生命学院孟安明和陶庆华研究组合作在《科学》发文揭示动物体轴成因
郑泉水等在《自然》发表“跨尺度的结构超滑和超低摩擦”展望综述
生命学院颉伟孟安明等在《分子细胞》发表斑马鱼配子及早期胚胎组蛋白修饰重编程研究成果
姚宏教授研究组发文揭示超导量子相变的三维时空超对称性
人和动物的躯体有两条主要轴线：头尾和背腹轴线，各种组织器官沿其依序排列。在脊椎动物胚胎发育早期，主要依赖于被称为组织中心（Organizer）的区域的作用，将这两条轴线逐渐建立。早在上世纪二十年代，德国胚胎学家汉斯.斯佩曼（HansSpemann）和希尔德.曼戈尔德（HildeMangold）在蝾螈的研究中发现了胚胎组织中心，斯佩曼也因此而获得了1935年诺贝尔生理医学奖。
此后的大量研究工作表明，胚胎组织中心是一个信号中心，通过调控细胞命运和细胞运动，导致胚胎形态的快速改变，胚胎形成各个胚层并获得类似成年后的躯体轮廓；组织中心形成的关键是使细胞质中的β-catenin蛋白进入细胞核，激活其它靶基因的表达。然而，是什么因子特异性诱导组织中心前体细胞中的β-catenin蛋白进入细胞核，研究界一直没有明确答案。
孟安明院士研究组发现了一种斑马鱼突变体，雌性突变体的卵子受精后，所有的胚胎不能形成组织中心以及头部和躯干，没有正常头尾和背腹轴线结构（图1）。通过细致的基因定位研究，发现突变表型出现的原因是卵子中缺少了一个母体基因的产物。因该基因是一个从未有功能报导、也没有被定名的基因，他们将该基因定名为huluwa，即中文的“葫芦娃”，源于一部分突变体胚胎的形状类似于葫芦（图1）。
研究者将体外合成的huluwa的mRNA注射到多细胞期胚胎的一个细胞中，可以高效地诱导出一个额外的组织中心，继之以形成一个额外的躯体，就像双胞胎一样，说明其具有强大的组织中心诱导能力。陶庆华教授研究组接着证明，将爪蛙卵子中huluwa的mRNA剔除后，受精卵也不能发育形成组织中心，之后不能形成头部和躯干；注射外源huluwa mRNA也可以诱导额外的躯干，说明鱼类和两栖类huluwa的功能是相同的。
进一步研究结果显示，早期胚胎中Huluwa蛋白定位在未来背部区域细胞的质膜上，它招募轴蛋白（Axin），后者是与β-catenin结合并导致其降解的关键蛋白。与Huluwa结合的轴蛋白将被降解，从而保护β-catenin不被降解而可以转运到细胞核中发挥作用。过去认为卵子来源的Wnt配体和受体结合产生的信号保护了胚胎未来背部区域的β-catenin，但该研究发现Wnt配体/受体在早期胚胎中很可能不发挥这种作用，Huluwa对β-catenin的保护作用不依赖于Wnt配体/受体信号。因此，Huluwa是发育生物学家长久以来苦苦追寻的一个胚胎背部决定因子。
孟安明院士和陶庆华教授为该项研究的共同通讯作者，清华大学生命学院博士生晏璐、博士后陈静和朱薛辰为共同第一作者；其他共同作者孙嘉伟、吴小童、沈炜敏、张渭莹也参与了部分实验工作。
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郑泉水等在《自然》发表“跨尺度的结构超滑和超低摩擦”展望综述
摩擦、磨损对人类社会影响深远。据统计，全球约1/4的一次性能源因摩擦而损耗，约80%的器件失效由磨损而引起。带来巨额经济损失的同时，还造成环境污染和无法挽回的资源浪费。进一步，摩擦、磨损的存在，使得许多关键技术（从航天器、高铁、计算机存储、到微机电系统等）遇到发展瓶颈；不少精妙的设计，仅能存在于人们的图纸或科幻小说之中。那么，有没有根本性的解决方案呢？
两个固体表面直接接触并相对滑移运动，摩擦磨损主要源于表面本身的粗糙性、表面之间的夹杂物和化学键等。早在1983年佩拉尔（M.Peyrard）和奥布里（S.Aubry）就利用一个十分简单、只含两个弹簧系数的Frenkel-Kontorova模型（简称FK模型），从理论上预测了两个原子级光滑且非公度接触的范德华固体表面（如石墨烯、二硫化钼等二维材料表面）之间存在几乎为零（简称“零”）摩擦、磨损的可能。近十年后平野（M.Hirano）等人通过FK模型的计算，再次提出了类似的预测，将其命名为超润滑（Superlubricity），并作了多次实验尝试。此后，马丁（J.M.Martin）等于1993年实验观察到了摩擦系数低达10-3量级的超低摩擦现象。由于长期没有证实佩拉尔等预测的超润滑概念，人们渐渐地将超低摩擦现象称作为超润滑，而将前者改称为结构润滑（StructuralLubricity）。人类历史上第一次观察到结构超滑（StructuralSuperlubricity）是在2004年，由荷兰科学院院士弗伦肯（J.Frenken）领衔的团队在纳米尺度、超高真空、低速（微米/秒）的条件下观察到石墨-石墨烯界面超滑。由于实验条件过于苛刻，无法投入实用。并且，包括弗伦肯本人在内的许多科学家都不仅认为，而且从理论上“证明”纳米以上尺度结构超滑难以实现。
2008年，郑泉水团队在世界上首次实验实现了微米尺度结构超滑。2012年，郑泉水团队证实了这是结构超滑，从而颠覆了人们的有关认识。弗伦肯（J.Frenken）等在《化学世界》（ChemistryWorld）（2012）上评价：“这是一个聪明的、经过仔细设计且极具勇气的实验。该现象发生在介观尺度，立刻将这个现象的研究从学术兴趣转化到实际应用（“immediatelybringsitfromacademictopracticalinterest”）。此后，全球性的结构超滑和极低摩擦研究都进入了一个加速增长期，研究者们在不同的系统中都观测到了结构润滑现象（图1）。清华大学除了以郑泉水教授为代表的研究团队在结构超滑领域处于国际领先地位之外，以雒建斌院士为代表的研究团队在固-液界面极低摩擦研究领域同样处于国际领先地位。
2016年郑泉水团队在《科技导报》撰写中文综述“超润滑:“零”摩擦的世界”，介绍结构超滑进展。在此基础上，此篇在《自然》上的展望综述更新了上述进展，并阐述了结构超滑未来的发展趋势和主要面临的挑战。自2008年以来，经过十年契而不舍探索和研究，结构超滑很可能正处于产生颠覆性关键技术和源头创新技术的前夜。这些技术的产生和应用将为人类更美好的未来做出历史性贡献。
鉴于这种前瞻性认识，在清华大学和深圳市政府的支持下，2018年9月深圳清华大学研究院设立了超滑技术研究所，由郑泉水教授担任所长。其发展战略是充分整合郑泉水教授在结构超滑基础研究、清华大学在多个技术学科（高端制造、信息技术、空天技术等）、深圳市在实体产业、深圳清华研究院在技术孵化方面等的独特优势，致力于结构超滑颠覆性关键技术和源头创新技术的研发。
本文另外一位通讯作者为以色列特拉维夫大学化学学院奥德·霍德（OdedHod）教授，三位国外合作者分别为以色列特拉维夫大学化学学院院长迈可·乌尔巴赫（MichaelUrbakh）教授和奥德·霍德教授，以及瑞士巴塞尔大学物理系的厄恩斯特·迈耶（ErnstMeyer）教授。他们三位分别采用理论模型、分子动力学/第一原理计算、和实验方法研究纳米尺度结构超滑。
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https://www.nature.com/articles/s41586-018-0704-z
医学院郭永实验室研发出“一步法”超快速微液滴芯片键合和表面疏水改性方法
近年来，液滴微流控技术（也称微液滴技术）引起了人们极大的研究兴趣，并在生物医学研究领域取得了许多重要进展，如数字PCR和高通量单细胞测序。微液滴芯片的大规模应用需要低成本、高通量、简易和快速的芯片制备方法。芯片键合与表面疏水改性是微液滴芯片制备过程两个重要的环节，目前已经报道的方法往往都存在工艺复杂、耗时长的问题。微液滴芯片为一次性使用耗材，其使用量较大，芯片制备的复杂过程影响了微液滴技术产业化的进展。
为了解决上述问题，郭永实验室提出了一种新的基于聚碳酸酯（polycarbonate,PC）材料的微液滴芯片制备方法，能够在实现快速芯片键合的同时完成微管道的表面疏水改性，工作流程图及其分子机理如图1所示。PC作为微液滴芯片的基底材料具有突出优秀特性，注塑性能好、透光性好、成本低。在两片PC基底的键合面上涂抹上包含有丙酮、正戊烷和全氟辛基三氯硅烷（FOTS）的一步法溶液。在丙酮的作用下，PC表面的长链分子释放到溶液中。然后，将两片PC基底对齐并送入热压滚轮当中。由于丙酮与正戊烷的沸点较低，受热后迅速气化，游离的PC分子与键合面上的PC分子形成缠结，实现芯片键合。最后，在丙酮和正戊烷气化后，FOTS析出粘附在芯片管道表面，并在空气中水分子的作用下，自发交联成网络形成稳定的疏水层，实现表面疏水改性。一步法整个操作流程仅需10秒即可完成，这有助于实现微液滴芯片的大规模加工制备。与现有研究工作相比，一步法制备的微液滴芯片不仅具有较高的键合强度、良好的疏水性能，而且极大地缩短了芯片的制备时间，如表1所示。
一步法制备的微液滴芯片能稳定生成尺寸均一的微液滴，完全满足微液滴技术对芯片提出的要求。数字PCR是微液滴技术十分重要的应用，具有单分子检测灵敏度和绝对定量的特点，在分子诊断领域拥有重要的应用价值。数字PCR对微液滴芯片的生物相容性有较高的要求。该方法加工的微液滴芯片生成的液滴经过数字PCR后，液滴形态和荧光信号稳定。
与商业化仪器相比，在目标分子的定量上也获得了相当的结果。这说明一步法制备的芯片具有良好的生物相容性。本研究表明“一步法”具有低成本、低耗时、操作简单和性能优异的特点，在液滴微流控研究、尤其是产业化领域有广泛的应用潜力。
清华大学生物医学工程系博士生苏世圣及清华大学精仪系荆高山博士为本文共同第一作者，博士后刘宝霞在“一步法”分子机理研究部分有重要贡献，郭永研究员对该研究进行了指导。这项研究得到了清华大学程京院士实验室和北京新羿生物科技有限公司的大力支持。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.snb.2018.11.035
生命学院颉伟孟安明等在《分子细胞》发表斑马鱼配子及早期胚胎组蛋白修饰重编程研究成果
在动物个体发育过程中，表观基因组对时空特异的基因调控起到了十分重要的作用。表观遗传学的一个核心问题就是亲本的表观基因组能否遗传给下一代以及子代第一个表观基因组如何建立。前期小鼠和人类研究结果表明，很多亲本表观遗传信息在受精之后都被擦除，只有部分表观遗传信息会保留下来并发挥重要作用。然而，表观基因组重编程模式在不同物种之间是否保守，是否存在物种特异的显著差异是领域内一个非常重要的生物学的问题。
斑马鱼作为常用的发育生物学模式生物，为研究上述两个问题提供了一个非常理想的平台。斑马鱼的早期发育过程与哺乳动物具有以下差异：首先，斑马鱼合子基因激活（ZGA，zygoticgenomeactivation）发生较晚（在1000细胞期前后），能为研究早期胚胎发育中亲本-子代转换研究提供充足胚胎细胞和时间；其次，斑马鱼精子染色体不存在鱼精蛋白-组蛋白交换过程，其早期胚胎发育过程中也没有广泛的DNA去甲基化过程。为了开展这一研究，清华大学颉伟研究组利用其课题组研发的染色质免疫共沉淀技术(STARChIP-seq)(Zhangetal.,Nature,2016)，实现了在少量细胞水平上进行组蛋白修饰的检测。进而与清华大学生命学院孟安明研究组紧密合作，并通过孟安明实验室最近发表的斑马鱼卵母细胞原位显微注射技术（OMIS，OocyteMicroinjectioninsitu）(Wuetal.,JMCB,2018)，揭示了斑马鱼配子及早期胚胎发育过程中组蛋白修饰重编程的调控规律。
通过对斑马鱼配子及早期胚胎中的组蛋白修饰的研究，研究人员首先系统地检测了组蛋白修饰H3K4me3、H3K27ac、H3K27me3和H3K36me3在精子、卵子、4细胞时期、256细胞时期和穹顶期胚胎基因组内的分布特性。这些实验结果发现，亲本增强子区域的表观遗传学记忆会在受精前后快速的擦除。令研究人员惊讶的是，精子基因组增强子上的这种“去记忆化（dememorization）”甚至在受精之前就已经开始发生。卵子基因组的去记忆化则主要发生在受精之后。子代增强子的表观遗传标记则是在基因组激活前后（1000细胞）开始建立。与此不同的是，启动子区早在4细胞时期就会大量出现组蛋白乙酰化，提示启动子区域会进入一种提前预备的状态。一旦ZGA发生，这些提前预备的启动子将会被进一步修饰并进入启动或抑制程序。为了研究这种启动子提前乙酰化的可能功能，研究人员进行了母源敲低三个关键组蛋白乙酰转移酶。这种敲低导致了胚胎乙酰化的降低并引起基因组激活的异常以及胚胎死亡。
进一步研究发现，这些启动子的预备和启动主要由母源因子调控。依据以上研究结果，研究人员提出了亲本合子转换期增强子去记忆化和启动子预备化的表观遗传学重编程模式。因此，这项工作揭示了不同脊椎动物物种亲本-子代转换中表观基因组重编程保守的“擦除-重建”的机制以及所采用的不同模式。
清华大学生命学院颉伟研究员和孟安明教授为本文通讯作者，清华大学生命学院2013级博士生张冰洁，2011级博士毕业生吴小童，以及CLS项目2012级博士毕业生张文昊为本文共同第一作者。该课题得到了清华大学实验动物中心，生物医学测试中心基因测序平台以及计算平台的大力协助和支持。
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https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(18)30877-3
生命学院江鹏课题组发文报道肿瘤细胞调控瓦博格效应的新机制
瓦博格效应是肿瘤的重要代谢特征。但是，肿瘤细胞如何调控这一效应至今仍然不是很清楚。TAp73是肿瘤抑制因子p53家族蛋白。但与p53完全不同的是，TAp73在很多人类肿瘤中都存在高表达的现象，并且极少发生突变。这一现象暗示，TAp73并不像人们普遍认为的那样拥有肿瘤抑制的功能。相反，在人体内，其可能对肿瘤的发生、发展具有促进作用。
2013年，课题组的一项研究发现，TAp73通过调控磷酸戊糖途径的限速酶（Glucose6-phoshpatedehydrogenase,葡萄糖-6-磷酸脱氢酶）的表达，增强肿瘤细胞的生物合成，抗氧化和增殖能力。但是，磷酸戊糖途径活性的恢复并不能完全回补TAp73缺失肿瘤细胞的增殖表型，因而，应当存在磷酸戊糖途径以外的其它代谢机制介导了TAp73的致癌功能。为了探索这个问题的答案，课题组近期系统地研究了TAp73在肿瘤代谢中的调控作用。本项研究工作发现，TAp73同时还参与了肿瘤细胞对糖酵解途径的调控。
深入的体内、体外分子机制研究、以及临床样本分析表明，TAp73可以通过转录的方式上调糖酵解过程中的第一个限速酶-磷酸果糖激酶（phosphofructokinase-1）的表达，进而促进肿瘤细胞糖酵解活性和乳酸的释放，促进了瓦博格效应。磷酸果糖激酶的激活导致了ATP的大量合成，增强了肿瘤的抗氧化能力。更为重要的是，磷酸果糖激酶的激活在小鼠体内可以恢复TAp73缺失肿瘤细胞的成瘤能力。这项研究揭示了TAp73是肿瘤细胞调控葡萄糖代谢的重要因子，为解释其在人类肿瘤中令人困惑的功能特征提供了实验证据，也为临床治疗TAp73高表达肿瘤提供了潜在的药物靶点。
清华大学生命学院2014级博士生李乐和2013级本科生李丽佳为该论文的共同第一作者。清华大学生命学院江鹏研究员为论文通讯作者，宾夕法尼亚大学杨小鲁（XiaoluYang）教授和北京协和医学院杜文静教授为论文的共同通讯作者。
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姚宏教授研究组发文揭示超导量子相变的三维时空超对称性
近几十年来，寻找时空超对称性是理论物理学的一个重大研究热点。高能物理学家开展了一系列实验，包括近年来在欧洲大型强子对撞机上的实验，试图寻找超对称粒子的存在。然而，迄今为止人们尚未发现可靠的实验证据显示超对称的存在。最近几年，凝聚态物理学家尝试新的思路寻找超对称性，主要在关联量子体系、特别是在关联量子体系的临界点中探寻演生的超对称性。如何构造一个二维或更高维的微观晶格模型来确定地实现演生的超对称性是其中的一个重要问题，这个问题的解决对于今后在实验中寻找超对称性具有重要的指导意义。
为了在二维量子体系中实现超对称性，姚宏教授及其合作者创新性地引入了描述单个狄拉克锥费米子的二维晶格模型。该二维晶格模型可以用来有效地描述三维拓扑绝缘体的表面态，并用来研究电子相互作用对狄拉克表面态的影响。他们考虑了相互吸引的Hubbard相互作用，运用无费米符号的量子蒙特卡洛方法研究了单个狄拉克费米子在吸引相互作用下的超导量子相变。无近似的量子蒙特卡洛数值计算结果表明，在超导量子相变的临界点上，狄拉克费米子和超导序参量玻色子具有相同的反常维度。费米子和玻色子这种特殊的标度关系正是超对称性的重要标志。除此之外，他们计算得到的量子临界指数，也与2+1维时空超对称性的理论预言一致。这些结果为将来观测二维体系量子临界点上的演生超对称性提供了有力的证据。
该项研究工作还讨论了二维演生超对称性的可能实验观测手段。比如，他们计算了超对称性量子临界点上的局域电子态密度随着能量的标度行为，这种特殊的标度行为可能被扫描电子显微镜等实验手段所探测。由于他们计算的二维晶格模型能有效描述三维拓扑绝缘体的表面态，因此这项研究工作为今后在拓扑绝缘体表面态的超导量子临界点上实验观测演生超对称性提供了进一步的理论和数值依据。
清华大学高等研究院姚宏研究组博士生李自翔（现为加州大学伯克利分校博士后）为论文第一作者，姚宏教授与斯坦福大学博士后AbolhassanVaezi为论文共同通讯作者。
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图文|生命学院、航天航空学院、医学院、物理系
