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  8月13日,国际学术期刊CellDiscovery在线发表了中国科学院上海营养与健康研究所中科院计算生物学重点实验室(马普计算生物学研究所)邵振课题组研究论文“MAP:model-basedanalysisofproteomicdatatodetectproteinswithsignificantabundancechanges”,报道了一种新计算模型MAP,用于统计分析基于同位素标记产生的定量蛋白质组数据并鉴定其中差异表达的蛋白质。  基于同位素标记和质谱技术的定量蛋白质组实验(如iTRAQ、TMT和SILAC等)能同时检测数千甚至上万个蛋白质在不同样本之间的相对丰度或表达差异。这类数据已有的差异表达分析方法大多依赖于对并行或已有的技术重复数据进行前期比较来构建实验的技术误差模型,并以它为基础检验每个蛋白质在被比较样本之间表达差异的统计显著性。该方法占用了有限的实验通道,也难以保证误差模型的精确适用性。  针对这一局限,在MAP模型中研究人员发展了一种新颖的分步回归(step-by-stepregression)分析流程,实现直接对被比较的两个iTRAQ样本构建技术误差模型。在此类研究中,一个常用的经验假设是技术误差对样本间每个蛋白质iTRAQ信号log2比率(log2-ratio)的贡献服从以0为中心的正态分布N(0,σ2)。其中,方差σ2依赖于该蛋白质的信号强度,并且常被用一个指数衰减函数来刻画其依赖关系,即所要构建的全局误差函数。MAP模型首先使用滑动窗口扫描两个样本的M-A图,同时对窗口中0附近的log2比率进行线性建模,以其斜率的平方作为误差函数的局域估计。然后,对所得局域估计进行第二轮指数拟合,获得被比较样本的全局误差函数,并以它为参照计算每个蛋白质信号差异的显著性P值(图1)。  同位素标记定量蛋白质组数据长期存在比率压缩的难题。研究人员使用MAP模型分别比较分析了三个批次产生的小鼠胚胎干细胞分化前后蛋白质组数据,发现蛋白质iTRAQ信号log2比率在不同批次间关联很低(图2a),可能是因为技术误差对其贡献所服从的正态分布N(0,σ2)在批次间各不相同。根据MAP模型,研究人员提出使用每个批次的全局误差函数对其中每个蛋白质iTRAQ信号的log2比率进行重标度(rescaling),使得在不同批次中技术误差对其贡献均服从标准正态分布N(0,1),从而发展了一个新的Z统计量。比较不同批次蛋白质Z统计量之间的关联,可以发现它具有明显更好的可重复性(图2b)。  为方便蛋白质组领域研究者使用MAP模型进行数据分析,研究人员搭建了一个网络服务平台(http://bioinfo.sibs.ac.cn/shaolab/MAP)。该平台额外搭载了一个整合分析模块,能够通过整合多个批次生物重复比较结果的次优P值或者平均Z统计量来最终鉴定差异表达蛋白质,并新发展了一种分析方法用于估测基于这些统计量所定义差异表达蛋白质的错误发现率(FDR)。此外,在用于双样本比较的MAP模型基础上,研究人员还通过分别用样本方差和卡方分布分位数取代原分步回归建模流程中所使用的log2比率和标准正态分布分位数,进一步发展了适用于多样本比较的拓展eMAP模型。  上述研究由营养与健康所研究助理李木山和博士研究生涂世奇等在研究员邵振的指导下,与中科院植物生理生态研究所、复旦大学上海医学院和美国西南医学中心等多家单位的研究人员合作完成,得到国家自然科学基金委、科技部和中科院等的资助。  论文链接 图1:MAP模型的分步回归分析流程:(a)局域线性拟合;(b)全局指数拟合构建技术误差模型;(c)计算每个蛋白质信号差异的显著性P值。 图2:不同批次蛋白质iTRAQ信号的log2比率(a)和Z统计量(b)的皮尔森关联系数。

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用原子力显微镜拍摄的碳-18分子的三维图像图片来源:IBM  在大多数化学家都已然放弃尝试很久之后,一个研究小组终于合成出第一个由18个原子组成的环状纯碳分子。  化学家从一个由碳和氧组成的三角形分子入手——他们用电流操纵来制造这个碳-18环。对这种被称为环碳的分子性质进行的初步研究表明,它具有半导体的功能,可以使类似的直碳链成为分子级电子元件。  日本大阪大学化学家YoshitoTobe说,这是一项“绝对令人震惊的研究工作”,开辟了一个新的研究领域。“许多科学家,包括我自己,都试图捕获环碳并确定它们的分子结构,但却都是徒劳的。”Tobe说。  这项研究结果发表在8月15日出版的美国《科学》杂志上。  纯碳有几种不同的形式,包括钻石、石墨和“纳米管”。元素的原子可以与自身形成各种构型的化学键,例如,每个原子都能以金字塔形状与4个相邻的原子结合,就像钻石一样;或者与3个相邻的原子结合,比如构成单原子厚度石墨烯薄片的六角形模式。(在块状石墨、碳纳米管和被称为富勒烯的球状分子中也发现了这种三键结构)  然而碳也可以仅仅和附近的两个原子成键。长期以来,诺贝尔奖得主、纽约州伊萨卡市康奈尔大学化学家RoaldHoffmann等人认为,这将导致纯碳原子链的形成。每个原子可以在每一边形成一个双键——这意味着相邻的原子共用两个电子,或者在一边形成一个三键,在另一边形成一个单键。不同的研究团队已经尝试基于这种模式合成环或链。  但是英国牛津大学化学家PrzemyslawGawel说,由于这种结构类型比石墨烯或金刚石具有更强的化学反应性,因此其稳定性较差,尤其是在弯曲时。  合成稳定的链和环通常需要包含碳以外的元素。一些实验已经暗示在一个气体云中会产生全碳环,但还没有找到确凿的证据。  Gawel和他的合作者现在已经创造出了长期寻找的环状分子碳-18并进行了成像。  通过使用标准的“湿”化学方法,他的合作者、牛津大学化学家LorelScriven,首次合成的分子包括从环上脱落的有4个碳的正方形,同时正方形上附着有氧原子。随后,研究小组将他们的样本送到位于瑞士苏黎世的IBM实验室。在那里,合作者将氧—碳分子放在一层氯化钠上,并置于一个高真空室内。研究人员用电流(借助原子力显微镜,也可以使用扫描调谐显微镜)一次操作一个环,以去除多余的含氧部分。  经过反复试验,显微扫描显示了18个碳原子的结构。“我从没想过会看到这个。”Scriven说。  IBM的研究人员表示,18碳环有交替的三键和单键。对于碳-18到底具有这种结构,还是完全由双键构成,理论研究结果一直存在分歧。  研究人员认为,交替的化学键类型很有趣,因为它们被认为赋予了碳链和碳环以半导体的性质。研究结果表明,长而直的碳链也可能是半导体,Gawel说,这可能使它们在未来成为分子大小的晶体管的有用组件。  目前,研究人员正在研究碳-18的基本性质,他们一次只能生成一个分子。研究人员还将继续尝试其他可能有更多产量的技术。“迄今为止,这只是非常基础的研究。”Gawel说。  Hoffmann表示:“这项研究工作很漂亮。”不过他补充说,碳-18在脱离盐表面后是否稳定,以及它是否能比一次合成一个分子更有效,还有待进一步观察。

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吗啡通过PV和SST神经元中的阿片受体协同调控奖赏  复旦大学脑科学研究院教授马兰团队一项最新研究发现,吗啡能协同激活大脑皮层中两类不同的中间神经元,造成抑制性神经环路的持续失活,从而揭示了吗啡等成瘾性药物产生强烈奖赏和依赖作用的神经机制。近日,该研究成果在线发表于《自然》子刊《分子精神病学》。  吗啡等阿片类药物具有良好的镇痛作用,但其同时也能产生强烈的奖赏作用(欣快感),因此会导致成瘾甚至滥用。研究表明,吗啡等阿片类药物通过激活细胞表面的阿片受体而发挥作用。脑内大部分神经元是兴奋性神经元。以往的研究表明,阿片类药物给药后,可引起兴奋性神经元形态和功能可塑性的长期改变,这被认为是其药理作用和成瘾的基础。然而,大脑皮层中还存在中间神经元,虽然在数量上只占神经元的一小部分,但其所介导的抑制性突触传递在调控兴奋性突触传递和环路整合中发挥着关键作用,其功能异常将导致精神疾病。  马兰团队研究发现,吗啡能激活PV中间神经元上的μ—阿片受体,直接减弱对兴奋性神经元的抑制。同时,吗啡还通过激活SST中间神经元上的δ—阿片受体,增强其对PV神经元的抑制,进一步削弱PV对兴奋性神经元的抑制。  该论文通讯作者马兰表示,这一研究首次揭示了吗啡通过作用于两种中间神经元上不同的阿片受体,协同调控抑制性微环路,以直接和间接的方式削弱前边缘大脑皮层对兴奋性神经元的抑制性输入,使其持续去抑制,从而产生异常强烈奖赏作用的机制,并为研发低成瘾性阿片类镇痛药物提供了新的思路。

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  糖尿病(DM)是一种慢性代谢性疾病,高血糖是DM的主要表型,随着时间的推移导致严重的糖尿病并发症,包括冠状动脉疾病、中风、外周动脉疾病、视网膜病变、肾病和神经病变。调节餐后血糖(PBG)水平是治疗糖尿病和预防糖尿病相关并发症的有效治疗方法。a-葡萄糖苷酶抑制剂已被推荐作为治疗DM的一线药物,但在临床上由于其副作用使其使用受到限制。因此,从天然产物中筛选高效低毒的α-葡萄糖苷酶抑制剂仍然是研究的热点。   “植被恢复与药用植物资源课题组”通过对唐古特大黄中化学成份的系统分离和筛选,发现白藜芦醇苷具有显著的α-葡萄糖苷酶抑制活性。其IC50值为22.9±0.17μM,抑制活性明显强于阳性药物阿卡波糖和白藜芦醇(264±3.27μM和108±2.13μM)。体内研究结果显示,口服白藜芦醇苷可显著抑制正常小鼠和糖尿病小鼠的PBG增加,并呈剂量依赖性。此外,通过酶动力学分析和分子对接实验,确定了白藜芦醇苷对α-葡萄糖苷酶的竞争性抑制机制。该研究为开发治疗糖尿病餐后高血糖提供了备选化合物。   相关论文“ResveratrolosideAlleviatesPostprandialHyperglycemiainDiabeticMicebyCompetitivelyInhibitinga-Glucosidase”于2019年5月在一区期刊《JournalofAgriculturalandFoodChemistry》正式发表。赵晓辉副研究员为该论文第一作者,周国英研究员和岳会兰副研究员为共同通讯作者。该研究得到青海国际合作项目(2017-HZ-806),青海自然基金项目(2018-ZJ-913),四川省学术合作项目(2018JZ0019)等基金资助。 总体路线图

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  热带地区是全球气候变化的关键区域,该地区的降雨变化不仅影响着世界上40%的人口和全球生态系统的稳定性,而且对全球水文循环和能量平衡也起着十分重要的作用。20世纪后半叶,随着全球变暖,北半球热带地区的降雨呈下降趋势,但其原因到底是自然变化(如火山喷发、内部海气涛动)还是人类活动(如硫酸盐气溶胶和温室气体的排放)至今争议不休。由于缺乏对热带地区降雨变化驱动机制的完整理解,目前对未来降雨变化趋势的预测存在完全不同的观点。一些研究认为全球变暖将会使热带地区降雨增加,导致“湿润的地方变得更湿润”或者“暖的地方变得更湿润”。然而,也有观点认为在全球变暖的背景下,热带地区降雨将会减少。为了更好地理解热带地区的降雨变化,有必要在更长的气候背景下研究其特征和驱动机制。同时,过去暖期降雨变化研究还可以为全球变暖下未来趋势变化提供历史相似型,并有助于改善气候模式的精度。   中科院地球环境研究所“一带一路”气候环境研究中心谭亮成研究员领衔的国际研究团队,于2019年8月12日在国际顶尖学术期刊《美国国家科学院院刊》(PNAS)上发表了2700年中印度-太平洋地区降雨变化的最新研究成果。他们还建立了一条新的、涵盖过去2000年的热带辐合带(ITCZ)移动指数记录。该研究的另一个亮点是揭示14世纪末到15世纪初的极端降水事件对吴哥文明消失的可能影响。   这个国际团队包括了来自亚洲、澳洲、美洲和欧洲等17所研究单位的科研人员,他们基于地处ITCZ中心区的泰国南部可兰洞(KlangCave)的3根可重复的、精确定年(最小测年误差为0.5年)的石笋氧同位素记录,重建了中印度-太平洋北部地区过去2700年(706BC-2004AD)连续的高分辨率降雨记录。重建结果显示过去2700年中印-太北部降雨呈长期下降趋势,与北半球热带其他地区如东南亚、中美洲、加勒比海的古水文记录一致,而与南半球热带地区如非洲东部、西太平洋暖池、热带太平洋东部和南美等地区的降雨增加趋势相反。这体现了轨道尺度上夏季太阳辐射对南北半球热带降雨变化反相位关系的驱动作用。   为了研究这一区域百年到十年尺度的降雨变化,研究人员去掉了石笋氧同位素的长期趋势。对比发现,在现代暖期和中世纪暖期,中印-太地区南北部降雨均显著减少。值得注意的是,他们的研究结果显示14世纪末期到15世纪初,这一区域存在持续数十年的极端降雨事件,这和柬埔寨吴哥文明时期城市排水系统的冲毁时间一致,表明强降雨导致的洪水事件可能对高棉帝国的灭亡产生了重要影响。通过进一步分析,他们发现中世纪暖期和现代暖期中印度-太平洋地区百年-十年尺度干旱的空间模式与厄尔尼诺事件发生时期类似。   考虑到热带地区的降雨变化不仅受到厄尔尼诺-南方涛动的影响,受控于沃克环流的纬向移动,还和ITCZ的南北经向移动密切相连,而沃克环流的纬向移动对中印度-太平洋地区南北部的影响相似。因此,研究人员通过泰国南部和印尼石笋重建的中印-太北南地区降雨的差值,构建了一条新的ITCZ南北移动指数记录。结果显示在过去2000年,ITCZ存在整体南移的趋势,和南北半球副热带地区温度梯度有关。在中世纪暖期的前期(950-1150AD)以及现代暖期,ITCZ的平均位置偏南。据此,研究人员认为20世纪以来热带北部地区的干旱趋势类似于历史暖期,主要由于厄尔尼诺活动的增强以及ITCZ的南移导致。人类活动对北半球热带地区降雨变化造成的影响,还没有改变自然变化的趋势。   该项研究有助于加深对中印度-太平洋地区历史时期降雨变化以及ITCZ动力演化的理解,为进一步提高我们预测全球变暖背景下这一重要地区未来降雨变化的能力提供古气候学的理解,服务“21世纪海上丝绸之路”建设。研究得到国家重点研发计划“亚洲季风变异及突变事件”(2017YFA0603401)、陕西省杰出青年科学基金(2018JC-023)以及中科院青促会优秀会员项目(2012295)等资助,是中科院地球环境研究所“一带一路”计划的系列研究成果(文章链接:https://www.pnas.org/content/early/2019/08/06/1903167116)

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  水资源短缺是目前面临的一个全球性问题,对地球上丰富的海水进行淡化则是解决水资源短缺问题的一个重要途径。但传统的海水淡化往往需要高能量消耗,在一些能源短缺的地区难以实现,因此,亟需一种绿色、高效、可持续的海水淡化方法来缓解上述危机。太阳光驱动的界面光热水蒸发,由于其可以通过在远远低于水沸腾的温度下产生蒸汽来进行海水纯化,在过去几年中引起了越来越多的关注。但是目前大多数的光热纯化都集中在二维(2D)界面汽化平台上,其存在立体空间利用效率低、热损失高等问题。因此,在一个受限制的系统中,将2D光吸收器单元构建成三维(3D)框架被认为是提高净化水收集能力的最为直接有效的方法之一。  基于前期发展的一种水-空界面毛细力诱导挤压,中国科学院宁波材料技术与工程研究所陈涛研究员团队构建了大面积、可任意转移的碳纳米管薄膜的方法(Chem.Mater.2016,28,7125;ACSNano2019,13,4,4368-4378),最近,该团队通过毛细力转移的方法,在水空界面上将碳纳米管薄膜和商业用打印纸原位复合,构建了一种柔性、可剪裁且可图案化的非对称碳纳米管复合纸。受到大自然中树木的结构的启发,树木能够在三维方向上生长,并具有分层的叶子和根用来增强蒸腾作用,研究人员进一步将这种图案化的非对称碳纸经过特定的剪裁、组合成3D树形结构,并将其运用于光热水纯化(如图1)。结果发现,这种3D树形结构的光热蒸发器相比较2D平面结构具有一个更强的光热水蒸发能力,其海水纯化能力最高能到达2.38kg/m2/h(SolarRRL2019,DOI:10.1002/solr.201900004)。  然而,当处于一个不受限的系统中时,2D结构有时比3D结构具有更大的优势。因此,怎样简单、快速地实现光热蒸发器2D/3D结构的转换来适应不同的环境仍然面临挑战。该团队通过吡咯单体在纤维素纸表面原位氧化聚合得到聚吡咯杂化纸(PPyP),并利用对PPyP微观/宏观层面的协同调控,实现了最佳的光热水纯化速度。相比于传统固定的3D结构,该PPyP可实现2D/3D结构的相互切换(如图2),并具有很好的切换稳定性,从而可以更好地适应不同的应用环境(ACSAppl.Mater.Inter.2019,11,15498-15506)。  基于上述研究,最近,研究人员通过在棉织物表面可控的氧化聚合吡咯单体,制备得到了一种低价、大面积且具有机械稳定性、可洗涤和可缝制的聚吡咯棉布(PCM,如图3)。令人惊喜的是,此光热织物是通过湿法制备,展示了其能够大规模生产的潜力,且成本低至2美元/米2左右,具有相当强的商业竞争力。随后,受到植物的吸水、蒸腾行为及其多级结构的启发,并结合织物特有的可裁剪性及可缝制性,获得了一种具有多级结构的3D“植物”,实现了高效的“out-of-plane”光热蒸发。在一个太阳的强度下,实验室环境中,这种3D的PCM最高可实现3.37kg/m2/h的海水纯化速度。此外,该光热蒸发器具有一个很强的排盐性能,能够在夜间将白天积聚的盐通过PCM中丰富的毛细通道扩散到水相中,从而保证其长期稳定的使用。在户外实验中,在多云的天气下,7个小时内,每平方米该3DPCM能够纯化约5.39kg海水,且可直接达到WHO饮用标准(各种盐离子去除率保持在99.9%以上),能够满足个成年人一天的饮水需求。更有趣的是,基于3DPCM的光热蒸发器,甚至可以从固体基质(沙子等)中提纯海水或其他不可饮用的水,显示出了其在某些极端条件下的巨大应用潜力。相关工作近期发表在NanoEnergy2019,DOI:10.1016/j.nanoen.2019.104002。  以上工作得到了国家自然科学基金(51803226,51573203)、中科院前沿科学重点研究项目(QYZDB-SSW-SLH036)、博士后创新人才支持计划(BX20180321)、中国博士后科学基金(2018M630695)及宁波市科技局(2018A610108)等项目的资助。 图13D树形结构光热蒸发器设计与光热蒸发性能 图22D/3DPPyP相互切换 图3低价、大面积、高机械稳定性、可洗涤和可缝制的聚吡咯棉布用于海水淡化

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