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Zoological Research︱微塑料暴露扰乱睡眠结构、降低寿命并影响生育力的系统评估

微塑料（MPs）带来的环境污染及对人类健康的不利影响正引起社会广泛关注。塑料微粒指直径小于5毫米的塑料颗粒，它们主要来源于塑料制品的分解、微纤维的释放以及微塑料颗粒的加工等过程。这些微小的颗粒被发现在海洋、淡水、土壤和空气中，对生态系统和生命体都造成了不可忽视的影响。微塑料（MPs）带来的环境污染及对人类健康的不利影响正引起社会广泛关注。塑料微粒指直径小于5毫米的塑料颗粒，它们主要来源于塑料制品的分解、微纤维的释放以及微塑料颗粒的加工等过程。这些微小的颗粒被发现在海洋、淡水、土壤和空气中，对生态系统和生命体都造成了不可忽视的影响。国际上已有超过100项研究成果聚焦于海洋动物模型，发现微塑料可能在特定组织或器官中积累并造成损害。然而，微塑料暴露的有害影响是否仅限于特定器官或组织，抑或是在整个生物体的层面产生系统性的威胁，例如影响寿命长短等，仍是未解的问题。黑腹果蝇，因其行为多样、基因保守、生命周期短等优势，成为回答上述问题的理想动物模型。7月18日，金沙威尼斯欢乐娱人城深圳先进技术研究院（简称“深圳先进院”）脑认知与脑疾病研究所/深港脑科学创新研究院刘畅研究员团队与李蕾研究员团队合作，在Zoological Research上发表了题为“Microplastic exposure disturbs sleep structure, reduces lifespan, and decreases ovary size in Drosophila melanogaster”的研究论文，并当选封面文章。Zoological Research 文章封面研究团队利用陆生动物黑腹果蝇为模型，对脑、肠以及卵巢这几种组织器官进行系统比较，并结合行为学与转录组分析等，发现饮食摄入微塑料会导致睡眠结构紊乱、寿命缩短以及生殖力损害，并表征了其对多条信号通路的基因毒性影响。文章上线截图在本研究中，研究团队利用陆生动物模型黑腹果蝇（Drosophila melanogaster），研究饮食摄入1-5微米微塑料的系统性影响及其分子机制。结果发现微塑料的摄入可导致肠道损伤；短期微塑料暴露足以引起白天睡眠片段时长增加，睡眠结构受到干扰；终生暴露于微塑料会导致果蝇的寿命显著缩短；除了个体健康，在繁衍能力上，其暴露导致卵巢体积缩小及雌蝇产卵率的下降趋势。微塑料暴露系统影响果蝇健康的示意图尽管暴露后的大脑及卵巢内并未观察到微塑料的存在，但脑组织及卵巢组织转录组分析表明其基因表达受到干扰，具体包括：在大脑中，微塑料暴露引起蛋白水解和碳水化合物代谢过程相关基因通路的改变；在卵巢中，微塑料暴露诱导了与炎性反应、昼夜节律调节及代谢过程相关的基因毒性效应。该研究表明微塑料暴露的影响不仅仅局限于特定器官组织，而是系统性的影响了生物体的健康，包括了寿命、睡眠和生殖力，并从转录水平提供了对器官/组织损伤与系统功能之间联系的分子机制的深入洞察。深圳先进院刘畅团队助理研究员闫薇和李蕾团队研究生（已毕业）李子杰为文章共同第一作者，刘畅研究员和李蕾研究员为文章的共同通讯作者。该研究得到了“一带一路”国际科学组织联盟（ANSO）、国家自然科学基金委、广东省基础与应用基础研究基金委、深圳市科技创新委员会等项目资助。

2024-07-18

Nat. Rev. Bioeng. | 刘陈立/赵国屏：开拓“定量合成生物学”新范式，驱动复杂生物系统的理性设计

合成生物学正成为推动下一代生物制造和生物经济发展的强大引擎。近二十年来，随着DNA合成、基因编辑等技术的不断革新，人们构建合成生物系统的能力迅速提升，但作为构建基础的设计能力仍然十分有限。由于生物系统的复杂性，即使各个元件的功能已知，它们组合在一起所产生的系统却不一定会表现出预期的功能。要理性设计具备特定功能的合成系统，必须对自然系统功能涌现的原理有深刻理解，而这是迄今为止的合成生物学研究鲜少涉及的。7月24日，金沙威尼斯欢乐娱人城深圳先进技术研究院刘陈立研究员与金沙威尼斯欢乐娱人城分子植物科学卓越创新中心赵国屏研究员在Nature Reviews Bioengineering杂志在线发表了题为“Quantitative Synthetic Biology”的评述文章，在国际上首次阐释“定量合成生物学”这一新领域方向的研究范式与学科内涵，为合成生物学的下一步发展提出了建议。文章上线截图目前，大部分合成生物系统的构建主要依靠人工反复试错，这种方法速度慢、效率低，极大限制了合成生物学的发展。因此，合成生物学目前面临的最大挑战之一，就是如何提高理性设计的能力。只有当设计能力与合成能力有效协同时，合成为设计提供验证，设计为合成提供指导，形成“设计-合成-测试-学习”的闭环，才有望可靠地、高效地构建更加精密复杂的生物系统。因此，合成生物学需要发展更为成熟的理论和方法体系，为生物系统的理性设计提供指导—合成生物学有必要向定量合成生物学的新高度上升。作者提出，所谓理性设计，就是基于“预测”的设计。当把生物分子、基因、线路组合为合成生物系统时，如果能对系统的行为与功能作出精确预测，就能预知如何构建系统才能得到预期的功能，从而避免反复试错。图1：定量合成生物学的三种研究范式作者总结了定量合成生物学的三种实现理性设计的研究范式：一、基于原理的设计（图1a）要对系统进行理性设计，需要建立能对系统进行精确预测的模型。通常，模型是对生物系统内部机制的抽象，能帮助我们理解功能背后的系统逻辑架构（拓扑结构）。对于较为简单的生物功能，我们有成熟的理论模型。因此，合成生物学早期的很多经典工作采用的是这一范式。这一“自上而下”的范式，首先通过建立数理模型探索功能产生的原理，获得能产生目标功能的系统拓扑结构，然后根据拓扑结构设计具体的生物元件。二、自下而上的设计（图1b）随着合成生物学发展，合成生物系统日趋复杂，从功能出发建立理论模型变成了极大的挑战，“自上而下”的设计变得十分困难。因此，很多研究采取了“自下而上”的策略。这一策略从元件出发，最初阶段是反复试错：通过尝试元件不同的组装方式来探索可能出现的功能。在“碰运气”的过程中，可能得到我们感兴趣的功能。过去，合成生物学研究往往止步于此，但进入定量合成生物学领域，工作才刚刚开始：得到预期功能的系统后，由于系统内部的元件已知，我们可以推测其拓扑结构，建立数理模型，然后利用合成系统验证模型，阐明其功能产生的原理。另一种常见的情况是，在这“合成”-“尝试”过程中出现了“非预期的功能”。在以往的合成生物学研究中，这些发现往往被忽视，而对于定量合成生物学来说，却常常能指引新原理的发现。一旦理解了原理，我们就能基于原理设计产生类似或更为复杂功能的合成系统。在这个过程中，发现的涌现原理一般是天然生物系统和合成生物系统两者都遵守的规则。因此，这些原理的发现也将推动基础生命科学的进步。三、人工智能（AI）辅助的设计（图1c）AI的发展为生物系统的定量预测提供了新的路径。基于AI的算法不需要理解生物系统内部的工作原理，而是基于大数据，寻找元件与功能之间的隐藏规律，从而预测产生特定功能应该如何设计元件。这一范式依赖于海量高质量、标准化的数据，因此，未来的合成生物学需要自动化、高通量的设备平台和标准化的实验方法。当前，全球已兴起建设自动化生物铸造厂（biofoundry）的热潮，利用自动化技术高效构建与测试合成生物系统，不仅为AI提供在系统设计（包括各种重要的对照）指导下，利用机器自动化实验产生（排除人因操作误差）的标准化定量的海量数据，快速完成“设计-合成-测试-学习”的迭代，快速获得目标功能；也能真正提升范式二中的人工试错的水准，真正实现在高质量大数据基础上利用大模型的机器学习指引新原理的发现。以上三种设计范式都强调与定量分析方法的紧密结合，利用数理逻辑与定量关系对生物系统作出定量预测，为合成生物系统的理性设计提供依据。因此，作者提出“定量合成生物学”这一合成生物学的发展方向。定量合成生物学吸收定量生物学与系统生物学的思维与方法，建立可定量预测生物系统的数理或AI模型，指导合成生物系统的设计与构建，从而解决“理性设计”这一合成生物学的瓶颈问题。发展定量合成生物学，将推动合成生物学从定性、描述性、局部性的研究，向定量、理论化和系统化的变革。同时，定量合成生物学将使人们增进对生命系统的基础认识，更好地理解生命体的基本规律与设计原则，从而使合成生物学不再仅仅作为一门工程技术性的学科，而成为推动基础生物科学的重要力量。基础生命科学研究与合成生物学研究二者的螺旋上升，会真正开启生命科学研究革命之门，同时引领新一代生物技术和工程生物学的发展。金沙威尼斯欢乐娱人城深圳先进技术研究院刘陈立研究员与金沙威尼斯欢乐娱人城分子植物科学卓越创新中心赵国屏研究员为本文的共同通讯作者。金沙威尼斯欢乐娱人城深圳先进技术研究院刘陈立课题组副研究员罗楠为第一作者。本工作获得了国家自然科学基金多个项目的经费支持。定量合成生物学发展历程2017年，金沙威尼斯欢乐娱人城深圳先进技术研究院设立定量合成生物学研究中心，首次提出定量合成生物学这一交叉学科概念。2020年，该中心获批金沙威尼斯欢乐娱人城定量工程生物学创新交叉团队和重点实验室。2021年，我国召开定量合成生物学香山科学会议。2023年6月，深圳先进院获批建设定量合成生物学重点实验室（金沙威尼斯欢乐娱人城）。在这个历程中，定量合成生物学这一新方向已逐步获得领域同行的认可和关注。ACS Synthetic Biology、Quantitative Biology、《科学通报》、《合成生物学》等国内外学术期刊相继出版“定量合成生物学”专辑；2024年最新召开的合成生物学国际会议——合成、工程、进化和设计（SEED）会议上特别设立了“建模和定量合成生物学”专题研讨会；美国Duke大学和意大利TIGEM研究所等国际科研机构也开始布局“定量合成生物学”方向。

2024-07-26

Nature Genetics | 黏连蛋白复合体阻止跨结构域基因的共转录过程

在过去10年里，4D Nucleosome等研究项目的实施，虽然详细阐明了基因组三维结构的折叠机理及其分子调控机制，并且发现了基因组局部结构的变化可以影响相关基因的转录与表达，但对基因组三维结构的生物学功能却还不清楚。具体来说，基因组的三维结构对于基因转录是否存在一个普遍性的调控机制还不为人知。基因组三维结构研究是当前基因调控领域的研究热点。在过去10年里，4D Nucleosome等研究项目的实施，虽然详细阐明了基因组三维结构的折叠机理及其分子调控机制，并且发现了基因组局部结构的变化可以影响相关基因的转录与表达，但对基因组三维结构的生物学功能却还不清楚。具体来说，基因组的三维结构对于基因转录是否存在一个普遍性的调控机制还不为人知。7月24日，金沙威尼斯欢乐娱人城深圳先进技术研究院生物医学与健康工程研究所生物医学光学与分子影像研究中心董鹏研究员等，与美国霍华德∙休斯医学研究中心/珍利亚研究所 (HHMI/Janelia Research Campus) Zhe Liu等合作，在Nature Genetics上发表了题为 “Cohesin prevents cross-domain gene co-activation”的研究成果。该研究发现了黏连蛋白复合体 (Cohesin complex) 可以通过控制三维基因组的折叠来阻止跨结构域基因共转录，从而揭示了基因组三维结构参与基因转录调控的普遍性作用机制。论文上线截图该研究通过结合单细胞RNA测序和单细胞染色质可及性测序(ATAC-seq)，发现Cohesin复合体的缺失，除了会显著影响基因组的折叠，还会促进不同开放染色质结构域之内基因的共表达(Co-activation)和染色质结构域之间的协同开放（Chromatin co-accessibility）。基于此结果，研究者提出了“基因组三维结构参与基因转录共调控”的科学假设。该研究进一步利用基于内含子顺序杂交(Intron seq-FISH)的空间基因组学方法、单分子定位超高分辨率成像和活细胞单分子示踪等技术，在全基因组和染色体水平上验证了上述科学假设。新的基因调控方式——基于染色质折叠和共享转录调控机器的基因共调控模式与经典的增强子——启动子相互作用调控基因表达的方式不同，这是一种全新的基因调控方式。在结构上，这种调控方式是相关基因通过空间聚集实现相关基因的转录共调控；在功能上，转录共调控并不影响基因的表达量，但是调控相关基因在同一细胞中表达的关联程度。传统的生物化学和基因组学方法很难检测到这些细微的差异，而单细胞分析技术和超高分辨率成像方法为解决这些问题提供了新的选项。董鹏研究员为本文的第一作者兼通讯作者，Zhe Liu为本文的共同通讯作者。该项研究得到了HHMI/Janelia Research Campus的Zhe Liu实验室、斯坦福大学Howard Y. Chang教授实验室和加州大学尔湾分校Arthur D. Lander教授的技术支持，在国家自然科学基金委、科技部重点研发计划和深圳市医学专项等经费的资助下完成。

2024-07-26

汪程远等-EPSL：源于浅部（< 100 km）含钛铁矿辉石岩的月球年轻火山活动

月球岩浆洋模型认为岩浆洋晚期会在月幔顶部形成富含钛铁矿的辉石岩堆晶（IBC）以及富集放射性元素的克里普组分（KREEP）。而IBC堆晶由于密度较大会沉入深部引发月幔翻转。一些研究认为是下沉到深部的IBC的活动导致了嫦娥五号玄武岩（CE5）的形成其形成。然而，这一观点会面临两个问题：1）IBC的沉降发生在岩浆洋结晶的晚期（~44-43亿年）；2）之前的研究认为CE5玄武岩是由低钛玄武岩演化而来，而后者源区不应该有IBC。因此， CE5玄武岩的成因仍有待探索。在金沙威尼斯欢乐娱人城广州地化所徐义刚院士的指导下，汪程远副研究员、张乐高级工程师以及月球科学研究团队的其他成员一道，针对上述问题展开了研究。研究团队通过对CE5玄武岩中的辉石进行微区分析，结合微量元素模拟以及相平衡计算等综合手段，提出月球年轻火山的源区是位于其浅部（< 100 km）的IBC堆晶。这一发现革新了学界关于月幔翻转过程以及月球内部热演化的认识。图1. （a）CE5及其他月球玄武岩微量元素组成。（b）月球玄武岩的Ti异常和Ta异常。研究团队首先注意到， CE5玄武岩具有显著的高场强元素（HFSE）的负异常（图1），表明其或者经历了钛铁矿的分离结晶，或者源区含有残余钛铁矿，或者需要KREEP混染。然而，同位素不支持显著KREEP混染，且CE5玄武岩中的辉石成分演化和低钛玄武岩完全不同（图2）。图2. （a）CE5玄武岩中的辉石端元组成。（b）月球玄武岩中辉石的Mg#-TiO2关系图。（c）CE5和低钛玄武岩中辉石的Ti异常-TiO2关系图。为进一步制约分离结晶过程的影响，研究团队利用辉石成分反演了CE5玄武岩演化过程中TiO2 含量的变化（图3）。结果显示，初始岩浆没有经历钛铁矿结晶分异，其HFSE可以反映原始熔体的信息。图3. CE5及其他月球玄武岩的演化路径对比。因此，CE5玄武岩源区很可能含有钛铁矿。研究团队利用非批式熔融模型进行了模拟（图4）。结果显示，CE5玄武岩源区需要> 10%的钛铁矿，大部分为辉石岩。图4. IBC月幔的非批式熔融过程中的Zr/Hf、Zr/Nb和Ta/Nd的变化模拟。因此，CE5玄武岩应是一种新型月球火山熔岩，其源区和阿波罗玄武岩完全不同。利用相平衡模拟计算其形成温压的结果显示，形成温度约为~1100至1140 ℃，压力约为3到5 kbar（图5）。表明CE5玄武岩起源深度较浅（~ 100 km）。图5. （a）CE5及其他月球玄武岩的形成温度和压力条件。（b）CE5及其他月球玄武岩的形成深度随时间的变化。（c）IBC源区的温度-成分相平衡计算。（d）遥感观测的月球玄武岩TiO2含量随时间的变化。遥感数据显示，年轻月球火山的TiO2含量是逐渐升高的（图5），支持年轻月球火山源于IBC的可能。由于岩浆洋模型预测的IBC形成深度也正是60到100 km，CE5玄武岩的源区应是那些未发生沉降的IBC。这表明，月幔翻转其实是不完全的。此外，月球在以CE5玄武岩为代表的爱拉托逊纪时代的热状态和雨海纪时代也并不相同。此时月球火山的热源主要来自浅部，或是IBC和月壳之间的KREEP，或是撞击过程。令人困惑的是，这些玄武岩并未显示显著的KREEP信号，而同时期的大型撞击坑也并未观测到，因此年轻月球火山的热源问题仍有待进一步研究。该研究主要受金沙威尼斯欢乐娱人城广州地球化学研究所所长基金和金沙威尼斯欢乐娱人城重点部署科研专项的资助。研究成果发表于国际权威地学期刊《Earth and Planetary Science Letters》。　　论文信息：Chengyuan Wang（汪程远），Yi-Gang Xu（徐义刚），Le Zhang（张乐），Zhiming Chen（陈志铭），Xiaoping Xia（夏小平），Mang Lin（林莽），Feng Guo （郭锋） (2024). A shallow (<100 km) ilmenite-bearing pyroxenitic source for young lunar volcanism. Earth and Planetary Science Letters,639,118770. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2024.118770

2024-07-25

姜连等-PPP：利用碳同位素和生物脂类化合物解密古新世南太平洋海洋环境

随着全球气候变暖的不断加剧，了解极端温暖地球气候系统的开始、演变和结束的变得日益紧迫。古近纪早期是一个地球气候极其温暖的时代，具有典型现代澳大利亚东南部和新西兰地区热带-亚热带的动植物群（Thomas et al.,2020），且古新世-始新世时期释放到大气中CO2总量与与现今人类燃烧化石燃料排放CO2总量相似，因此被认为是未来暖地球气候系统的一个很好的模拟实例（Zeebe and Zachos,2013）。目前关于南太平洋古近纪的现有数据来自ODP航次177、181、183和189，以及DSDP航次29、35和92。这些ODP/DSDP钻探点时间较早，大多完成于1973-1999年，始新世沉积物剖面恢复率低或古新世沉积物缺失。其中，最为人们所熟知的当属1973年DSDP航次29（钻探点277）。该钻探点位于新西兰南部的坎贝尔高原。该钻探恢复了上古新世到上渐新世碳酸盐，但是由于当时钻井取芯技术问题，大部分剖面岩心采收率相对较低，且始新世剖面恢复率低（Kennett et al.,1974）。受制于样品局限性，对南太平洋的古新世-始新世的研究报道有限，尤其是古新世早期南太平洋的海洋与生态环境对地球科学家来说仍然是知之甚少（图1）。近期，金沙威尼斯欢乐娱人城广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室的姜连博士后与合作导师王云鹏研究员及国际合作者，通过对一系列国际大洋钻探计划378站点获取的南太平洋早古新世海相岩芯的有机地球化学和碳同位素分析（图2-3），建立了首个早古新世生物标志物剖面（图3-4），恢复了南太平洋古近世的古气候条件和海洋生物圈组成（图5），从而填补了地质学家对南太平洋早古新世海洋生态环境的认识空白。图1 国际大洋钻探378航次与深海钻探计划277采样岩芯对比该项研究通过对国际海洋发现计划378钻探点U1553（新西兰坎贝尔高原）的一组早古新世深海岩芯进行了系统的生物标志物、碳酸盐含量和碳同位素研究，对南太平洋这一时期的海洋生产力、生态群落组成和古环境进行综合评价，取得了多项重要进展：（1）根据研究结果建立了新西兰坎贝尔高原一个新的古新世生物标志物剖面。一系列藿烯、ββ藿烷、甾烷的赋存和分布特征以及基于生物标志物的成熟度参数表明，这些贫有机质沉积物处于早期成岩阶段，其等效镜质体反射率约为0.4%。（2）古新世南太平洋的海洋生产力来源组成丰富多样，包括藻类、细菌、硅藻、鞭毛藻和高等植物等，而主要生产力由水生生物主导（图3-4）。图2 国际大洋钻探378钻探井U1553D总有机碳（TOC）、硫含量、甲烷含量、碳酸盐含量以及碳酸岩碳同位素深度剖面变化图图3 国际大洋钻探378钻探井U1553D不同藿烷类生物标志化合物深度剖面变化图（3）生物标志物（伽马蜡烷指数和同藿烷指数等）、碳酸盐碳同位素(- 27.9‰~ +2.0‰)、硫含量和甲烷含量表明，古新世南太平洋的氧化还原性质由氧化-缺氧过渡带向还原性较强的海洋环境（水深> 1000 m）转变（图5）。图4 国际大洋钻探378钻探井U1553D不同甾烷类生物标志化合物深度剖面变化图图5 （a）南太平洋早古新世(~65 Ma) IODP 378 Site U1553地理位置图（据Cande and Stock,2004修订)。（b1-b2）钻探井U1553D岩性单元Va和Vb沉积模型。该研究成果展示的生物标志物记录弥补了高纬度南太平洋古新世生物圈知识空白，首次提出的古新世沉积模式图加强了地质科学界对南太平洋的认识，为古新世全球海洋环境的研究提供了新的数据支持。此研究成果近期发表于国际期刊《Palaeogeography,Palaeoclimatology,Palaeoecology》上，得到国家自然科学基金、广东省自然科学基金和金沙威尼斯欢乐娱人城PIFI项目的资助。论文信息：Jiang,L. (姜连),Ausín,B.,Khanolkar,S.,Wang,Y. (王云鹏),George,S.C.,2024. Unlocking the geochemical features of the Paleocene southern Pacific Ocean using carbon isotopes and biolipids. Palaeogeography,Palaeoclimatology,Palaeoecology 650,112368.论文链接：https://doi.org/10.1016/j.palaeo.2024.112368

2024-07-25

广州健康院合作通过空间转录组学绘制脊髓损伤时空动态图谱和细胞原位互作网络，发现IGFBP2蛋白促进神经修复功能

2024年7月18日，金沙威尼斯欢乐娱人城上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心方燕姗课题组、金沙威尼斯欢乐娱人城广州生物医药与健康研究院彭广敦课题组和暨南大学李昂课题组合作，在Developmental Cell期刊在线发表了题为“A spatiotemporal molecular atlas of mouse spinal cord injury identifies a distinct astrocyte subpopulation and therapeutic potential of IGFBP2”的最新论文。2024年7月18日，金沙威尼斯欢乐娱人城上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心方燕姗课题组、金沙威尼斯欢乐娱人城广州生物医药与健康研究院彭广敦课题组和暨南大学李昂课题组合作，在Developmental Cell期刊在线发表了题为“A spatiotemporal molecular atlas of mouse spinal cord injury identifies a distinct astrocyte subpopulation and therapeutic potential of IGFBP2”的最新论文。该研究利用空间转录组技术对急性损伤引起的脊髓中分子和细胞水平的复杂变化进行了全面深入的梳理和分析，通过刻画脊髓损伤 (spinal cord injury, SCI)后基因表达和分子变化的时空特征，以及绘制原位细胞互作网络图谱识别出一类发生特定位置迁移的星形胶质细胞亚群，并鉴定出该亚群的特征基因之一Insulin-like growth factor binding protein 2 (Igfbp2)，进而揭示了SCI引起Igfbp2表达上调的细胞功能和潜在生物学意义。成年哺乳动物中枢神经系统的再生能力非常有限，其损伤所造成的伤害大多不可逆、难以恢复。以SCI为例，SCI后可出现轴突退化、神经元丢失、脱髓鞘、炎症反应、巨噬细胞和免疫细胞浸润、胶质瘢痕生成等改变，从而导致永久性的运动、感觉和自主神经功能障碍，并伴有各种局部或全身并发症。尽管SCI 的慢性期可持续数月至数年，但基因表达水平和分子编程中最主要、最剧烈、最纷繁芜杂的改变则发生在损伤后的数小时至数天内。此外，基因表达和细胞响应的空间动态变化在该时期也是最明显的。故此，全面系统地在时间和空间维度下解析SCI急性期所发生的基因表达改变、分子调控程序和细胞响应机制对于理解SCI的病理过程和制定有效治疗方案至关重要。以往SCI表达图谱和分子变化网络的研究主要依赖单细胞或单核测序，但上述技术无法提供这些分子和细胞变化的空间位置信息和对应的解剖学注释。同时，这类技术受单细胞分离方法的局限，造成某些细胞类别比如神经元、星型胶质细胞等的捕获比例远低于其生理状态下的占比，导致最终测序数据和以此进行的分析带有很强的“生存者偏差”。近几年，空间组学的出现和发展为弥补这些缺陷带来了希望。在这篇新发表的论文中，研究人员以小鼠脊髓全横断模型为例，在SCI后的多个时间点、距离损伤位点头尾两端的多个不同位置、对多个生物学重复的脊髓组织进行了基于10xVisium的原位空间转录组测序（图1A）。通过对过滤后保留下来的超过22,800个空间位置点的数据进行生物信息学整合分析，在组织结构被严重破损的情况下，通过空间分布和基因表达相似性仍然能够准确定义出脊髓的解剖结构。该研究系统性地揭示了损伤后不同脊髓解剖区域、不同损伤时间以及损伤位点不同方向和距离处的基因表达动态变化、共表达基因模块以及转录调控网络（图1B）。更具创新意义的是，该团队通过自主开发空间转录组数据分析的新计算策略和工具，绘制出脊髓损伤后原位细胞-细胞交互 (spatial-aware cell-cell communication, SA-CCC) 的动态图谱（图2），相比于传统仅仅基于单细胞基因表达进行细胞互作分析，整合细胞在空间上的临近关系，降低了最终结果的假阳性率。并通过细胞互作网络，发现了一类在SCI后从脊髓白质迁移到脊髓灰质的星型胶质细胞亚群（图1C）。接着通过脊髓实质注射和lineage tracing实验，证实了SCI后这类由白质向灰质定向迁移的星型胶质细胞亚群的存在及其细胞来源（图3），该团队将其命名为“injury-induced, gray matter-relocated astrocytes (Astro-GMii)”。研究人员通过整合空间转录组数据和已有的SCI单细胞/单核测序数据对Astro-GMii细胞的分子特征进行了多水平、多维度的分析，从中鉴定出可以标记Astro-GMii并在SCI后特异性上调的特征基因之一Igfbp2。值得一提的是，通过空间转录组识别出某种特定细胞亚型或亚群后，可以对其位置信息进行分子特征提取，获得“位置指纹”。用这些位置指纹可以对已发表的单细胞数据进行空间特征注释和虚拟细胞分选（virtual cell sorting）。例如，利用Astro-GMii的位置指纹对第三方发表的SCI单细胞数据进行比对和分析，研究人员也鉴别到Astro-GMii亚群并利用这些数据进一步分析了该亚群的分子演化过程，充分体现了空间位置特征这一维度对发掘细胞功能异质性的重要作用（图4）。在后续工作中，通过原代星型胶质细胞培养、原代神经元培养以及conditioned medium共培养等实验，研究人员揭示了高表达Igfbp2不仅可以促进星型胶质细胞的迁移、增殖和反应性，并且星型胶质细胞可以分泌IGFBP2蛋白，后者作用在神经元上可以促进神经轴突的生长。最后，研究人员将IGFBP2蛋白和基质胶制备成生物材料注射进小鼠的SCI损伤部位后，损伤灶附近神经元的存活得到了显著提高，并最终有效促进了SCI小鼠的感觉和运动功能的恢复（图5）。综上所述，该工作通过全面深入的空间转录组分析建立了SCI交互式时空数据库（https://spasi.ccla.ac.cn/），并完成了大量体内和体外的验证实验以及功能研究，不仅为理解受损脊髓的时空重组提供了丰富的资源和有用的生物信息分析工具，而且发现了具有SCI治疗潜力的新分子IGFBP2蛋白，为今后进一步推进相关转化研究和深入探寻IGFBP2神经保护的作用机制奠定了基础。金沙威尼斯欢乐娱人城上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心博士研究生王泽清、金沙威尼斯欢乐娱人城广州生物医药与健康研究院博士研究生李竺霞和金沙威尼斯欢乐娱人城上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心博士研究生栾天乐为该文的共同第一作者。金沙威尼斯欢乐娱人城上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心方燕姗研究员、金沙威尼斯欢乐娱人城广州生物医药与健康研究院彭广敦研究员和暨南大学李昂副研究员为共同通讯作者。彭广敦课题组在该工作中负责了所有数据分析内容和网站搭建，该研究得到国家重点研发计划、广东省国家自然科学基金、金沙威尼斯欢乐娱人城广州生物医药与健康研究院基础研究项目和广州国家实验室重大项目的支持。论文链接图1 小鼠SCI空间转录组实验设计和数据分析概览图2 细胞的空间原位互作分析图3 脊髓实质注射和谱系追踪证实Astro-GMii亚群来源于脊髓白质的星胶细胞图4 基于“空间指纹”进行单细胞亚群的虚拟分选图5 Astro-GMii细胞激活、迁移并表达分泌蛋白IGFBP2促进神经修复的示意图

2024-07-22

Nat. Commun. 揭示海洋动物运动模式演化与器官形成的遗传调控机制

金沙威尼斯欢乐娱人城南海海洋研究所林强团队与烟台海岸带研究所董志军团队等联合，在海洋动物运动模式、器官形成与生存策略研究获得新进展，相关研究成果“Genomic and single-cell analyses reveal genetic signatures of swimming pattern and diapause strategy in jellyfish”于7月15日在线发表于Nature Communications。海洋生命的起源与演化问题是当今海洋基础科学研究领域的重要命题。海洋生物复杂性状形成过程是物种多样性形成的基础，其演化过程与机制一直是学术界探究的热点之一。本研究聚焦海洋动物中维持运动平衡感知的器官多样性演化开展研究，揭示了海洋动物在长期进化过程中的运动模式与器官形成的演化与调控特征（图1）。图1 动物界平衡感知器官的多样性演化研究团队将水母与硬骨鱼类、鸟类和哺乳类动物比较，发现CHSY1、USH2A、KIAA2026等基因受到明显正选择，而这些基因都参与了动物的运动功能；同时，基于水母与其它近缘物种全基因组结构特征的系统比较，创新性发现“耳石形态发生”（OMs）的基因家族在灯塔水母中发生特异性丢失，据此，在海月水母中对该基因进行原位杂交和RNA干扰实验，发现该基因主要在海月水母平衡囊组织区域表达，而敲降该基因则会导致海月水母碟状体无法正常发育出平衡囊，证明该基因在水母平衡囊形成中发挥了重要功能（图2）。图2 灯塔水母中的丢失基因及受选择基因特征本研究基于单细胞转录组分析，同步解析了水母逆向发育过程中的滞育特征及相关分子调控机制，提出了逆向发育和持续休眠状态可能是灯塔水母应对不利海洋环境的适应策略。研究员董志军、博士生王方晗、副研究员刘雅莉和博士生李勇学为本文共同第一作者，南海海洋所研究员林强和烟台海岸带所研究员董志军、研究员赵建民为本文共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金项目、国家科技基础资源调查计划项目等联合资助。论文信息：Zhijun Dong#*,Fanghan Wang#,Yali Liu#,Yongxue Li#,Haiyan Yu,Saijun Peng,Tingting Sun,Meng Qu,Ke Sun,Lei Wang,Yuanqing Ma,Kai Chen,Jianmin Zhao* & Qiang Lin*. Genomic and single-cell analyses reveal genetic signatures of swimming pattern and diapause strategy in jellyfish. 2024 (15):5936. DOI: 10.1038/s41467-024-49848-z.

2024-07-18

马建锋、赵太平等-JP：矿物结构与成分示踪正长岩成因

碱性岩通常分布在造山带和板内裂谷背景下，虽然占比很少，但是蕴含着丰富的岩浆起源和构造演化等关键信息。正长岩是碱性岩中最典型的代表之一，其成因是有高度争议的，主要观点有地幔低程度部分熔融、幔源岩浆结晶分异、岩浆混合和晶体堆积等机制。然而，由于地壳混染和岩浆混合的潜在影响，很难从全岩成分判断地幔源区熔融还是壳内分异控制着碱性元素（K2O和Na2O）含量。正长岩中的矿物记录了碱性岩浆从起源到侵位的全过程，因此，通过对各岩浆演化阶段的矿物分析，可以评估不同机制的影响程度，从而确定正长岩的主要成因方式。针对上述问题，金沙威尼斯欢乐娱人城广州地球化学研究所博士生马建锋在赵太平研究员指导下，选取华北克拉通南缘1772 Ma三元沟正长岩开展了详细的矿物结构、化学成分与热力学模拟研究。该正长岩主要矿物组成是单斜辉石、钾长石、石榴石和榍石，单斜辉石和石榴石具有丰富的矿物环带，表明岩浆混合发挥了重要作用（图1）。通过计算不同阶段的单斜辉石平衡熔体的主微量元素含量，获取了碱性岩浆从起源到侵位的地球化学信息。高Mg#(>85)单斜辉石的平衡熔体具有高Mg#、CaO/Al2O3和低Hf/Sm的特征，展现出碳酸盐交代地幔的亲和性，微量元素质量平衡模型表明，石榴石-尖晶石过渡地幔低程度(1%~2%)部分熔融可以产生这些高Mg#熔体（图2）；通过alphaMELTs模拟高Mg#平衡熔体的结晶分异过程，发现无论在何种压力和水含量下都无法匹配其余平衡熔体的化学成分，说明单一的结晶分异过程不能解释正长岩的成因（图3）。低Mg#单斜辉石平衡熔体具有低Mg#值，是地壳物质重熔的产物，质量平衡计算结果表明10%~30%的长英质熔体参与混合可以形成正长岩（图4）。然而，岩浆混合与结晶分异过程无法解释全岩的K2O、CaO等变化，暗示仍有其它机制参与控制。正长岩中钾长石相互连接形成晶体框架，具有堆晶结构，且全岩Eu#高于1，表明钾长石堆晶也是控制K2O含量的机制之一。单斜辉石湿度计显示高Mg#平衡熔体具有高水含量(>4 wt%，图5)，在模拟过程中发现高水含量可以抑制长石的结晶，从而导致熔体中K2O、Na2O含量的再次升高（图6），最终在浅部地壳发生长石堆晶，这也解释了为什么碱性熔体无法突破演化的“热障”。上述工作表明，地幔源区的部分熔融、壳内岩浆演化、岩浆混合、晶体堆晶过程都会控制碱性熔体的成分变化以及正长岩的形成。以上研究成果发表在岩石学国际权威期刊Journal of Petrology上。相关的论文信息：Jian-Feng Ma (马建锋),Tai-Ping Zhao* (赵太平*),Tong Hou (侯通),Chuan-Hao Qu (瞿川豪). Mineral Textures and Chemistry Trace the Origin and Transcrustal Evolution of the Sanyuangou Syenite in Southern North China Craton. 2024,65,egae056. https://doi.org/10.1093/petrology/egae056.图1 三元沟正长岩矿物结构特征图2 高Mg#单斜辉石平衡熔体主微量元素揭示地幔源区特征图3 三元沟正长岩全岩、单斜辉石平衡熔体主量元素特征以及alphaMELTs模拟主量元素变化图4 三元沟正长岩全岩微量元素特征与混合模型图5 单斜辉石温度、压力及平衡熔体水含量图6 熔体水含量与岩浆混合控制熔体中K2O+Na2O含量变化

2024-07-19

南海海洋所：基于高分辨率观测揭示南海亚中尺度不稳定的高频变化机制及其垂向热输运贡献

近日，金沙威尼斯欢乐娱人城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，在南海亚中尺度动力不稳定的高频变化特征、物理机制及其垂向热输运定量贡献等观测研究方面取得新进展，研究成果先后发表于国际期刊《Geophysical Research Letters》，合作者包括南海海洋研究所博士后郑瑞玺、河海大学副教授曹海锦和美国布朗大学教授Baylor Fox-Kemper。海洋亚中尺度过程通过非地转动力不稳定，驱动地转能量正向串级与耗散，并显著增强热量、营养盐等要素的垂向交换，在海洋物质能量循环和海-气相互过程中扮演了不可或缺的重要作用。本研究基于南海高分辨率现场观测数据并结合理论分析，揭示了亚中尺度动力不稳定的高频变化机制及其对垂向热输运的定量贡献。研究结果表明，南海混合层对称不稳定的昼夜高频变化，主要是由大气非绝热强迫所驱动，而非风场强迫（down-front wind forcing）。夜间海表冷却驱动的边界层浮力损失，通过增强亚中尺度动力不稳定和垂向次级环流，引起约60%的混合层亚中尺度再层化。进一步基于国家基金委共享航次计划重大科学问题航次的观测研究表明，海洋涡旋海域普遍存在的锋面亚中尺度过程引起的垂向净热通量高达100 W/m2，比经典地转理论和传统认识的中尺度贡献大1-2个量级，且影响深度深达150米海洋次表层，对上层海洋具有显著的加热效应。上述研究首次基于高时空分辨率现场观测定量揭示了海洋亚中尺度动力不稳定的快速变化机制及其对垂向热输运的重要贡献，明确了大气非绝热强迫的关键调控作用，对进一步深入认识和理解海洋亚中尺度动力过程及其生态气候效应、海洋与气候模式的亚中尺度参数化改进，以及助力“海洋亚中尺度动力学”前沿方向发展等具有重要科学意义。该研究主要由国家自然科学基金项目、国家自然科学基金共享航次计划资助完成。图1 （a）南海高时空分辨率现场观测；（b）TRIAXUS拖体高分辨率观测温度剖面；（c）涡旋活跃海域位温波数谱图2 （a）海表浮力通量、侧向浮力梯度与动力不稳定的昼夜变化；（b）亚中尺度不稳定再层化效应与小尺度混合去层化效应；（c）多尺度垂向热通量及其波数谱论文信息：Ruixi Zheng and Zhiyou Jing* (2024). Diurnal variability of mixed layer overturning instabilities from glider array observations in the South China Sea. Geophysical Research Letters,51 (11),e2023GL107694. https://doi.org/10.1029/2023GL107694Haijin Cao,Zhiyou Jing*,and Baylor Fox-Kemper (2024). Scale-dependent vertical heat transport inferred from quasi-synoptic submesoscale-resolving observations. Geophysical Research Letters,51 (12),e2024GL110190. https://doi.org/10.1029/2024GL110190

2024-07-18

南海海底扩张产生和传播方式研究取得新进展

近日，金沙威尼斯欢乐娱人城南海海洋研究所边缘海与大洋地质重点实验室张翠梅、孙珍（通讯作者）、赵明辉、张佳政等科研人员，联合法国斯特拉斯堡大学教授Gianreto Manatschal和夏威夷大学教授Brian Taylor，利用南海北部IODP（综合大洋发现计划）钻井数据，结合多道反射地震和重磁资料的综合解释，在南海海底扩张产生和传播方面取得重要进展。相关研究发表于《盆地研究》（Basin Research）期刊上。位于陆壳和洋壳间的洋陆转换带（OCTs）对于研究破裂过程、初始海底扩张的年龄和位置至关重要，然而对OCT范围的划分却很少一致，因为没有统一的标准，或者资料系统的差异，产生了多种解释方案，进而制约了对初始海底扩张的认识。研究人员根据原始数据集，采用“钻井约束的综合地质-地球物理”方法，沿走向上定义了南海北部的OCT，探讨破裂过程，并将南海OCT与大西洋型张裂边缘OCT进行了比较。研究结果显示了整个南海北部发育狭窄的OCT，宽5-15公里（图1a）。OCT两端的陆壳和洋壳均呈现出复杂的走向分段。减薄陆壳在形状、趋势角和基底面粗糙度等方面显示出规律性变化。洋壳厚度从西部向中部和东部减薄。这些变化部分归因于继承的火山弧/弧前的背景。在南海东北部和中央次盆地磁异常C11期间，海底扩张首先在两个中心成核（如图1b中U1502钻探区），然后分别向西和向东传播，最终在异常C10r（29Ma）处发生了贯通（图1b），东北部和中部陆缘完全破裂。这一结果不支持北部边缘破裂是通过从东到西的简单传播模式。研究进一步对比了以南海为代表的边缘海型与大西洋贫/富岩浆陆缘原型，发现它们有一些相似之处，而在更多方面表现出显著差异；因此，提出在划分陆缘类型时，除岩浆供给外，伸展破裂速率也是需要考虑的重要因素。这项研究不仅深化了我们对边缘海形成的理解，也为分析全球其它张裂陆缘的岩石圈破裂和海底扩张提供了重要方法和科学借鉴。论文获得了广东省自然科学基金面上项目、国家自然科学基金项目，广州市科技项目的支持，并使用了自然基金委共享航次的部分数据以及国际大洋发现计划（IODP）的钻探成果。论文链接：https://doi.org/10.1111/bre.12882图1 （a）南海北部陆缘走向上OCT的范围；（b）中部钻探区破裂在C11时期成核

2024-07-17