大爆发！中国学者同时发6篇Nature

最近几年，随着国内科研水平的提高，中国基础科学研究进步显著，在很多领域都取得了非常多的研究成果，在国际顶尖学术期刊上中国科学家发表的高水平学术论文也越来越多，包括著名的Nature、Science、Cell等学术期刊。2019年开年，国内高校和科研机构三大期刊发文表现依然优异。2月28日（今天），Nature更新了最新的科研成果，中国学者实现大爆发，共发表6篇，包括以主要完成单位发表的4篇和参与单位发表的2篇。值得一提的是，今天，国内外三个课题组同时报道了开发电子拓扑材料目录这一重要研究成果，而且三个课题组都有国内学者的身影。三个课题组一个来自中国科学院物理研究所的科学家，一个来自南京大学和美国哈佛大学的科学家，还有一个来自美国的普林斯顿大学、西班牙巴斯克大学和德国马克斯-普朗克研究所的科学家。如何寻找一种拓扑材料？以前，在各类材料库的大海里，一种“鱼竿”只能“钓”出一种拓扑材料，“愿者上钩”；现在，“一张大渔网”就可以一网打尽，效率大大提高。2月28日，国际学术期刊《自然》正刊以《利用对称性指标进行拓扑材料全面搜索》为题，发表了这一重要研究——南京大学物理学院万贤纲教授的科研团队及其哈佛大学合作者，系统地大规模搜索了整个材料数据库，获得大量拓扑材料线索，并以此为基础设立了拓扑材料基因库。近年来，拓扑量子态是物理学和材料科学领域的前沿热点。2016年诺贝尔物理学奖授予了三位科学家，以表彰他们发现物质拓扑相以及在拓扑相变方面作出的理论贡献。随着新的拓扑相出现，人们发现，拓扑材料具有常规材料没有的奇特物性，在电子、信息和半导体技术等方面有很大潜力。目前，科学家主要通过计算拓扑不变量寻找各种拓扑相，这种方法效率较低，所以已知的拓扑材料数目十分有限。因而，发展新的理论方法，高效寻找理想的、有实用价值的拓扑材料体系有着重要的科学价值和广阔的应用前景。万贤纲教授团队埋首钻研，终于在搜索拓扑材料这个领域实现突破：基于对称指标理论，发展了一套新的高效寻找拓扑材料的理论方法。万贤纲介绍，具体来说，就是发展了一套非常高效的预测拓扑材料的方案。中国科学院院士、南京大学教授邢定钰表示，“这样高效的方案，很适合对晶体库进行地毯式搜索，从而得到拓扑材料基因库。”他认为，拓扑材料基因库将在未来给实验物理学家带来极大便利，将来的研究可以专注于基因库中的材料，而不必像以前那样“大海捞针”。据悉，万贤纲教授团队的一系列工作始于2017年8月，最开始计划去找寻当时非常新颖的高阶拓扑绝缘体。根据这一高效寻找拓扑材料的理论方法，万贤纲教授团队对所有非磁材料是否拓扑进行分类，发现近50%的材料都是拓扑材料。进而，他们把计算预言的10897种拓扑材料(含费米能级附近有能带交点的体系)的晶体结构信息及电子能带放在网站上，供同行参考与研究。他们还挑选了近一千个费米面比较干净或者能带交点离费米面较近的体系，预言进一步的研究将很可能从中挖掘出适合实际应用的理想拓扑材料。南京微结构国家实验室的博士研究生唐峰为第一作者。人工微结构科学与技术协同创新中心的姚舸工程师协助进行大规模计算和建设拓扑材料网站。“文章中给出的拓扑材料基因库，有望带来生机勃勃的后续实验或进一步理论探索。他们提出的高效拓扑材料搜索方法也适合其他体系，如声子系统、光子系统、磁性材料等。可以预期，大规模搜索与预测材料将成为凝聚态物理、材料科学的一种趋势，对相关领域发展将有积极推动作用。”邢定钰表示。值得提及的是，在《自然》正刊同期发表的还有中科院物理所一个研究团队和普林斯顿大学一个研究团队的相关工作，昭示出在拓扑新材料理论设计方面中国科研团队的优势地位。记者从中国科学院物理研究所获悉，该所一组科研团队开发出一种快速计算晶体材料的拓扑性质的新方法，并用此方法在近4万种材料中发现了8千余种拓扑材料，十几倍于过去十几年间人们找到的拓扑材料的总和，并据此建立了拓扑电子材料的在线数据库。成果于北京时间28日由国际权威学术期刊《自然》在线发表。这一成果意义重大。它改变了拓扑量子材料这一研究方向的研究范式，将该方向的重点从“寻找新材料”推进到“研究新材料”。拓扑量子材料被认为将在超低功耗电子元件的研究和量子信息等领域起到重要基础作用。因此，如何寻找更多的新拓扑材料也因此成为了国际凝聚态物理领域的重要问题。此前，物理所已进行了一系列探索，并在拓扑绝缘体、量子反常霍尔效应、外尔半金属等方面做出了重要贡献。团队的通讯作者之一、中科院物理所的方辰研究员介绍，在实验中直接测量拓扑性质是困难的，因此首先用计算的方法预测材料的拓扑性质，就成为了寻找拓扑材料的重要的一环。然而，在过去的研究中，由于不变量的表达式十分繁难，这一计算往往需要深耕于该领域的专家耗费大量时间精力才能完成。“手动搜索”的局限性，使得人们难以预测绝大部分材料的拓扑性质。物理所团队开发出了通过计算材料能带的对称性数据从而自动获得其拓扑不变量的一套完整的、快速的、可以全自动运行的计算流程。在经过该流程之后，任何一种非磁性晶体材料都将获得一个“拓扑标签”，写着它是否具有，以及具有哪些拓扑性质。大批拓扑量子材料在理论上的发现，改变了拓扑量子材料这一研究方向的研究范式，并给未来的实验研究提供了很多线索和机会。物理所成果由该所方辰研究员、翁红明研究员、方忠研究员等人与中国科学院计算机网络信息中心联合完成。所谓“英雄所见略同”，另有两个研究小组，也于同一天同一刊物上发表了他们的独立研究成果。其中一个小组是来自美国的普林斯顿大学、西班牙巴斯克大学和德国马克斯-普朗克研究所的科学家，另一小组是来自南京大学和美国哈佛大学的科学家。他们两个小组的工作内容，同样是通过计算能带高对称点的对称性数据从而得到材料的拓扑性质，方法和物理所研究小组采用的方法一致，三个研究组得到的结果也彼此相洽、相互印证。今天凌晨，中国科学家的一项重要成果在英国《自然》杂志在线发表，文章测定了早期肝细胞癌的蛋白质组表达谱和磷酸化蛋白质组图谱，发现了肝细胞癌精准治疗的潜在新靶点。该文章是由军事科学院军事医学研究院生命组学研究所、国家蛋白质科学中心（北京）、蛋白质组学国家重点实验室贺福初院士团队、钱小红研究员团队联合复旦大学附属中山医院樊嘉院士团队、北京大学肿瘤医院邢宝才教授团队在早期肝细胞癌蛋白质组研究领城取得的重大科研成果。文章测定了早期肝细胞癌的蛋白质组表达谱和磷酸化蛋白质组图谱，发现了肝细胞癌精准治疗的潜在新靶点。这是2014年国家科技部全面启动“中国人类蛋白质组计划”以来，国家蛋白质科学中心（北京）首席科学家贺福初院士以通讯作者在《自然》杂志发表的第2篇标志性成果。将早期肝细胞癌患者 分成三种蛋白质组亚型科研人员根据101例早期肝细胞癌及配对癌旁组织样本的蛋白质组数据，将目前临床上认为的早期肝细胞癌患者，分成三种蛋白质组亚型，而不同亚型的患者具有不同的预后特征，术后需要对应不同的治疗方案。其中，第一类患者仅需手术，要防止过度治疗；第二类患者则需要手术加其他的辅助治疗；而第三类患者占比30％，术后发生复发转移的危险系数最大，是最后的“硬骨头”。科研人员发现在第三类患者的蛋白质组数据里，胆固醇代谢通路发生了重编程，其中候选药靶胆固醇酯化酶的高表达具有最差的预后风险。通过抑制候选药靶——胆固醇酯化SOAT1，能减少细胞质膜上的胆固醇水平，有效抑制肿瘤细胞的增殖和迁移。将为发展新型抗癌药物提供了重要基础他们进一步研究发现，SOAT1的一种小分子抑制剂“阿伐麦布”在肝癌患者的人源肿瘤异种移植模型上表现出良好的抗肿瘤效果，表明“阿伐麦布”有望成为治疗预后较差肝细胞癌患者的潜在靶向治疗药物。研究团队首次发现胆固醇代谢途径重编程与肝细胞癌之间的直接联系，证实胆固醇酯化在肝癌发生中的重要意义，借助患者群蛋白质组学海量数据发现胆固醇酯化酶可用于早期肝癌的分型、预后及靶向治疗，其蛋白质水平在头颈癌、胃癌、前列腺癌、肾癌和甲状腺癌中均和患者的较差预后正相关，为发展新型抗癌药物提供了重要基础。记者获悉，中国是国际蛋白质组计划的重要参与者，也是人类肝脏蛋白质组计划的牵头实施方，中国科学家在肝细胞癌蛋白质组领城研究取得的这次重大突破，具有广泛的社会应用价值，是“中国人类蛋白质组计划”迎来的第一道曙光。T细胞在慢性病毒感染，肿瘤环境中会产生功能障碍（T cell dysfunction），丧失清除感染病原以及肿瘤细胞的能力。另一方面，当T细胞在遭遇自身抗原时行使功能也会发生障碍，对自身抗原不应答，以避免自身免疫反应的发生。T细胞是通过活化发挥效应或者调控功能，而产生功能性障碍变得耐受（tolerance）、无能（anergy）以及耗竭（exhaustion）是受到免疫应答过程中正向的共刺激信号和负向的共抑制信号所调控的。当负向的共抑制信号占主导时，T细胞就会发生功能性障碍。目前，调控T细胞功能障碍的具体分子机制尚未明确。2019年2月28日，第三军医大学西南医院病理科卞修武院士和刘新东教授团队以及清华大学董晨教授团队的研究人员在Nature上发表了题为Genome-wide analysis identifies NR4A1 as a key mediator of T cell dysfunction的文章，揭示了功能性障碍的T细胞不同于效应性和调控性T细胞的表观遗传学修饰以及基因表达特征，并发现转录因子NR4A1是诱导T细胞功能障碍发生过程中必不可少的调控因子，该研究成果提示NR4A1可以成为逆转T细胞功能性障碍，在肿瘤以及慢性感染过程中增强T细胞功能的潜在治疗靶点。当今研究3D基因组的技术主要是基于空间临近位点的配对连接，如Hi-C、ChIA-PET等，仅提供群体水平的染色质间的相互作用。虽然single-cell Hi-C可以提供单细胞水平上的染色质相互作用，但会受制于单细胞测序技术的数据稀疏性。2019年2月28日，来自美国Jackson基因组医学实验室的阮一骏团队发明的一项新技术——ChIA-Drop。该技术采纳了最新的微流控（microfluidics）技术，同时结合了染色质相互作用分析（ChIA), 以及基于液滴（droplet-based）与编码标记（barcode-linked）的高通量测序。此技术能够捕获到单分子水平的多重染色质相互作用。该项工作以Multiplex chromatin interactions with single-molecule precision”为标题发表在了Nature杂志上。普林斯顿大学/中科院物理研究所Wang Zhijun及普林斯顿大学B. Andrei Bernevig共同通讯发表题为”A complete catalogue of high-quality topological materials“的研究论文，该研究开发代码来计算26,938个化学计量材料的所有对称性的所有特征，并找到3,307个拓扑绝缘体，4,078个拓扑半金属且没有脆弱相。 对于这7,385种材料，研究人员提供电子能带结构，包括一些电子特性（带隙和电子数），对称性指标和其他拓扑信息。研究结果表明，自然界中超过27％的材料是拓扑学的。 该研究提供了一个开源代码，用于检查任何材料的拓扑结构，并允许其他研究人员重现该研究的结果。（综合南京大学新闻网、中国科学院物理所官网、iNature微信公众号等）科研管理新闻科研管理系统