-
宋茂勇研究组在催化剂选择性调控方面取得新进展
在前期的研究中，我们发现N元素掺杂能够显著提升TiO2的甲苯选择氧化性能，并初步证明在TiO2表面形成的N--Ti3+-Ov可能是甲苯选择性氧化的活性位点（Cell Reports Physical Science, 2022, 3, 100936）。我们进一步提出TiO2负载Pt提升甲苯选择氧化活性，但Pt负载带来的过氧化作用会显著降低反应的选择性（50.1%）。宋茂勇研究团队与清华大学肖海团队合作，针对如何调控Pt/TiO2的催化选择性开展了深入研究。
理论计算表明，Pt/TiO2催化剂的Ti3+是甲苯的甲基C–H键选择性氧化的活性位点，而Pt是甲苯过氧化的活性位点。常规合成的Pt/TiO2单原子催化剂具有典型的Pt-O二配位结构，有趣地是，四配位的Pt位点不会活化氧分子导致甲苯过氧化。在此基础上，我们利用还原TiO2为载体，氯铂酸（H2PtCl6）的水溶液为Pt前驱体，合成了Pt/B-TiO2催化剂。由于Pt与还原TiO2的电子相互作用较弱，电子从Pt向Cl配位转移形成稳定的Pt-Cl键。Cl配位使得Pt二配位结构转化为四配位结构（图1），在洗涤和焙烧处理后Pt-Cl键仍然稳定存在，抑制了Pt位点的甲苯过氧化活性。与此同时，富电子的Pt原子有利于Ti3+的稳定，进一步提升了甲苯的选择氧化效率。该方法有效调控了TiO2负载Pt催化剂的选择性，对甲苯的甲基C–H键氧化的选择性可以达到100%。
图1 甲苯选择氧化活性位点示意图和Pt/TiO2催化剂的甲苯选择氧化性能
相关研究成果发表于Journal of the American Chemical Society。生态环境中心麻春艳副研究员为第一作者，生态环境中心宋茂勇研究员和清华大学肖海教授为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金（22125606, 21976198, 21777175）项目的支持。
论文链接1：https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.100936
论文链接2：https://doi.org/10.1021/jacs.3c03257
环境纳米技术与健康效应重点实验室
2023年5月10日
2023-05-10
-
![]()
汪海林研究组在人工定向进化蛋白研究方面取得重要进展
中国科学院生态环境中心环境化学与生态毒理学国家重点实验室汪海林研究组在人工定向进化蛋白研究方面取得重要进展，相关研究成果近日在线发表于Analytical chemistry （Artificially Evolved Super Binder for Specific Recognition of N6-Methyladenine Base Modification in DNA and RNA, doi: 10.1021/acs.analchem.3c00588）。
DNA和RNA中都存在一种重要的表观遗传碱基修饰，即N6 -甲基腺嘌呤(6mA/m6A)。细菌中DNA 6mA在病原体预防、DNA复制以及错配修复中起到重要作用（Reisenauer et al. 1999, Wion et al. 2006）。2015年，在果蝇、线虫等高等生物中也发现DNA 6mA修饰（Zhang et al. 2015, Greer et al. 2015, Wu et al. 2016）。RNA m6A在RNA的转录、剪接、运输、翻译、衰减中起到作用（Liu et al. 2017, Roundtree et al. 2017, Yu et al. 2018, Wang et al. 2014, Lee et al. 2021）。目前商品化的6mA抗体能够非特异性结合不含修饰的短重复序列，产生广泛的假阳性峰（Lentini et al. 2018）。如何准确测定DNA/RNA中6mA/m6A位点及分布仍是表观遗传学领域、化学测量学与化学生物学中一个极其重要的科学难题。针对这一难题，汪海林研究团队尝试发展人工定向进化技术合成一个可高特异性、高亲和力识别N6-甲基腺嘌呤修饰的超级结合蛋白。该蛋白一旦合成成功将可应用于DNA/RNA中6mA/m6A的成像、检测和基于亲和沉淀的测序。
为了获得高亲和力的6mA/m6A结合蛋白，该团队首先利用易错PCR技术建立RNA m6A reader的随机突变文库，然后利用酵母表面展示相应的突变蛋白库，可获得3x108个不同的突变蛋白。采用不含6mA的DNA探针（FAM标记）作为阴性对照，含有6mA的DNA探针（Cy5标记）作为正向筛选探针，同时与酵母进行孵育。通过荧光激活细胞分选对6mA结合蛋白进行分选。采用这种进化策略，该团队进行了三次突变文库构建和筛选，获得了三种人工进化的蛋白，命名为e6mABP1、e6mABP2和e6mABP3（图1）。
图1. e6mABP蛋白的人工定向进化流程示意图。流式图中的红框门用于分选优势突变体。
分别诱导3种蛋白在酵母表面展示后进行流式表征，实验结果显示，与原始的reader模板蛋白相比，e6mABP1-3中Cy5的信号峰明显向右偏移，说明这些蛋白的Cy5结合信号增加，但是FAM结合信号相似。将这些流式图重叠，可以看出e6mABP1、e6mABP2和e6mABP3的Cy5荧光强度分别是初始reader模板的2.6倍、12.4倍和26.5倍。为了让进化的蛋白在体外与含6mA的DNA结合并验证蛋白活性，该团队纯化了重组蛋白MBP-Flag、MBP-Flag-reader、MBP-Flag-e6mABP1、MBP-Flag-e6mABP2和MBP-Flag-e6mABP3，纯度在98.7% ~ 99.3%，终浓度约为20 ~ 30 mg/mL。该团队将e6mABP蛋白与DNA探针孵育，进行了凝胶电泳迁移分析。分别观察e6mABPs-DNA复合物和未结合DNA探针的两条条带。与不含6mA的DNA探针相比，e6mABP3在100 nM的情况下就可以观察到其对含有6mA的DNA有更明显的结合倾向。e6mABP2和e6mABP3对不含6mA的DNA的亲和力（Kd）分别为1620 nM和1549 nM，与reader模板蛋白（Kd=686 nM）相比，e6mABP2和e6mABP3对不含6mA的DNA的亲和力较低。与reader模板蛋白（Kd=150 nM）相比，e6mABP2和e6mABP3对含有6mA的DNA的亲和力（Kd=54-93 nM）都有所增加。这些结果表明，e6mABPs比reader模板蛋白对含有6mA的DNA探针具有更高的亲和力和特异性。因此，随着进化轮数的增加，筛选获得的e6mABP对不含6mA的DNA探针的亲和力降低，而对含6mA的DNA探针的亲和力显著增加。
研究团队以m6A reader YTHDF2C为初始模板，进行包含突变文库构建、酵母表面展示、FACS的三轮定向进化，最终筛选获得6mA超级结合蛋白e6mABPs。e6mABPs对含有6mA的DNA具有较高的亲和力和特异性。获得的e6mABPs将为6mA富集提供一种高效、可重复且经济的方法。此外，该研究的进化方案也可以用于其它DNA/RNA修饰的特异性结合蛋白的进化与筛选，促进相关研究的发展。
中国科学院生态环境研究中心博士生刘艳为论文的第一作者，汪海林研究员为通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金的资助。
论文链接: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.3c00588
DOI: 10.1021/acs.analchem.3c00588
环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2023年4月28日
2023-04-28
-
贺泓院士团队发现大气N2O5非均相生成新机制
硝酸盐是大气PM2.5的主要组成。大气硝酸盐的两个主要生成途径分别为NO2的气相氧化（与OH自由基反应）以及N2O5的水解。传统观点认为大气N2O5的唯一来源是NO2和大气NO3自由基的反应，而NO3自由基主要来自于NO2与O3反应。在国家自然科学基金大气霾化学基础科学中心等项目（22122610, 22188102, 22006158）资助下，中国科学院生态环境研究中心贺泓院士团队与宾夕法尼亚大学Joseph S. Francisco教授团队、香港城市大学/内布拉斯加大学林肯分校曾晓成教授团队合作研究发现，光照条件下，吸附在TiO2表面的NO2可被光生空穴氧化，生成吸附态的NO3。吸附态的NO3并不倾向于直接脱附，而是与另一个NO2分子结合生成N2O5，并释放到大气中。在这一光氧化过程中，TiO2表面的羟基对NO2的吸附和转化起到了非常关键的作用。这一发现揭示了大气N2O5一个新的非均相生成来源，研究成果以“Photocatalytic Oxidation of NO2 on TiO2: Evidence of a New Source of N2O5”为题，发表于Angew. Chem. Int. Ed.期刊。
图1. TiO2表面NO2非均相光氧化形成N2O5示意图
该研究同时评估了这一非均相来源对实际大气条件下的N2O5贡献。盒子模型模拟结果表明，在TiO2材料大量使用的城市近地面环境中，高浓度NOx在TiO2表面光氧化可导致白天N2O5的大气浓度最多升高20%，从而成为大气N2O5的一个重要贡献源，并对后续硝酸盐生成等过程产生重要影响。该团队近期研究还发现，城市近地面环境中的TiO2表面对SO2光氧化生成气态硫酸也有重要贡献，可显著促进大气新粒子形成（Environ Sci Technol 2023, 57 (2), 920-928），增加大气颗粒物数浓度。这些研究成果表明城市地区的光化学活性表面可能对城市大气化学过程和空气质量具有重要影响。
论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202304017
大气环境与污染控制实验室
2022年4月20日
2023-04-20
-
郑明辉课题组编制的国家生态环境标准《土壤和沉积物 毒杀芬的测定 气相色谱-三重四极杆质谱法》（HJ 1290-2023）发布
毒杀芬是一种组成复杂的混合物，具有持久性、高毒性、生物蓄积性、半挥发性，是《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》首批优先控制的12种持久性有机污染物之一。
郑明辉课题组基于参加《全球POPs监测技术导则》的经验，创新同位素稀释技术，建立了在3万多种毒杀芬同类物中，准确识别和定量3种指示性毒杀芬的方法。方法具有选择性强、检出限低、灵敏度高的特点，达到国际领先水平。课题组联合中国环境监测总站编制了国家生态环境标准《土壤和沉积物 毒杀芬的测定 气相色谱-三重四极杆质谱法》，于2023年2月9日在生态环境部网站（2023年第8号文）正式发布，详见https://www.mee.gov.cn/ywgz/fgbz/bz/bzwb/jcffbz/202303/t20230314_1019454.shtml，本标准将于2023年8月1日正式实施。
环境化学与生态毒理学国家重点实验室长期以来致力于新污染物检测方法研究，其持久性有机污染物检测技术成果能助力于我国开展新污染物治理和国际履约工作。
环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2023年3月16日
2023-03-15
-
![]()
Ecology：树大未必招虫！研究揭示热带森林植食率的垂直分布格局
动物对植物的取食，即植食过程，是自然界最为常见的生物间相互作用之一。这一过程对植物的生长、繁殖、生存以及生物多样性维持有着深远影响。然而，自然界中的植食程度在不同物种之间差异巨大，如何解释这种差异，已成为当前群落生态学领域数十年来关注的基本科学问题之一。
当前，学术界对这一问题的解释主要包括几个假说。1）化学防御假说，认为植物化学防御物质（如次生代谢物）的差异是导致植食率高度差异的主要原因。但该假说的推测往往只在单个物种或少数近缘物种之内成立。在群落尺度上，特定次生化合物的含量和植食率之间的关系非常微弱；2）“显示度”假说，该假说认为在群落中更容易被发现的个体或物种（比如更高，更大的个体），遭到植食性动物取食的程度会更高；即自然界存在“树大招虫”的格局。3）负密度制约假说，认为一定范围内同种植物密度越高，则这种植物遭受的植食程度也越高；4）生长速率假说，认为物种的生长策略，决定了其植食程度。采取高生长速率策略的物种会对植食动物采取耐受型策略，所以这些植物的植食率会更高。目前，在物种高度多样化的热带森林群落中，上述哪种机制决定了物种之间的虫食率格局仍不清楚。
为回答这一问题，中国科学院生态环境研究中心张霜副研究员与中国科学院西双版纳版纳热带植物园徐国瑞副研究员借助塔吊系统，在补蚌热带雨林大样地开展合作研究。通过对目前已知的全球最大幅度林冠垂直落差采样（地上1.6 – 65 m高），同时考虑了目标植物叶属性及其邻居的多样性、多度、高度异质性、系统发育历史等因素，综合分析了这些因素对于虫食率种间变异的影响。通过对129种乔木6700片叶片的系统采样分析，发现： 1）植食率随着林冠高度的增加而降低，这与显眼度假说的预期相反；2）邻居的多样性、同种个体多度、邻居高度异质性等因素，对目标植物的植食率均没有显著影响。即没有检测到明显的协同防御效应和负密度制约效应；3）叶面积越大，则植物的植食率越高，这说明占据稳定、优质的食物资源，可能是植食性昆虫进行宿主选择的重要依据。这一研究揭示了在高度复杂的生态系统中，种间相互作用的垂直格局是一个不同忽视的因素，这给我们理解种间相互作用变异规律和生物多样性的维持机制提供了新思路。日前，这一研究以“Canopy height, rather than neighborhood effects, shapes leaf herbivory in a tropical rainforest”为题，在生态学经典期刊Ecology上在线发表。Ecology当值主编认为“This paper will do a great job of advancing our understanding of herbivory in tropical forests”。
本研究受到了中国科学院热带森林生态学重点实验室开放课题、国家自然科学基金(31971481)、中国科学院青年创新促进会（2019046, 2022401）等项目的资助。特别感谢西双版纳森林生态系统国家野外科学观测研究站给予本研究的大力支持。
全文链接：https://esajournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ecy.4028
图1 补蚌塔吊样地树种取样分布点和取样乔木个体的高度分布（红色点为采样个体，灰色点为塔吊范围内的其他个体）
图2 树冠高度、叶片大小、比叶面积和邻居物种丰富度（NSR）与植食率的关系
图3 贝叶斯谱系结构方程模型分析不同因素对植食率的作用路径
城市与区域生态国家重点实验室
2023年3月15日
2023-03-15
-
![]()
祝贵兵研究组在泥炭湿地温室气体氧化亚氮N2O通量研究方面取得进展
泥炭地储存了全球土壤10-30%的总有机氮和总有机碳，对全球温室气体N2O、CH4和CO2的释放影响重大。自人类世（Anthropocene）以来，北方季节性冻土区泥炭地以地球平均升温速率两倍的速度（每10年0.6°C）升温。升温引起氮矿化速度加快，导致冻土区泥炭地大量非活性氮变为生物可利用态氮，并进入微生物氮循环过程。越来越多的证据表明，北极和亚北极地区永久冻土区泥炭地已经融化并释放大量N2O。与活跃层融化的永久冻土相比，季节性冻土区泥炭地在土壤剖面中融化过程更强烈，具有更大的氧化还原电位梯度，因此可能释放更多的N2O。基于以上分析，我们提出科学假设：季节性冻土区泥炭地是N2O释放的“热区”，而融化时期是每年N2O释放的“热时”。
图1 采样时间和土壤剖面实景照片
研究发现，季节性冻土区泥炭地在春季土壤融化时期的N2O排放通量为1.20±0.82 mg m-2 d-1，显著高于其他时期和同纬度的其他生态系统，甚至高于全球最大的天然陆地N2O释放源——热带森林。15N-18O同位素示踪和抑制剂联用研究结果显示，细菌和真菌反硝化作用（83.1±8.4%）是泥炭地剖面（0–200 cm）N2O的主要微生物来源。宏基因和宏转录组测序技术进一步分析表明，季节性冻土区泥炭地具有较高的N2O产生潜力，冻融作用显著刺激了N2O产生基因的表达，加强了N2O产生微生物之间的互作关系，从而导致了春季融化时期N2O的大量产生，融化时期大量的N2O释放使得季节性冻土区泥炭地成为了一个重要的N2O排放源。这项研究提供了关于季节性冻土区泥炭地解冻后潜在氮释放的新见解，并为地球系统模型提供了重要信息，从而能够更好地预测气候变暖条件下北方泥炭地的生物地球化学循环。
图2 样点和区域尺度上季节性动土区炭地N2O释放通量
随着全球气候变暖的加剧，泥炭地中碳降解和氮矿化速率将大幅增加。我们的研究表明，季节性冻土区泥炭地“热时”时期N2O的排放将加剧变暖效应，可能使泥炭地成为一个净“加热源”。人类生产活动与自然环境变化都可能加速这种效应。因此，保护泥炭地对于全球生态安全和气候变化至关重要。
研究成果发表于微生物生态TOP期刊The ISME Journal，并受Nature Portfolio Communities邀请发表评述：Behind the paper of “Hot moment of N2O emissions in seasonally frozen peatlands”。中国科学院生态环境研究中心博士毕业生王晓敏为论文的第一作者，祝贵兵研究员为通讯作者。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41396-023-01389-x
评述链接：https://earthenvironmentcommunity.nature.com/posts/hot-moment-of-n2o-emissions-in-seasonally-frozen-peatlands-bfb1fe91-95b0-4cfc-bfcb-0bb572bd7cdf
环境水质学国家重点实验室
2023年3月13日
2023-03-13
-
刘思金研究组在《德国应用化学》上发表关于纳米佐剂方面新进展
刘思金研究员研究组与广州大学闫兵教授团队等合作在纳米佐剂方面取得新进展，相关研究成果近期以研究论文形式发表于《德国应用化学》（Angew Chem Int Ed Engl）（Ma, et al. Angew Chem Int Ed Engl. 2023, DOI: 10.1002/anie.202218719）。
佐剂是疫苗制剂制备中不可或缺的，具有增强对疫苗组分抗原特异性免疫应答或改变免疫反应的功效。传统佐剂主要是天然的免疫激活物质及其衍生产物，但往往效果欠佳，也存在副反应，而且其作用机制不完全清楚。纳米化的佐剂主要利用纳米颗粒实现对现有佐剂的包封、运载和呈递等，对如何调控纳米颗粒物结构及提高其自身佐剂活性方面亟待深入研究。
为了开发高效的促进免疫系统激活的纳米佐剂，该合作团队联合攻关，利用机器学习及分子模拟方法，深入接受了天然免疫受体的激活模式，总结了关键分子作用靶点的活化规律。据此，设计、合成了具有广谱Toll样受体靶向及激活的小分子配体库，将其修饰在纳米金球表面。进一步，利用定量构效关系（nano-QSAR）模型解析了表面配体及纳米金球对纳米金颗粒物@配体复合物诱导树突状免疫细胞（DC）活化，增强其表面与T细胞的共刺激分子及促炎细胞因子表达的贡献，优化小分子配体在纳米金颗粒物表面的展示模式，形成纳米金佐剂库。研究发现，新型纳米金佐剂能够显著提高DC细胞的抗原提呈能力及淋巴结运移能力，并具有良好的组织相容性，有效实现淋巴结靶向。同时，利用小鼠黑色素瘤肺转移模型以及乳腺癌模型，评价纳米金佐剂及肿瘤抗原形成的纳米疫苗的肿瘤的预防和治疗效果，发现该纳米疫苗能显著活化以DC细胞活化为核心的多种抗肿瘤免疫细胞，抑制肿瘤的生长及转移。本研究为纳米佐剂设计及合成提供了新的策略及方法。相关研究成果在线发表于Angew Chem Int Ed Engl。
马娟副研究员为第一作者。以上研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划和中科院青促会等项目的支持。
论文链接详见：https://doi.org/10.1002/anie.202301059
环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2023年2月28日
2023-02-28
-
![]()
朱永官院士团队在环境中致病菌毒力基因高通量检测方面取得新进展
近日，中科院生态环境研究中心土壤环境科学与技术实验室朱永官院士团队在环境中致病菌毒力基因高通量检测方面取得新进展，相关研究成果以“VFG-Chip: A high-throughput qPCR microarray for profiling virulence factor genes from the environment”为题发表于环境领域主流期刊Environment International上。
环境中的致病菌及其迁移扩散会导致一些人畜共患疾病，进而威胁人体健康和生态安全。致病菌所携带的毒力基因（Virulence factor genes, VFGs）是一种具有微生物性质的新型污染物，具有潜在的健康风险与生态风险。然而，由于缺乏高效可靠的量化工具，目前关于环境中致病菌的毒力组研究仍处于起步阶段。
为此，团队基于高通量实时定量PCR技术开发了一种致病菌毒力基因芯片（VFG-Chip），可用于环境中致病菌的毒力组研究。VFG芯片针对环境中4种典型人畜致病菌——肺炎克雷伯氏菌（Klebsiella pneumoniae）、鲍曼不动杆菌（Acinetobacter baumannii）、大肠杆菌（Escherichia coli）和肠道沙门氏菌（Salmonella enterica），覆盖了其中参与编码毒素、粘附因子、分泌系统、免疫逃避/入侵和铁摄取等5种主要功能的96个毒力基因，基于SmartChip高通量实时定量PCR平台，可在2小时内一次性检测42个样品的毒力组，且大于91%的引物扩增效率为90%至110%，具有高效、快速、准确等特点。目前，VFG芯片已成功地应用于城市污水处理系统以及土壤等环境样品毒力组的检测（图1）。VFG芯片为量化环境中致病菌毒力组提供了一种高效可靠的高通量检测手段，未来有望在致病菌毒力组特征及其健康风险与生态风险评估等相关研究中发挥重要作用。团队已为VFG芯片及其应用申请了发明专利。
图1 VFG芯片的设计、验证与应用
中科院生态环境研究中心博士研究生谢舒婷和丁龙君副研究员为论文共同第一作者，朱永官院士为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金重大项目、中国科学院战略性先导科技专项A、国家重点研发计划和中国科学院青年创新促进会的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.envint.2023.107761
土壤环境科学与技术实验室
2023年2月27日
2023-02-27
-
![]()
傅伯杰院士团队在大数据分析量化中国生态恢复固碳效应方面取得新进展
森林固碳是减缓气候变化的主要途径之一，近20年来我国开展了大规模国土绿化行动，森林碳储量发生了巨大的变化，急需开展高精度森林碳储量动态监测。遥感具有大尺度时空动态监测的潜力，但是存在着单个传感器监测时空分辨率和空间覆盖范围有限、光学和微波遥感监测融合不足、难以捕捉生态系统地下部分状态等问题，因此如何基于遥感监测开展多数据融合，准确量化地上和地下森林碳储量变化仍是一大挑战。
中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室傅伯杰院士团队联合北京师范大学、瑞士苏黎世联邦理工大学、法国巴黎-萨克雷大学、澳大利亚联邦科学与工业研究组织等单位开展合作研究，通过多源遥感与地面观测数据融合，量化了中国森林地上和地下植被碳储量动态。研究利用2444个地面样地实测的森林地上碳储量（AGBC）数据校正由C、L波段主动微波（ALOS PALSAR、Envisat ASAR载荷）反演的森林地上生物量，得到全国森林AGBC基准图；基于光学遥感（MODIS）森林和非森林植被覆盖度和地上生物量定量关系开展空间迭代形成2002-2021年AGBC动态数据，并进一步植被光学厚度（VOD）校正AGBC时间序列。此外，通过收集全国8729个森林样地的实测数据建立随机森林模型，根据年AGBC、林分年龄、气候背景等信息计算全国各栅格逐年森林地下植被碳储量（BGBC），数据分辨率为1km。
研究发现：2002-2021年中国森林AGBC和BGBC分别为8.6±0.6和2.2±0.1 PgC，植被碳储量较高的区域为西南和东北地区。全国森林碳储量以114.5±16.3 TgC/年的速率显著增加，其中AGBC和BGBC的增加分别贡献81.9%和18.1%。全国40.3%面积的森林植被碳储量显著增加，其中黄土高原、秦岭、西南喀斯特地区和东南森林地区增加最快；仅3.3%的森林植被碳储量出现减少，集中在大兴安岭、横断山脉和藏南地区的老龄林。东北针叶林和北方地区的落叶阔叶林具有较高的根冠比，而南方森林的根冠比相对较低。
此研究是团队继量化中国陆地生态系统植被固碳速率及其影响因素（Global Change Biology.，2021）之后，在生态恢复固碳效应方面取得的又一进展。团队基于生态环境大数据和机器学习，形成了全国尺度陆地生态系统地上、地下植被碳储量和植被固碳速率等方面的高精度动态监测能力，为我国碳中和目标提供新的数据支撑。
研究成果近期发表在国际著名数据期刊Earth System Science Data，同时数据产品发布于青藏高原科学数据中心。文章的通讯作者是冯晓明研究员，第一作者是博士毕业生陈永喆。
该研究得到了国家自然科学基金项目重大项目（41991233）和中国科学院青年团队计划项目（YSBR-037）资助。
文章链接：
1.https://doi.org/10.5194/essd-15-897-2023
2.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/gcb.15854
数据链接：
1.https://data.tpdc.ac.cn/zh-hans/data/fa3e5766-95a4-4de2-9d45-f51f917b73d9
2.https://data.tpdc.ac.cn/zh-hans/data/515d3a4d-fb66-4b56-9851-35622bac9576
城市与区域生态国家重点实验室
2023年2月24日
2023-02-24
-
![]()
汪海林研究组在同源重组分子机制研究方面取得重要进展
中国科学院生态环境中心环境化学与生态毒理学国家重点实验室汪海林研究组在同源重组分子机制研究方面取得重要进展，相关研究成果近日在线发表于Nucleic Acids Research (Flanking strand separation activity of RecA nucleoprotein filaments in DNA strand exchange reactions, doi: 10.1093/nar/gkad078)。
同源重组是一种十分保守的生物学机制，主要参与DNA双链断裂的准确修复和减数分裂过程中的非等位基因重组，在维持基因组稳定性和促进遗传多样性等方面发挥着关键作用。同时，多种环境污染物可引起最为严重DNA损伤（双链断裂），产生遗传毒性。而同源重组修复可有效消除这类遗传毒性。同源重组步骤繁多，需要多种蛋白质机器的协同参与，并受到精细调控。RecA/Rad51家族蛋白在单链DNA上组装形成的核蛋白纤维丝（nucleoprotein filament）具有同源寻找和识别功能，其介导的与同源双链DNA之间的链交换过程是同源重组的核心步骤，对其分子机制的解析是该领域的研究热点和难点。在前期的研究工作中（Cell Discov., 2017, 3: 16053; Chem. Sci., 2021, 12: 2039–2049等），汪海林课题组通过发展新颖的分析方法（包括毛细管电泳-激光诱导荧光偏振、酶切保护介导的单DNA片段分子测序等）可解析RecA蛋白在单链DNA上的动态组装。研究表明，在生理条件下（即存在有效的ATP水解），RecA在单链DNA组装形成低密度、不饱和的核蛋白纤维丝结构，含有大量裸露（未结合RecA蛋白）的核苷酸位点。经典模型中，RecA全覆盖的ssDNA形成的核蛋白纤维丝才能进DNA链交换。因此，他们的这一发现对过去经典模型的颠覆。同时也提出了新的科学问题：核蛋白纤维丝结构中RecA-缺失区域是如何进行链交换？为了回答这一问题，需要对链交换这一过程进行精细测量。然而，由于RecA蛋白介导的链交换反应非常迅速，对其动态过程进行高分辨的解析非常困难。针对这一难题，汪海林研究团队将链交换核心过程进行有效“分解”，即双链的分离和新碱基配对的形成两个步骤。同时通过巧妙设计一系列非常规的DNA底物以及发展新颖的双色交替激发-单分子荧光成像技术在单分子水平对这两个关键步骤进行实时观察，研究不饱和组装RecA核蛋白纤维丝介导DNA链交换的分子机制。
该团队首先利用截短的单链DNA作为入侵链，发现其仍能与全长的供体双链DNA进行有效的链交换反应，表明供体双链上“多出”的DNA片段在此过程中也发生了双链解旋。由于缺少对应的入侵链，该“多出”的部分不能被RecA蛋白直接接触，研究人员将这种不依赖RecA直接接触的解旋作用命名为RecA核蛋白纤维丝的侧翼链分离活性，并进一步利用两端同时延长的供体双链作为底物，对侧翼链分离所需的能量进行了评估。在此基础上，他们通过将1-3个不具有RecA成核能力的短片段（15个碱基长度）与较长的DNA片段（48-78个碱基长度）进行化学串联，构建了一种新的入侵链底物进行链交换反应。在ATP水解条件下，这些短片段不能被RecA结合，也不能与其对应的同源双链DNA发生链交换，但仍然具备碱基配对能力，因此能够用于模拟不饱和组装核蛋白纤维丝上未被RecA结合的裸露核苷酸位点。实验结果显示，相比于截短的入侵链，偶联有短片段的入侵链具有更高的链交换能力，表明这些短片段的碱基配对能力能够促进侧翼链双链分离活性，使其达到一个较长的范围（>45个碱基长度），揭示了长程侧翼链双链分离活性的存在。他们利用双色交替激发-单分子荧光成像技术对不同底物之间的链交换过程进行了实时观测并比较了它们的反应动力学，发现侧翼链分离是链交换反应的限速步骤，而入侵链与互补链的碱基配对可以通过降低能量壁垒加速这一过程。
图1. 不饱和组装RecA核蛋白纤维丝介导DNA链交换的分子模型
基于这些实验结果，研究人员首次提出了一种新的、侧翼链分离依赖的DNA链交换模型，揭示了不饱和组装RecA核蛋白纤维丝介导DNA链交换的分子机制。这一发现为深入理解同源重组及相关生物过程提供了新的方向，受到了审稿人的积极评价（the data is very interesting and exciting…it will definitely make many people in the field think）。
中国科学院生态环境研究中心余方志博士为论文的第一作者，汪海林研究员为通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金的资助。
论文链接: https://academic.oup.com/nar/advance-article
/doi/10.1093/nar/gkad078/7048501
环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2023年2月24日
2023-02-24
