链接：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30203-X北京时间3月15日，Science在线发表南昌大学国际有序物质科学研究院和东南大学江苏省分子铁电科学与应用重点实验室科研人员在分子压电领域取得的重要进展，通过固溶体准同型相界的概念，将分子晶体d33压电系数提升至前所未有的1500pC/N，一举超越业界广泛应用的无机压电陶瓷PZT。据了解，这篇题为A Molecular Perovskite Solid Solution with Piezoelectricity Stronger than Lead Zirconate Titanate的论文，是中国团队在分子铁电压电领域第四篇Science，是继发现高温分子铁电体、优异分子压电体、不含金属的三维钙钛矿结构铁电体之后的又一力作，也是团队在南昌大学所取得的重要阶段性成果。压电效应最早由居里兄弟在十九世纪末发现，可通过应变产生电荷，或通过电场产生形变，因而广泛应用于传感器、换能器、驱动器等技术领域。上世纪四十年代所发现的钙钛矿结构钛酸钡，因其优越性能，在二战战场得到应用，推动了压电材料的发展。1954年，Jaffe等人发现无机陶瓷固溶体锆钛酸铅 (PZT)的准同型相界 （Morphotropic Phase Boundary），其压电系数d33（200-750 pC/N）可以达到单一组分钛酸铅（PbTiO3）的（47pC/N）十几倍，是当前最重要的压电材料，六十余年没有改变。但PZT含铅，而且无机陶瓷固溶体柔韧性差、密度大、需要高温烧结，因此材料学者一直孜孜不倦地寻求PZT的替代品，特别是具有柔性、轻量、易于合成、生物兼容性好等优点的分子替代品。而发展分子固溶体，特别是寻求其可能的准同型相界，则很有可能是行之有效的一条途径。设计性能优异的分子压电固溶体首先要在单一组分分子压电材料有所突破。2017年，江苏省分子铁电科学与应用重点实验室的研究人员设计合成了d33高达220pC/N的分子钙钛矿三甲基氯甲基铵三氯化镉（TMCM-CdCl3），d33可以和钛酸钡（190pC/N）相媲美（Science2017, 357, 306）。以此为基础，南昌大学国际有序物质科学研究院的研究人员根据居里对称性原理和相似相容原理发现三甲基氟甲基铵三氯化镉（TMFM-CdCl3）可以和TMCM-CdCl3 构筑分子钙钛矿固溶体(TMFM)x(TMCM)1-xCdCl3 （0≤ x ≤ 1），如上图所示。该固溶体在0.25≤ x ≤ 0.3时存在MPB，其d33是单一组分TMCM-CdCl3（220pC/N）的五到七倍，达到创纪录的1540pC/N！这一发现可谓压电领域颠覆性的突破，使柔性的分子压电材料在压电性能方面能够和硬的无机陶瓷压电材料相媲美，为将来准同型相界分子压电材料的科学与应用打开了广阔空间。同时，相似相容原理的利用为合成分子压电固溶体提供了一条有效的途径。这一工作得到国家自然科学基金项目的资助。来源链接：http://science.sciencemag.org/content/363/6432/1206当地时间2019年3月13日，Nature杂志在线发表了题为“Structure of the human LAT1-4F2hc heteromeric amino acid transporter complex”的研究论文，论文首次解析了人源异源多聚体氨基酸转运家族代表成员LAT1-4F2hc复合物在无底物结合状态和抑制剂BCH（2-amino-2-norbornanecarboxylic acid）结合状态下分辨率分别为3.3和3.5埃的电镜结构，为进一步理解该家族转运蛋白的工作机理、抑制剂的作用机制以及今后的药物研发提供了结构基础。西湖大学生命科学学院研究员周强为此文的通讯作者，清华大学博士生鄢仁鸿、赵馨为共同第一作者。氨基酸是构成蛋白质的基本单位，是生命的必需成分。人体氨基酸代谢异常会导致苯丙酮尿症、酪氨酸血症等多种疾病。异源多聚体氨基酸转运家族（HAT）是人体内负责氨基酸转运的重要家族。HAT由属于SLC7家族的轻链蛋白（例如LAT1）和属于SLC3家族的重链蛋白（例如4F2hc）通过二硫键连接在一起组成[1][2]。近年来，LAT1备受制药界的关注，因为多种研究显示，LAT1-4F2hc复合物在非小细胞肺癌、前列腺癌等多种癌细胞中有异常高的表达水平，其抑制剂BCH能够显著降低肿瘤细胞的生存能力，因此LAT1-4F2hc复合物被认为是重要的新型抗癌药物靶点。[3][4]在本项研究中，作者利用冷冻电镜技术首次解析了人源氨基酸转运蛋白LAT1-4F2hc复合物的高分辨率三维结构（图1），并且通过体外重组蛋白脂质体转运实验，首次确认4F2hc是LAT1行使底物转运功能所必需的，从而澄清了此前的争议。此外，作者鉴定出了LAT1转运通道上的多个关键位点，在此基础上提出了4F2hc协助LAT1进行底物转运的模型，为下一步抗癌抑制剂的开发提供了重要的结构基础。图1 LAT1-4F2hc复合物的(a)冷冻电镜密度图(b)拓扑结构图(c)原子模型值得一提的是，该复合物没有对称性，其可见区分子量不到100kDa，从而进一步突破了利用冷冻电镜研究膜蛋白的无对称性样品的分子量下限，拉开了利用冷冻电镜研究为数众多的跨膜转运蛋白结构与工作过程的序幕。此文的通讯作者周强，本科和博士均毕业于清华大学生物科学与技术系，师从著名的生物物理学家隋森芳院士，曾在清华大学医学院任副研究员。他长期从事冷冻电镜技术的学习和研究，与同事和合作者合作解析了多个重要生物大分子复合物或者膜蛋白的结构。2018年周强入职西湖大学。来源链接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1011-z周环反应是一类在反应过程中形成环状过渡态的协同反应，比如著名的[4+2]环加成反应（Diels-Alder反应）、Cope-重排反应、Claisen-重排反应等，这些反应在有机合成中有着广泛的应用。有意思的是，在自然界中也观察到了可催化这些著名周环反应的酶。早在1965年，Woodward和Hoffmann两位诺贝尔化学奖获得者就预测了[6+4]或其它高阶环加成反应可以发生，随后在有机合成中确实观察到了[6+4]反应，但自然界中是否存在着可催化[6+4]反应的酶仍然是个谜。南京大学戈惠明、谭仁祥和梁勇研究团队首次鉴定出能够催化[6+4]环加成反应的一类酶家族，相关成果“Enzyme-catalysed [6+4] cycloadditions in the biosynthesis of natural products”2019年3月13日在线发表在英国《自然》杂志上。南京大学助理研究员张博博士以及博士研究生王凯标、王文和汪欣为该论文共同第一作者。戈惠明、谭仁祥、梁勇以及加州大学洛杉矶分校的Kendall N. Houk教授为共同通讯作者。该团队在前期工作中，从海洋放线菌中发现了一个具有抗幽门螺旋杆菌活性的新颖大环内酯化合物命名为streptoseomycin，根据其结构推断，它在微生物体内的合成过程中可能涉及[4+2]环加成反应。为鉴定此过程，他们比较分析了streptoseomycin以及其结构类似物nargenicin的生物合成基因簇，推测一个未知功能的同源蛋白StmD、NgnD很有可能分别负责streptoseomycin和nargenicin中的环化反应。然而，敲除stmD基因并未得到预料中的环化产物前体3，而得到了线性化合物4和5，这很可能是化合物3环内双键较多，张力较大，自发水解开环所致。研究人员设计了一个在微生物体内验证StmD功能的实验，首先敲除了基因簇上大部分基因，仅留下聚酮合成酶基因，此突变株只产生化合物4；当将stmD基因回补回去时，得到了化合物6−8，其中化合物7不稳定，可经Cope重排转化成6。该结果表明，聚酮合成酶的直接产物是3，若无下游其它酶存在时，3将发生水解开环而生成4；若再引入StmD，则催化发生周环反应，奇怪的是，该酶不仅催化了[4+2]反应，也催化了[6+4]反应。随后，研究人员设计了两步串联的酶反应在体外来验证周环酶的催化功能。首先，通过聚酮合成酶上的硫酯酶结构域催化链状化合物4-SNAC环化形成3，当同时加入StmD或NgnD时，反应体系中观察到了化合物6−8的生成，确证StmD或NgnD可同时催化[4+2]和[6+4]反应。此外研究人员以StmD为探针从公共基因组数据库中，挖掘鉴定出了另外三个可催化此反应的酶。为了更好地理解[6+4]、[4+2]环加成反应和[3,3]-Cope重排反应之间的相互关系，研究人员通过密度泛函理论计算了反应的热力学和动力学。有趣的是，底物3越过单一过渡态后可歧化成两个方向，分别生成[6+4]、[4+2]反应产物，由于[6+4]化合物在热力学上更稳定，[4+2]产物可再经Cope重排自发转化成[6+4]产物。此理论计算结果与实验观察结果相吻合，进一步证明了之前的推断。最后，研究者获得了StmD、NgnD和101015D三个蛋白的晶体来进一步研究该反应的催化机理。通过分子对接、计算机模拟和点突变实验，阐明了此类新型环加成酶的反应机制。M69中富含电子的硫原子会特定的指向过渡态中部分带正电的双烯部分，从而产生有利的静电作用；同时反应物中部分带负电的三烯酯会与W67上的芳香环产生π–π堆叠相互作用，来稳定过渡态并加速整个反应的进行。此外，Y55和Y13也会通过分子间氢键和CH–π相互作用来催化反应。综上所述，研究人员巧妙设计实验，通过体内敲除基因、体外酶催化反应、量子化学计算、分子动力学模拟以及蛋白晶体的研究等，表征了首例可催化[6+4]/[4+2]环加成反应的酶。这类酶的发现将进一步拓展人们对周环反应酶的认识，启发科学家们将来利用和改造周环反应酶来实现有价值的分子转化。该研究得到了国家重点研发计划，国家自然科学基金委优青项目、重点项目，江苏省特聘教授计划等的资助，特别感谢南京大学配位化学国家重点实验室以及医药生物技术国家重点实验室，以及人工微结构科学与技术协同创新中心高性能计算中心和南京大学高性能计算中心提供的服务。来源链接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1021-x2019年3月13日，美国希望之城贝克曼研究所陈建军，芝加哥大学何川、中山大学杨建华及辛辛那提儿童医院黄刚共同通讯在Nature在线发表题为“Histone H3 trimethylation at lysine 36 guides m6A RNA modification co-tranionally”的研究论文，该研究揭示了Lys36（H3K36me3）的组蛋白H3三甲基化【转录延伸的标记】，指导m6A的沉积过程。有趣的是，该研究显示m6A修饰在H3K36me3峰附近富集，并且当细胞H3K36me3耗尽时，m6A在整体上减少。在机制上上，H3K36me3被METTL14直接识别和结合，METTL14是m6A甲基转移酶复合物（MTC）的关键组分，后者又促进m6A MTC与邻近RNA聚合酶II的结合，从而将m6A MTC递送至活跃转录的新生RNA。在小鼠胚胎干细胞中，H3K36me3耗尽也显著降低m6A转录丰度组范围，导致细胞干活性增加。总之，该研究揭示了H3K36me3和METTL14在确定mRNA中m6A的特异性和动态沉积中的重要作用，并揭示了涉及组蛋白修饰和RNA甲基化之间交流的另一层基因表达调控。转录组范围的m6A作图揭示了人和小鼠转录组中大约7,000个mRNA中m6A修饰的存在，并揭示了共有基序RRACH（其中R表示G或A; H表示A，C或U），其中A被转化为m6A。 尽管METTL3-METTL14甲基转移酶复合物在体外识别了RRACH基序，但这些基序中只有一部分在体内被甲基化，这种修饰通常发生在编码序列（CDS）和3'-非翻译区（UTR）。 如何选择单个转录物和特定位点以正确沉积m6A修饰仍不清楚。H3K36me3组蛋白修饰影响从头m6A RNA甲基化该研究报告Lys36（H3K36me3）的组蛋白H3三甲基化【转录延伸的标记】，指导m6A的沉积过程。有趣的是，该研究显示m6A修饰在H3K36me3峰附近富集，并且当细胞H3K36me3耗尽时，m6A在整体上减少。H3K36me3和MTC在m6A调节中的转录组互作在机制上上，H3K36me3被METTL14直接识别和结合，METTL14是m6A甲基转移酶复合物（MTC）的关键组分，后者又促进m6A MTC与邻近RNA聚合酶II的结合，从而将m6A MTC递送至活跃转录的新生RNA。在小鼠胚胎干细胞中，H3K36me3耗尽也显著降低m6A转录丰度组范围，导致细胞干活性增加。H3K36me3被METTL14识别并指导共转录的m6A修饰总之，该研究揭示了H3K36me3和METTL14在确定mRNA中m6A的特异性和动态沉积中的重要作用，并揭示了涉及组蛋白修饰和RNA甲基化之间交流的另一层基因表达调控。原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1016-7（来源：综合清华大学新闻网、南京大学新闻网、西湖大学微信公众号、iNature微信公众号、知社学术圈微信公众号等）科研管理新闻科研管理系统