科技名刊精選

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“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬宇宙暗物質(zhì)和中微子演化進(jìn)程

北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所博后于浩然與北京師范大學(xué)天文系張同杰教授等合作，利用我國(guó)“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)完成了3萬(wàn)億粒子數(shù)的N體數(shù)值模擬，揭示了宇宙大爆炸1600萬(wàn)年之后至今約137億年的暗物質(zhì)和中微子的演化進(jìn)程，相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然—天文學(xué)》。暗物質(zhì)是宇宙的主要物質(zhì)構(gòu)成。中微子是自然界中的基本粒子之一。它在宇宙大爆炸約1秒鐘后與其他等離子體物質(zhì)退耦，形成看不見的宇宙背景。N體數(shù)值模擬中的粒子數(shù)猶如攝像機(jī)的像素，粒子數(shù)越多，越能清晰地‘還原’宇宙演化歷史，降低中微子‘泊松噪聲’的影響。

三重簡(jiǎn)并費(fèi)米子首次觀測(cè)

中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）丁洪、錢天、石友國(guó)等首次觀測(cè)到三重簡(jiǎn)并費(fèi)米子，為固體材料中電子拓?fù)鋺B(tài)研究開辟了新的方向，研究論文發(fā)表于《自然》。組成宇宙的基本粒子可分為玻色子和費(fèi)米子?，F(xiàn)有理論認(rèn)為宇宙中可能存在3種類型的費(fèi)米子，即狄拉克（Dirac）費(fèi)米子、外爾（Weyl）費(fèi)米子和馬約拉納（Majorana）費(fèi)米子。大家所熟知的電子、質(zhì)子、中子等就是狄拉克費(fèi)米子。與時(shí)空連續(xù)的宇宙空間不同，電子所處的“固體宇宙”只滿足不連續(xù)的分立空間對(duì)稱性，這就可能導(dǎo)致傳統(tǒng)理論中所沒有的新型費(fèi)米子。尋找新型費(fèi)米子是拓?fù)湮飸B(tài)領(lǐng)域一個(gè)挑戰(zhàn)性的前沿科學(xué)問題。

銀河系外盤結(jié)構(gòu)研究

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)王喬等與國(guó)內(nèi)外科學(xué)家合作，把作用量分布函數(shù)的方法應(yīng)用于LAMOST反銀心方向的K巨星樣本，分析了銀河外盤的結(jié)構(gòu)；發(fā)現(xiàn)銀河系的外盤要比以前人們猜想的更大、更厚，這對(duì)銀河系盤的形成提供了新的線索，相關(guān)研究成果發(fā)表于MNRAS。銀河系是典型的旋渦星系，解析銀盤的結(jié)構(gòu)有助于理解銀河系及其他旋渦星系的形成與演化歷史。LAMOST望遠(yuǎn)鏡河內(nèi)巡天在銀河系中心相反方向獲取了海量觀測(cè)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)是開展銀河系更遠(yuǎn)外盤結(jié)構(gòu)研究的最好且最大的樣本。研究發(fā)現(xiàn)主流的模型并不能夠很好地延拓到銀盤外區(qū)；以前模型預(yù)言的速度分布過窄。銀河系外盤區(qū)域可能存在著更為復(fù)雜的起源或結(jié)構(gòu)。

大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)進(jìn)展：“中微子反?！被蛞蚶碚撃Ｐ筒徽_

大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)是一個(gè)在我國(guó)大亞灣核電站附近進(jìn)行的國(guó)際合作實(shí)驗(yàn)，共有來(lái)自中國(guó)、美國(guó)、俄羅斯、捷克、中國(guó)臺(tái)灣、香港等多個(gè)國(guó)家和地區(qū)共43個(gè)科研單位（如華東理工大學(xué)近代物理研究所等）的科學(xué)家參加，是我國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域目前最大的國(guó)際合作項(xiàng)目。大亞灣實(shí)驗(yàn)主要利用反應(yīng)堆發(fā)射的反電子中微子進(jìn)行中微子振蕩的研究，最新研究以“大亞灣反應(yīng)堆中微子流強(qiáng)和能譜的演化”為題發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》，表明核燃料中一種成分的中微子產(chǎn)額計(jì)算不正確。中微子是宇宙中數(shù)量最多的物質(zhì)粒子，具有很多奇特性質(zhì)。惰性中微子是一種理論上的粒子。假如真的存在，它有可能是宇宙中的一種暗物質(zhì)。

中國(guó)湖泊磷污染下降

天津大學(xué)的童銀棟、挪威水研究所的林巖及合作者，分析了2006年至2014年間中國(guó)862個(gè)湖泊的水化學(xué)數(shù)據(jù)以及磷來(lái)源和磷流入的省級(jí)數(shù)據(jù)；研究論文發(fā)表于《自然—地球科學(xué)》。在2006到2014年間中國(guó)湖泊的磷污染下降了逾1/3。中國(guó)政府于2000年推出的治理水污染政策協(xié)助降低了城市地區(qū)與磷污染有關(guān)的水華風(fēng)險(xiǎn)，但在一些欠發(fā)達(dá)地區(qū)，湖泊的磷濃度上升了。磷濃度中值大致降到了可導(dǎo)致富營(yíng)養(yǎng)化的濃度閾值，重度污染的湖泊數(shù)量減少了2/3。其中主要的驅(qū)動(dòng)因素是公共衛(wèi)生改善和污水減少；一些較偏遠(yuǎn)地區(qū)湖泊磷濃度上升的原因則還不確定，但有可能是受到了森林退化和侵蝕的影響。

俯沖帶大陸地殼生長(zhǎng)研究

中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所巖石圈演化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王浩等對(duì)桐柏造山帶不同地質(zhì)單元內(nèi)的桃園和黃崗花崗巖體展開了的全巖地球化學(xué)和鋯石U-Pb年代學(xué)以及Hf-O同位素分析，研究論文發(fā)表于Lithos。地球是目前已知的所有太陽(yáng)系行星中唯一一個(gè)具有大陸地殼的行星，因此大陸地殼的形成與演化研究十分重要。研究表明指示黃崗巖體源自寬坪群古老下地殼，并伴有20～40%左右的新生幔源物質(zhì)加入。黃崗巖體的研究明陸弧地區(qū)的大陸地殼凈增長(zhǎng)非常有限，新的陸殼物質(zhì)加入量與古老基性下地殼的再循環(huán)量基本平衡。桃園巖體的研究則表明大陸地殼主要通過洋弧地體的增生與再造實(shí)現(xiàn)大量增長(zhǎng)。

喀斯特石漠化生態(tài)治理模式評(píng)估研究

中國(guó)科學(xué)院華南植物園植被與景觀生態(tài)研究組陸宏芳等與合作者提出了3種典型治理模式的優(yōu)化及生態(tài)補(bǔ)償建議，相關(guān)論文發(fā)表于《清潔生產(chǎn)》雜志。中國(guó)西南存在全球連片面積最大的喀斯特生態(tài)系統(tǒng)，由于人為干擾嚴(yán)重，退化形成了大量石漠化生態(tài)系統(tǒng)，生態(tài)環(huán)境極其惡劣，嚴(yán)重制約著當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。研究發(fā)現(xiàn)花椒種植模式最好且可持續(xù)能力強(qiáng)；由于花椒種植模式對(duì)于本地自然資源的利用效率較高，花椒種植模式的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)投比和單位面積經(jīng)濟(jì)效益分別是2.77和21190.07元/ha/yr；從純生態(tài)治理效益來(lái)看，金銀花—李子套種模式最好；在花椒種植模式上進(jìn)行養(yǎng)殖和沼氣生態(tài)工程加環(huán)的經(jīng)濟(jì)效益明顯。

濕地土壤碳對(duì)水位下降響應(yīng)機(jī)制

中國(guó)科學(xué)院植物研究所馮曉娟研究組與北京大學(xué)賀金生教授研究組合作，利用海北站高寒濕地中宇宙水位控制實(shí)驗(yàn)，結(jié)合分子有機(jī)地球化學(xué)手段，研究了濕地水位下降過程中鐵的氧化還原轉(zhuǎn)化對(duì)土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)的調(diào)控機(jī)理，相關(guān)論文發(fā)表于《自然—通訊》。濕地占陸地表面積的5～8%，其碳儲(chǔ)量卻達(dá)到陸地碳庫(kù)的30%，是一個(gè)非常重要的土壤碳庫(kù)。與經(jīng)典的“酶栓”（enzyme latch）理論相反，該論文提出以濕地土壤亞鐵的氧化為核心的“鐵門”（iron gate）機(jī)制，該機(jī)制可能緩解由濕地土壤氧氣含量升高而造成的碳釋放，用以解釋和預(yù)測(cè)濕地干旱過程中的土壤碳動(dòng)態(tài)。

人源大麻素受體“陰陽(yáng)雙面”解析

上?？萍即髮W(xué)iHuman研究所劉志杰等與國(guó)內(nèi)外科學(xué)家合作，解析了人源大麻素受體CB1（human Cannabinoid Receptor 1,CB1）與激動(dòng)劑——四氫大麻酚（THC）類似物復(fù)合物的三維精細(xì)結(jié)構(gòu)，揭示了大麻素受體在激動(dòng)劑調(diào)控下的結(jié)構(gòu)特征和激活機(jī)制，相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然》。G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）是人體內(nèi)最大的細(xì)胞膜表面受體家族，在細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中發(fā)揮核心作用。大麻素受體CB1是人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)表達(dá)量最高的GPCR之一，它對(duì)人的精神和情緒調(diào)節(jié)至關(guān)重要。掌握了CB1與激動(dòng)劑和拮抗劑復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)信息，等與看清該受體的‘陰陽(yáng)雙面’，對(duì)于內(nèi)源性大麻素系統(tǒng)的功能機(jī)制研究有重要的指導(dǎo)意義。

細(xì)胞適應(yīng)脂質(zhì)過度累積引起活性氧增多的分子機(jī)制

中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所李伯良研究組與武漢大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院宋保亮研究組合作，開展膽固醇和脂肪酸通過競(jìng)爭(zhēng)性氧化調(diào)控ACAT2蛋白半胱氨酸的泛素化研究，研究成果發(fā)表于《自然—細(xì)胞生物學(xué)》。脂質(zhì)（膽固醇、脂肪酸等）過度累積引起活性氧（ROS）增多，是引起脂毒性進(jìn)而導(dǎo)致糖尿病的原因之一。研究發(fā)現(xiàn)膽固醇酯合成酶ACAT2通過在其277位的半胱氨酸殘基上進(jìn)行泛素化修飾而降解，膽固醇和脂肪酸誘導(dǎo)的ROS可氧化該半胱氨酸殘基，從而抑制ACAT2的泛素化降解，增多的ACAT2將過量有毒的極性脂（膽固醇、脂肪酸）轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)毒的膽固醇酯，從而改善胰島素敏感性。

組蛋白修飾分工調(diào)控基因表達(dá)水平和基因表達(dá)噪音

中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所錢文峰研究組計(jì)算分析了人類胚胎的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)多種組蛋白修飾分別調(diào)控了基因表達(dá)水平和基因表達(dá)噪音，相關(guān)研究成果發(fā)表于《PLOS計(jì)算生物學(xué)》?；虮磉_(dá)過程依賴于轉(zhuǎn)錄因子、染色質(zhì)調(diào)控因子和染色質(zhì)等生物大分子在布朗運(yùn)動(dòng)過程中的隨機(jī)碰撞，因此，即使是基因型和分化類型完全相同的細(xì)胞在相同環(huán)境下也存在基因表達(dá)的差異，被稱為基因表達(dá)噪音。論文揭示了組蛋白修飾在調(diào)控基因表達(dá)水平和基因表達(dá)噪音上的“分工”，為理解轉(zhuǎn)錄組進(jìn)化提供了線索，對(duì)研究干細(xì)胞增殖分化、個(gè)體發(fā)育、病原菌的抗藥性以及農(nóng)作物的穩(wěn)產(chǎn)提供了指導(dǎo)意義。

細(xì)菌蛋白引導(dǎo)鏈與靶鏈不完全互補(bǔ)配對(duì)的分子機(jī)制

中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所王艷麗課題組及其合作者開展細(xì)菌Argonaute（Ago）蛋白引導(dǎo)鏈與靶鏈不完全互補(bǔ)配對(duì)的研究，研究論文發(fā)表于《核酸研究》。單堿基凸起如果發(fā)生在引導(dǎo)鏈上（7T8,5A6和4A5）只是在凸起位點(diǎn)引起Ago局部構(gòu)象的變化，而對(duì)于核酸雙鏈的堿基堆積以及對(duì)靶鏈的切割影響很小。單堿基凸起發(fā)生在靶鏈的種子區(qū)中（6’U7’和6’A7’）能夠引起復(fù)合物結(jié)構(gòu)明顯的構(gòu)象變化，影響對(duì)靶鏈的切割。單堿基凸起6’N7’對(duì)于引導(dǎo)鏈和靶鏈的互補(bǔ)穩(wěn)定性以及切割活性的影響較大。由于引導(dǎo)鏈的5’末端第一個(gè)堿基不與靶鏈形成互補(bǔ)配對(duì)，當(dāng)該位置的堿基發(fā)生變化時(shí)，對(duì)引導(dǎo)鏈和靶鏈的互補(bǔ)穩(wěn)定性以及Ago蛋白的切割活性影響較小。

基因編輯技術(shù)獲得遺傳增強(qiáng)的優(yōu)質(zhì)干細(xì)胞

中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所劉光慧課題組、動(dòng)物研究所曲靜課題組、北京大學(xué)湯富酬課題組聯(lián)合開展基因編輯技術(shù)的應(yīng)用研究，改寫了人類基因組遺傳密碼中的單個(gè)堿基，首次在實(shí)驗(yàn)室中獲得了遺傳增強(qiáng)的干細(xì)胞（Genetically Enhanced Stem cells，GES細(xì)胞）。這種GES細(xì)胞能夠?qū)?xì)胞衰老和致瘤性轉(zhuǎn)化產(chǎn)生雙重抵抗作用，因此為開展安全有效的干細(xì)胞治療提供了可能的解決途徑，相關(guān)論文發(fā)表于《細(xì)胞研究》。通過NRF2基因的單堿基置換可以賦予人類干細(xì)胞更強(qiáng)的抵御應(yīng)激和衰老的能力，以及在體內(nèi)更好的留存和再生修復(fù)功能，甚至對(duì)干細(xì)胞癌變的抵抗活性；從概念上證明了利用該策略獲得優(yōu)質(zhì)安全細(xì)胞移植物的可行性。

原核生物轉(zhuǎn)錄調(diào)控元件的絕緣化設(shè)計(jì)原則

中國(guó)科學(xué)院微生物研究所婁春波課題組與合作者在開發(fā)了一套普適于原核生物轉(zhuǎn)錄調(diào)控元件的絕緣化設(shè)計(jì)原則，該原則通過絕緣化處理消除了基因轉(zhuǎn)錄過程的核心元件——啟動(dòng)子和操作子之間的功能干涉效應(yīng)，顯著提高了它們的模塊化屬性和組裝過程可預(yù)測(cè)性，從而在生物基因?qū)用鎸?shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和虛擬優(yōu)化的全過程，研究論文發(fā)表于《自然—通訊》。啟動(dòng)子和操作子是轉(zhuǎn)錄調(diào)控的核心元件。啟動(dòng)子負(fù)責(zé)招募RNA聚合酶開啟轉(zhuǎn)錄過程；操作子則通過招募轉(zhuǎn)錄因子控制啟動(dòng)子活性的上調(diào)或下調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)基因表達(dá)信息流的整合與調(diào)控?；虮磉_(dá)調(diào)控作用是細(xì)胞生長(zhǎng)、代謝和分化等重要生命活動(dòng)的基礎(chǔ)。

細(xì)菌中脂滴結(jié)合DNA并參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控的新功能

中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所劉平生課題組發(fā)現(xiàn)細(xì)菌脂滴能夠通過其主要蛋白MLDS結(jié)合并保護(hù)基因組DNA，以及通過MLDSR蛋白參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控，從而有利于細(xì)菌在極端環(huán)境下生存，研究論文發(fā)表于《自然—通訊》。脂滴是一種以中性脂作為內(nèi)容物、由單層磷脂膜和外周蛋白包被的球型細(xì)胞器。脂滴單層磷脂膜的特異性，特別是脂滴結(jié)構(gòu)蛋白對(duì)脂滴的特異識(shí)別，表明脂滴是細(xì)胞中非常特殊的且區(qū)別于其他雙層磷脂膜細(xì)胞器的膜結(jié)構(gòu)。細(xì)菌脂滴的出現(xiàn)，給細(xì)菌提供了一種嶄新的、不同于細(xì)胞質(zhì)膜的細(xì)胞區(qū)隔化方式。細(xì)菌脂滴的出現(xiàn)，有可能是原始細(xì)胞核的雛形，是細(xì)胞由原核到真核進(jìn)化的一個(gè)重要里程碑。

線粒體炫調(diào)控神經(jīng)元突觸水平的長(zhǎng)時(shí)程記憶

中科大生命科學(xué)學(xué)院畢國(guó)強(qiáng)課題組與北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)研究所程和平課題組合作，發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元樹突“線粒體炫信號(hào)”在神經(jīng)突觸傳遞短時(shí)程記憶向長(zhǎng)時(shí)程記憶的轉(zhuǎn)化中可能發(fā)揮著關(guān)鍵作用，研究論文發(fā)表于《自然—通訊》。線粒體炫是單個(gè)線粒體的量子化信號(hào)，它含有線粒體活性氧激增、基質(zhì)瞬時(shí)堿化、膜電位瞬時(shí)下降等多重變化，時(shí)程為數(shù)十秒，是新形式的線粒體基本功能事件。線粒體炫廣泛存在于多個(gè)物種及多種細(xì)胞。突觸可塑性是學(xué)習(xí)記憶的神經(jīng)基礎(chǔ)。線粒體炫的發(fā)生依賴于神經(jīng)活動(dòng)鈣信號(hào)及鈣依賴性激酶，其所釋放的活性氧信號(hào)可能是促進(jìn)突觸長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)的信號(hào)分子。