北京生科院建立单细胞环形RNA分析技术及表达图谱

环形RNA是一类在真核细胞中广泛存在的内源性非编码RNA分子，在生物体发育过程中发挥重要作用。之前研究已在不同物种中鉴定出数百万个环形RNA分子，并产生了大量用于揭示生物体组织表达模式的环形RNA数据资源。然而，由于大多数环形RNA表达量较低，传统的转录组测序方法无法表征单个细胞环形RNA表达谱系特征及异质性。近年来，随着单细胞全长转录组测序技术的发展，已可对单个细胞中环形RNA进行捕获测定。尽管效率较低，仍可部分揭示单细胞分辨率下环形RNA的表达模式。因此，单细胞水平的环形RNA表达及功能研究已成为该领域重点关注的问题。

中国科学院北京生命科学研究院研究员赵方庆团队致力于环形RNA方面的研究。6月10日，该团队在《自然·通讯》（Nature Communications）上，发表了题为「Exploring the cellular landscape of circular RNAs using full-length single-cell RNA sequencing」的研究论文。该研究基于海量单细胞全长转录组测序数据集，实现了单细胞分辨率下环形RNA的高效识别及深度挖掘，基于大规模时空组学数据的整合分析，探索了环形RNA的细胞异质性，揭示了环形RNA作为细胞类型标志物的应用潜力。该研究将目前环形RNA研究从传统组织水平提升至单细胞水平，为探究不同细胞类型中环形RNA的生物学功能提供了重要的数据资源和分析技术。

图1.基于单细胞全长转录组的环形RNA识别和整合分析

科研人员收集整理了171个已发表的单细胞全长转录组数据集（图1），包含人和小鼠中58种组织和细胞类型，共计172137个细胞。同时，研究建立了基于单细胞转录组数据的环形RNA识别和整合分析方法，在人和小鼠中共识别出40604和131533个高度可靠的环形RNA分子。基于以上数据所生成的单细胞环形RNA综合表达图谱，为环形RNA的研究提供了有力的数据支持，并为揭示环形RNA在不同细胞类型及发育阶段的动态变化提供了重要资源。

该研究深度剖析了单细胞数据中环形RNA的表达模式，发现它们在不同细胞类型上具有高度特异性。研究对小鼠大脑不同细胞类型中环形RNA的表达的分析表明，抑制性和兴奋性神经元的差异性表达与RNA结合蛋白的表达具有高度相关性。此外，研究观察到胚胎发育不同阶段的特征性环形RNA，阐释了环形RNA从母体来源至合子表达发生的动态转变过程。

图2.环形RNA单细胞表达图谱及数据平台——circSC

进一步地，基于单细胞测序技术可有效的揭示肿瘤发展和转移过程中细胞水平的异质性，研究建立了20名乳腺癌患者的单细胞数据集，分析发现环形RNA在正常和肿瘤细胞的上皮间质转换过程中的表达规律和潜在功能。研究筛选出人和小鼠中细胞类型特异性环形RNA，并验证了其可作为生物标志物在解析肿瘤浸润性免疫细胞中的适用性。最后，研究构建了目前首个单细胞环形RNA数据分析和资源平台——circSC（图2），为环形RNA研究奠定了独特而重要的数据和技术基础。

研究工作得到国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金基金重点项目和国家重点研发计划的支持。赵方庆团队致力于建立高效的算法模型和实验技术，探索人体微生物与非编码RNA的结构组成与变化规律，解析它们与人类健康和疾病的关系。近年来，相关成果先后发表在Cell（2020）、Gut（2022/2020/2018）、Nature Biotechnology（2021）、Nature Computational Science（2022）、Nature Communications （2022a/2022b/2021/2020/2017/2016）、Genome Biology（2021/2020/2016）、Molecular Biology and Evolution（2022）、ISME J（2019）等上，这些研究丰富了科学家对人体微生物与非编码RNA多样性、结构组成与功能的认识，并为相关数据挖掘及功能机制研究提供了重要方法学工具。

生物物理所揭示兴奋性神经递质谷氨酸转运蛋白配体结合模式的结构基础

中枢神经系统中，谷氨酸（Glutamate）是含量最高、分布最广的兴奋性神经递质，通过激活突触后膜谷氨酸受体，参与大脑的学习和记忆等功能。突触间隙中兴奋性谷氨酸水平必须受到严格调节，以避免谷氨酸受体过度刺激导致的谷氨酸兴奋性毒性。表达于星形胶质细胞质膜上的兴奋性谷氨酸转运蛋白2（hEAAT2）利用转运离子的跨膜电化学梯度和膜电位为驱动力，将突触间隙中约90%谷氨酸转运到细胞中进行清除。hEAAT2属于SLC1A家族蛋白，具有谷氨酸转运和介导阴离子电导的双重功能。该蛋白功能失调或障碍时，可导致癫痫、帕金森病、发作性共济失调和肌萎缩侧索硬化症等多种神经系统疾病，是重要的药物治疗靶标。目前，尚无以此类蛋白（EAATs）为治疗靶标的药品上市。因此，对hEAAT2蛋白配体结合模式的阐释，将对治疗hEAAT2相关神经系统疾病具有重要意义。

图3.hEAAT2蛋白功能表征和整体结构。（a）野生型hEAAT2阴离子电流的Glutamate浓度依赖的激活曲线；（b）野生型hEAAT2阴离子电流的WAY-213613浓度依赖的抑制曲线；（c）hEAAT2三聚体细胞质侧视图。

6月9日，中国科学院生物物理研究所赵岩课题组、东北农业大学生命科学学院姜巨全课题组与北京大学药学院黄卓课题组合作，在《自然·通讯》（Nature Communications）上，发表了题为「Structural basis of ligand binding modes of human EAAT2」的研究论文。该研究报道了两个分辨率均为3.4Å的hEAAT2结合天然底物Glutamate（ ）或抑制剂WAY-213613（ ）的复合物结构（图3），阐明了hEAAT2配体结合的结构基础。研究结合电生理技术，验证了氨基酸残基 对Glutamate和抑制剂结合具有重要作用；鉴定出I464-L467-V468残基簇是抑制剂WAY-213613高选择性结合hEAAT2的结构基础。

图4.hEAAT2蛋白配体结合位点及关键氨基酸残基功能验证。（a）hEAAT2Glu结构中参与Glutamate结合残基；（b）突变体D475ATM8、R478ATM8和S441GHP2阴离子电流的WAY-213613浓度依赖的抑制曲线；（c）突变体S441GHP2阴离子电流的Glutamate浓度依赖的激活曲线；（d）hEAAT2W结构中参与WAY-213613结合残基；（e）突变体（I464VTM8、L467ITM8和V468ITM8）阴离子电流的Glutamate浓度依赖的激活曲线；（f）突变体（I464VTM8、L467ITM8和V468ITM8）阴离子电流的WAY-213613浓度依赖的抑制曲线。

在 结构中，Glutamate与其周围广泛而保守残基参形成极性相互作用，其中包含残基 和 （图4a）。同时，蛋白HP2通过特异性残基 和 与其他结构元件形成氢键，起到维持HP2关闭进而稳定Glutamate结合的作用。电生理实验结果证明，氨基酸残基 和 突变后突变体保留通道活性，但丧失Glutamate结合能力（图4b）。当hEAAT2上特异的氨基酸残基 突变为同源蛋白保守的甘氨酸残基后，突变体对Glutamate亲和力比野生型提高了77倍（图4c），推测该突变破坏了残基维持HP2关闭的相互作用，从而促进Glutamate释放，加速Glutamate转运循环，致使hEAAT2偏向具有更高通道开放概率。

在 复合物结构中，抑制剂WAY-213613通过极性或疏水相互作用（图4d），占据谷氨酸相似的结合位点。氨基酸残基 、 和 与抑制剂形成极性或阳离子-π键相互作用稳定抑制剂结合（图4b、4d）。同时，I464-L467-V468残基簇对于WAY-213613高选择性、高亲和力结合hEAAT2颇为关键。电生理实验证明，这些关键氨基酸的突变都显著的降低WAY-213613对hEAAT2的抑制作用（图4e-f）。这些结构信息阐明了hEAAT2的配体结合模式，为未来药物的设计和开发奠定了结构基础。

研究工作得到国家脑科学与类脑智能技术项目、中科院战略性先导科技专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金、生物物理所生物大分子国家实验室开放课题等的支持。生物物理所生物成像中心为本研究提供了设备和技术支持。

物理所等在EuTe₂中发现压致超导与共存反铁磁序的同步增强现象

凝聚态物理中的许多反常现象，如近藤效应、重费米子行为和巨磁阻效应等，源于局域磁矩与巡游电子之间的相互作用。在适当条件下，巡游电子在低温形成库珀对并与局域磁矩共存，体系会进入磁性超导态。由于磁有序与超导往往相互排斥，磁性超导体比较少见，而一旦形成，磁性自由度的参与会使超导态具有非常规的配对机制或呈现反常物理现象。因此，探索新的磁性超导体对于探究非常规超导机制和发现新奇物性具有重要意义。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心怀柔研究部HX-EX6组博士后杨芃焘与刘子儀在副研究员王铂森和研究员程金光的指导下，与上海科技大学教授郭艳峰课题组合作，针对最近发现的新型巨磁阻材料EuTe₂开展了高压调控研究，充分发挥综合极端条件实验装置六面砧高压实验站的独特优势，通过高静水压下的电输运、交流磁化率和交流比热测量，率先在EuTe₂中发现压致超导电性，并观察到超导与反铁磁序的共存和反常的同步增强现象。

图5.EuTe₂常压下的结构和物性：a、晶体结构示意图，b、A型反铁磁结构，c、倾斜反铁磁结构，d、不同磁场下的电阻率曲线，插图为5K时的磁阻曲线。

EuTe₂具有CuAl₂型晶体结构，其中具有局域磁矩的Eu²⁺离子（4f⁷, S = J = 7/2）层与提供传导电子的[Te2]²⁻层沿c轴交替堆叠，形成天然的三明治结构（图5a）。常压下，EuTe₂呈现半导体特性，并在 ≈ 11 K发生反铁磁相变，形成A型反铁磁结构，即c轴取向的Eu²⁺磁矩在层内铁磁排列，而在层间反铁磁排列（图5b）。在T < 施加c轴方向的外磁场时，Eu²⁺磁矩会首先在 ≈ 2-3 T发生突然的自旋翻转，转变为倾斜反铁磁结构（图5c，此时在c轴方向将产生净铁磁分量），然后在更高磁场 ≈ 7.6 T实现完全铁磁极化。磁电阻测试表明，Eu²⁺晶格的磁结构变化会引起电输运性质的突变，即自旋翻转的同时电阻陡降，造成低温下出现磁场诱导的半导体-金属转变，从而显示出巨磁阻效应（图5d）。这些常压下的研究结果表明，EuTe₂是研究局域磁矩（Eu²⁺-4f⁷）与传导电子（Te-5p）强烈耦合且结构非常简单的材料体系。关于EuTe₂常压下的详细物性表征，可参考中山大学王猛教授课题组[Phys. Rev. Mater. 4, 013405 (2020)]和中科院宁波材料技术与工程研究所研究员李润伟和钟志成等的成果[Phys. Rev. B 104, 214419 (2021)]。

图6.EuTe₂高压下的物性：a、电阻，b、低温区交流磁化率，c、高温区交流磁化率，d、交流比热。

考虑到EuTe₂在常压下的能隙只有14-16 meV，高压是调控该体系自旋-电荷耦合及磁电基态的有效手段。图6a给出了EuTe₂单晶在0-11.5 GPa范围内不同压力下的电阻率ρ(T)曲线。可以看出，电阻率随着压力增加而逐渐减小，11.5 GPa时仍保持半导体行为；根据ρ(T)上的反常（箭头所示）所定义的 随压力增加而单调升高，11.5 GPa时已升至约30 K。高压下交流磁化率（图6c）和交流比热（图6d）测试结果也进一步确认了 随加压而逐渐升高的变化规律。对EuTe₂施加P > Pc ≈ 6 GPa的压力时，ρ(T)在3-5 K出现超导转变，并随加压逐渐向高温移动（图6a插图），而此时正常态ρ(T)仍保持半导体型的导电特征。通过高压下的交流磁化率测试并对比EuTe₂和Pb的抗磁信号（图6b），排除了杂质超导的可能，确认EuTe₂中观察到的超导态为体超导。

图7.a、EuTe₂在~7 GPa压力和不同磁场下的电阻曲线，b、不同压力下的5 K电阻-磁场曲线，c、EuTe₂在6.6 GPa压力和不同磁场下的低温电阻曲线，d、临界压力附近的上临界磁场拟合，长虚线和短虚线分别表示Ginzburg-Landau（G-L）和Werthamer-Helfand-Hohenberg（WHH）模型拟合曲线，水平横线是两个样品的泡利顺磁极限Hp(0)。

为了进一步探究高压下的磁基态以及外磁场对正常态和超导态的影响，科研人员在Pc附近详细测试了不同磁场下的ρ(T)和不同温度下的ρ(H)曲线，发现磁场仍会造成半导体-金属转变（图7a）和电阻的陡降（图7b）。这表明EuTe₂在Pc附近的高压下仍具有A型反铁磁结构，但会随压力增加而逐渐升高。磁场对电阻转变的逐渐抑制进一步验证了超导电性，同时在具有净铁磁分量的倾斜反铁磁态超导仍可存在（图7c），这表明其具有较大的上临界磁场Hc₂。如图7d所示，无论是采用Ginzburg-Landau（G-L）公式还是Werthamer-Helfand-Hohenberg（WHH）模型进行拟合，Pc附近超导态的零温Hc2(0)都非常接近甚至超过弱耦合的泡利顺磁极限HP = 1.84Tc，这说明EuTe₂中的超导态具有强耦合或非常规配对机制。此外，图7d中的Hc₂(T)数据点在~2T发生了不连续侧移，这来源于Eu²⁺晶格的自旋翻转贡献了额外的内磁场，进一步表明局域磁矩对超导态具有调制作用。

图8.EuTe₂的（a）温度-压力相图和（b）7 GPa的温度-磁场相图。

综合上述实验结果，研究绘制了EuTe₂单晶的温度-压力/磁场相图。如图8a所示， (P)随压力增加而升高，其斜率d /dP在Pc ≈ 6 GPa发生显著改变，即从0.85 K/GPa提高至3.7 K/GPa，而超导恰好在Pc附近出现，且Tc(P)也随加压而单调升高。因此，EuTe₂中发现的压致超导不仅与反铁磁序共存，而且二者表现出反常的同步增强现象。此外，从Pc附近(~7 GPa)的温度-磁场相图（图8b）可以看出，超导态还可以与具有净铁磁分量的倾斜反铁磁序共存。由于高压下的同步辐射XRD测试结果排除了在Pc附近发生结构相变的可能，研究认为高压下EuTe₂的物性演化与Te-5p能带的展宽和Eu²⁺磁交换作用的增强密切联系，即加压使Te-5p能带提供了更多的载流子，这些载流子在高温时通过间接交换作用增强了Eu²⁺离子之间的交换作用，同时在低温又形成库珀对。这可以解释超导的出现伴随着反铁磁序的同步增强，而磁性自由度的参与也可以理解超导态的反常性质。EuTe₂中发现的这些新奇物理现象值得深入研究，并为揭示磁性超导体中的配对机制和反常物性提供了新的材料研究平台。

近日，相关研究成果发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上。研究工作得到北京市自然科学基金重点专题项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项（B类）和中科院青年创新促进会等的支持。物理所EX6组副研究员孙建平、SC4组研究员董晓莉和副研究员张华、T06组研究员胡江平和特聘研究员蒋坤，以及日本东京大学教授Yoshiya Uwatoko等参与研究。

上海硅酸盐所等在含氧阴离子调控催化位点配位环境研究中获进展

为实现零碳经济，设计高效、低成本的阳极催化剂是达成电解水绿色制氢和生物质电氧化升级的关键。由于固有的氧化还原特性，镍基非贵金属电催化剂被认为是潜在的候选者，但关于镍位点配位环境的活性调控机制尚缺乏深入研究。

近日，中国科学院上海硅酸盐研究所研究员王家成团队前期研究发现磷酸根阴离子可有效调控镍位点的电子结构，增强镍氧共价性，提升其析氧活性（Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 3773-3780；VIP）。在此基础上，该团队首次提出了含氧阴离子调控镍基电催化剂配位环境的设计理念，揭示了含氧阴离子在甲醇氧化反应中的不同作用机制。该工作通过对镍基类金属（NiPx、NiSx和NiSex）进行阳极电化学氧化，原位构建具有不同含氧阴离子配位的无定形羟基氧化镍（NiOOH-TOx）。研究表明，NiOOH-POx显示出最优的局部配位环境，提高了Ni位点对甲醇选择性氧化成甲酸盐的电催化活性。实验和理论计算结果表明，NiOOH-POx具有最优的OH*和甲醇吸附能力，含氧阴离子POx优化了Ni位点的d带中心，有效提升了电催化活性。该研究为通过含氧阴离子调节活性中心配位环境以促进有机分子电转化提供了新观点。

图9：构筑不同含氧酸阴离子调控的Ni活性位点及其电催化甲醇氧化性能

相关研究成果发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上。研究工作得到国家自然科学基金面上项目、重大研究计划培育项目，以及上海市优秀学术带头人计划等的支持。北京工业大学与苏州科技大学的科研人员参与研究。

论文链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41467-022-30963-8

[2]https://www.nature.com/articles/s41467-022-31031-x

[3]https://www.nature.com/articles/s41467-022-30718-5

[4]https://www.nature.com/articles/s41467-022-30670-4

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