近日,清华大学、南京工业大学、南京中医药大学在Nature杂志发表了最新研究论文,清华大学5项最新科研成果接连发表于《自然》(Nature),其中一项科研成果的论文作为封面文章登上Nature杂志。
清华大学
图1. 新型关联基因的基因簇位置(左)以及Cas9蛋白体积相关性(右)
为了进一步探索Cas9和NAGs的关系,研究人员开发了一套结构生长轨迹分析方法(structural growth trajectory analysis, SGT analysis),通过预测1381个II-C型Cas9的蛋白结构,实现了对Cas9蛋白结构演变的量化和轨迹分析。通过分析,发现了较大蛋白体积的II-C型Cas9存在自身新功能结构域生长进化的趋势,呈现出三条不同的蛋白体积逐渐变大的进化轨迹。并且研究人员还发现与NAGs的协同作用富集在三条生长轨迹的终点,这可能说明在漫长的进化过程中,Cas9系统新功能结构域的插入和NAGs的出现具有一定的相关性。
图2. 结构生长轨迹分析方法(左)和II-C型Cas9的生长轨迹图(右)
随后研究团队通过生化实验和冷冻电镜解析复合体结构表明,来自金黄色细菌属(Chryseobacterium sp.)的CbCas9生长出了一个全新的增强Cas9活性的β-REC2结构域,以及一个全新的能够与其关联基因PcrIIC1互作的CTH结构域。通过蛋白间相互作用,2个CbCas9蛋白和2个PcrIIC1蛋白能够形成异源四聚体复合物。
图3. CbCas9效应蛋白结构(左)和CbCas9-PcrIIC1复合体结构(右)
研究团队发现,PcrIIC1蛋白能够作为一种CRISPR免疫增效子(Pro-CRISPR),通过与CbCas9形成异源四聚体复合体增强其活性。CbCas9-PcrIIC1复合物表现出增强的DNA结合和切割活性,更广泛的前间隔序列邻近基序(PAM)兼容性,更强的DNA双链解旋能力以及对靶向序列互补错配(mismatch)的容忍能力。
图4. PcrIIC1增强CbCas9的DNA结合(a)、切割(b)、PAM兼容性(c)、DNA解旋(d)和错配容忍(e)能力
为了进一步探究PcrIIC1增强Cas9活性的具体机制,研究人员利用冷冻电镜解析高分辨结构发现,CbCas9-PcrIIC1复合物的能力增强来源于复合物中的两个CbCas9能够结合同一条长链DNA,通过更强的电荷相互作用,使得该复合物的DNA结合能力增强。并且,复合体中的两个CbCas9通过协同作用,使得长链DNA发生扭曲和变构,更容易被解旋,从而促进了CbCas9-PcrIIC1复合物的DNA干扰(interference)能力。同时,研究团队还发现,两个CbCas9能够对称地分别靶向长链DNA的两条单链上的靶标序列,从而提高其在基因组上搜寻靶标的效率。
图5. CbCas9-PcrIIC1复合物结合长链DNA的结构
最终,为了检验CRISPR免疫增效子PcrIIC1对CbCas9抗噬菌体免疫能力的影响,研究人员在大肠杆菌中进行了抗噬菌体实验。实验显示,与单独的CbCas9相比,PcrIIC1的协助显著减小了噬菌斑面积,表明CRISPR免疫得到了增强。而如果破坏CbCas9与PcrIIC1的相互作用,会导致增强的免疫力丧失,证实了CbCas9-PcrIIC1复合体的组装对增强CRISPR免疫至关重要。此外,PcrIIC1能够提高CbCas9对错配的容忍度,使其能够有效对抗携带靶位点基因组突变的入侵噬菌体。
图6. PcrIIC1显著增强了CbCas9系统的细菌免疫活性
总的来说,研究团队首次通过大规模结构预测揭示了II-C型Cas9蛋白从紧凑型到大型的进化轨迹并鉴定出NAGs。NAGs仅在II-C型基因簇上被发现,并且主要与分子量较大的Cas9蛋白偶联。特别是,其中一种新型关联基因编码的PcrIIC1作为一种CRISPR免疫增效子(pro-CRISPR),与CbCas9形成异源四聚体功能性复合物,通过二聚化CbCas9显著增强其对DNA底物的识别、靶向和切割的能力,最终提高了细菌对噬菌体的免疫力。
清华大学生命学院刘俊杰副教授、北京大学生命学院白洋研究员和清华大学生命学院陈春来副教授为该文通讯作者;清华大学生命学院博士后张寿悦、博士生孙奥、中国科学院遗传与发育生物学研究所博士生钱景美和清华大学生命学院博士生林铄为该文共同第一作者。
此外,该项研究工作得到了中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞课题组、北京生命科学研究所董梦秋课题组的大力支持。该工作由国家重点研发计划(2022YFF1002801)、基金委原创项目(32150018)、农业部、科学探索奖、清华大学和北京大学的经费、资源支持。
南京工业大学
平板显示器和固态照明应用对更高效、更亮的薄膜发光二极管(LED)的需求日益增长,这推动了对三维钙钛矿(3D)的研究。这些材料表现出高电荷迁移率和低量子效率下降,有望实现具有增强亮度的高效LED。为了提高LED的效率,在促进辐射复合的同时尽量减少非辐射复合是至关重要的。各种钝化策略已被用于降低三维钙钛矿薄膜的缺陷密度,以实现接近单晶的水平。然而,缓慢的辐射重组限制了3D钙钛矿的光致发光量子效率(PLQEs)低于80%,导致LED器件的外部量子效率(EQEs)低于25%。
近日,南京工业大学黄维院士、王建浦教授和朱琳教授团队等人在Nature上发表了题为“Acceleration of radiative recombination for efficient perovskite LEDs”的文章,提出了一种双添加剂结晶方法,可以形成高效的3D钙钛矿,实现了96%的PLQE。这种方法促进了以高激子结合能而闻名的四方相FAPbI3钙钛矿的形成,有效地加速了辐射复合,实现了具有创纪录峰值EQE为32.0%的钙钛矿LED,即使在100 mA cm−2的高电流密度下,效率仍然大于30.0%。这些发现为推进高效、高亮度钙钛矿LED的发展提供了有价值的见解。
图1、钙钛矿薄膜的制备工艺及表征© 2024 Springer Nature
图2、双添加剂钙钛矿LED的器件结构与性能© 2024 Springer Nature
图3、钙钛矿薄膜的光学性能© 2024 Springer Nature
图4、钙钛矿薄膜的结构表征© 2024 Springer Nature
为了实现具有卓越亮度的高效LED,使用具有高PLQEs,最小的俄歇或激子猝灭,高电荷迁移率以及具有有利于高效光解耦结构的发光材料至关重要。现有的薄膜发光材料,包括有机半导体、量子点和低维钙钛矿,都不能同时满足所有这些标准。在该项工作中,研究者们提出了一种直接的方法来解决这一挑战,使用具有增加激子结合能的3D钙钛矿,这有助于加速辐射重组的速度。通过促进四方相FAPbI3钙钛矿的形成,成功地在三维钙钛矿薄膜中实现了接近统一的PLQE。这使得能够实现前所未有的32.0% EQE记录的LED。该项工作在为突破钙钛矿LED的效率限制铺平道路,并在下一代显示和照明技术中发挥其全部功能方面具有至关重要的意义。
南京中医药大学
5月29日,南京中医药大学医学院朱家鹏教授和耶鲁大学张凯教授联合研究团队的科研成果“High-resolution in situ structures of mammalian respiratory supercomplexes” 在国际顶级期刊《自然》(Nature)上在线发表。该研究突破了蛋白质纯化的传统概念,直接以线粒体成像,首次实现了线粒体原位膜蛋白的高分辨结构解析,得到呼吸链超级复合体的最真实最清晰的三维结构,为氧化磷酸化这一最基本的生命过程的研究提供了坚实的理论基础。这是南京中医药大学首次以第一完成单位在Nature上发表的高水平研究论文,标志着其在能量代谢相关结构生物学领域的重大研究进展。
线粒体研究的历史沿革是一段跨越了数个世纪的探索旅程,标志着人类对生命机制深层理解的渴望与进步。最早在19世纪末,科学家们通过显微镜首次观察到线粒体的存在。21世纪,线粒体研究进入新的高峰,研究领域不断拓宽,从线粒体的基本生物学到其在疾病中的作用,再到线粒体替代疗法和抗衰老研究。线粒体研究正处于前所未有的黄金时期,它的发现和理论正不断推动医学深入发展,揭示生命科学奥秘。
当前,结构生物学在揭示线粒体复杂功能和机制方面取得了显著进展,通过使用冷冻电镜(cryo-EM)和X射线晶体学等高分辨率成像技术,科学家们已经能够详细描绘出线粒体内部结构和关键蛋白质复合体的三维结构。但仍面临诸多挑战,比如线粒体内部结构的极端复杂性和动态性,使得获取生理性与底物结合的代表性结构极其困难;对于线粒体内部代表性蛋白的研究主要通过体外提纯的方法,往往只能捕捉到特定时刻的“快照”,距离真实的线粒体内部环境和重要蛋白的详细反应机制还有很大的空白。
朱家鹏研究团队突破了蛋白质纯化的传统概念和冷冻电子显微镜技术的束缚,首次实现了在完整的细胞器水平上对心脏来源的线粒体进行超高分辨率成像,可直接从线粒体上精准捕获生命过程的一瞥,精确到了近乎原子级别的细节。
▲实验研究图
该研究展现了呼吸链在线粒体上的排布,观测到生理状态下天然底物运作的微观过程,精确定位了呼吸链蛋白质的侧链结构,达到了前所未有的1.8埃(原子尺度的一种度量单位)的分辨率,意味着可观测到蛋白质中几乎每一个原子的位置。该研究不仅揭示了健康细胞中的情况,还通过模拟心脏缺血的细胞条件,预先对心脏进行处理提取线粒体,观察到病态呼吸链的变化,让科学家们能够直接明确呼吸链的作用机制,为现代医学发展和疾病治疗提供了新方向。
南京中医药大学2022届博士、2023年南京中医药大学与耶鲁大学联合培养博士后郑婉为第一作者,南京中医药大学朱家鹏教授和耶鲁大学张凯教授为通讯作者。