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清华经管EMBA 2019-05-08

交叉信息研究院曾坚阳研究组开发三维基因组结构重构新方法

生命学院颉伟研究组合作发文揭示哺乳动物卵子表观基因组建立机制和功能研究


医学院廖洪恩课题组合作在脑肿瘤精准诊疗领域取得重要进展

航院冯雪课题组在仿生三维神经电极研究方向取得重要进展


生命学院何塞课题组发文报道异位的微管会引起多倍体细胞的试图分裂

化学系焦丽颖课题组和微电子所任天令课题组合作提出二维电子器件集成新策略


生命学院隋森芳课题组报道在突触囊泡与质膜融合导致神经递质释放过程中SNARE复合体的解聚机制

药学院陈立功课题组揭示脂肪酸和胆固醇通路互作在肝细胞癌发生中的重要代谢调控机制


药学院饶燏课题组发文报道新型广谱抗病毒化合物的发现及其靶点确证工作



清华交叉信息研究院曾坚阳研究组开发三维基因组结构重构新方法

清华大学交叉信息研究院曾坚阳研究组成功开发了基于FISH数据和Hi-C数据的三维基因组重构方法,相关研究论文《基于FISH和Hi-C数据整合的三维基因组结构建模》(Integrating Hi-C and FISH data for modeling of the 3D organization of chromosomes)5月3日在《自然·通讯》在线发表。


▲三维基因组结构建模的流程图


▲三维基因组结构建模结果


大量研究表明,染色体的空间结构与细胞内大多数的生物过程包括基因调控、DNA复制以及染色体异位等密切相关。因此,三维基因组结构解析对于细胞内生物过程的理解具有十分重要的意义。近年来,染色体构象捕获(3C)技术高速发展,通过与高通量测序技术相结合(Hi-C),可以直接获得全基因组范围内染色体相互作用图谱。基于染色体相互作用图谱,可以分析出染色体的层次结构并且重构出三维空间结构,从而为下游的分析和实验提供有价值的线索,并且为染色体折叠机制和功能的研究提供帮助。目前,由于Hi-C实验的限制,高分辨的三维基因组结构的重构难度较大。


曾坚阳研究组在三维基因组结构的重构方面具有丰富的经验,先后开发出了基于贝叶斯推断和流形学习并结合染色体物理特性的建模方法,相关成果均发表在核心期刊《核酸研究》(Nucleic Acids Research)上,其中基于流形学习的GEM方法被《基因组蛋白质组与生物信息学报》(Genomics,Proteomics & Bioinformatics,简称GPB)评为2018年国内生物信息学十大进展之一。


此次曾坚阳研究组发表于《自然·通讯》的方法基于上述流形学习的模型首次将FISH数据与Hi-C数据相结合,极大程度上提高了结构建模的准确性。在该方法中,建模过程分为三个主要的步骤:第一,利用FISH数据和Hi-C数据来确定拓扑结构域(TADs)的相对空间位置;第二,利用Hi-C数据提供的几何约束以及多聚体的生物物理性质来确定TADs内的结构;第三,将上述两步进行融合,调整优化后得到最终的三维基因组结构。在与之前方法的比较中,该方法将结构的平均相对误差降低了近一半,进一步的下游分析表明,该方法可以准确构建出染色体的基本层次结构。


论文第一作者是曾坚阳研究组的埃及籍博士后艾哈迈德·阿巴斯(Ahmed Abbas),通讯作者是曾坚阳副教授,合作者包括清华大学张奇伟教授和高军涛研究员等。


论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-019-10005-6




清华生命学院颉伟研究组合作发文揭示哺乳动物卵子表观基因组建立机制和功能研究

4月29日,清华大学生命学院颉伟研究组、上海交通大学李力研究组与中国科学院动物研究所李伟研究组通过紧密合作,在《自然-遗传》期刊以长文形式报道了题为“SETD2调控母源表观基因组、基因组印记以及早期胚胎发育”(SETD2 regulates the maternal epigenome, genomic imprinting and embryonic development)的研究论文,阐明表观遗传修饰之间如何通过相互作用建立卵子表观基因组包括基因印记,以及卵子表观基因组如何对早期胚胎发育产生重要影响。这一重要发现不仅阐明了母源表观基因组的建立机制和功能,还为将来临床评估卵母细胞质量以及探索早期发育相关疾病提供了新的研究方向。


在生命起始的时候,健康的卵母细胞对于胚胎早期发育是至关重要的。卵母细胞不仅提供了一半的DNA,而且提供了受精卵发育所必需的母源mRNA、蛋白质、细胞器等。另外,卵母细胞中的表观遗传信息如基因印记则保证了哺乳动物的两性繁殖。有趣的是,之前研究表明,哺乳动物卵母细胞具有独特的表观基因组。例如,DNA甲基化在小鼠卵母细胞中分布于活跃转录区域。而组蛋白修饰H3K4me3和H3K27me3则高度富集在转录抑制,具有DNA低甲基化的区域(Partially Methylated Domains, PMD)。然而这种独特的表观基因组在卵母细胞中是如何建立的,以及如何影响卵子发生和早期胚胎发育至今仍然知之甚少。


▲SETD2调控卵母细胞表观基因组、基因印记和早期胚胎发育


SETD2是一种组蛋白甲基转移酶,能够在组蛋白H3第36位赖氨酸上加上三个甲基化修饰(H3K36me3)。H3K36me3通常出现在转录活跃区域,被证明是一种由RNA聚合酶转录时所带来的组蛋白修饰。在该研究中,研究人员首先利用颉伟课题组于2016年开发的高灵敏STAR ChIP-seq技术,系统地检测了小鼠卵母细胞与早期胚胎发育过程中H3K36me3的分布情况。研究人员发现,在小鼠卵母细胞中,H3K36me3与DNA甲基化呈现非常强的正相关性,而与H3K4me3以及H3K27me3则呈现互斥分布模式。随后,通过在卵母细胞中特异性敲除Setd2,研究人员发现该雌性小鼠具有不育特征。进一步研究发现,卵母细胞中表观遗传修饰的分布情况发生了巨大的改变,包含以下几个方面:1)H3K36me3在全基因组基本丢失;2)全基因组的DNA甲基化建立高度异常;3)母源基因印记完全丢失,同时这些区域错误的加上了拮抗DNA甲基化的H3K4me3。4)H3K4me3和H3K27me3被错误的建立在很多其他的转录活跃区域,其中H3K27me3的错误建立伴随着基因转录下调。与之同时,Setd2敲除卵母细胞排卵率下降,受精后早期胚胎发育阻滞在受精卵1细胞时期。为了进一步研究Setd2缺陷卵子如何造成早期胚胎发育阻滞,研究人员通过卵母细胞核质互换以及单精子显微注射受精的技术,揭示了Setd2母源缺陷的细胞质能够引起植入前胚胎发育阻滞,而染色质的缺陷则会导致植入后胚胎发育致死。因此,SETD2作为一个卵子表观基因组的核心调控因子,对确保卵母细胞表观基因组的正常建立,以及维持随后胚胎发育至关重要。综上所述,该研究系统地在小鼠卵母细胞发育过程中探索了表观基因组建立的分子机制,揭示了卵子表观基因组在卵子发生和早期胚胎发育过程中的重要功能。


颉伟教授、李力教授与李伟教授为本文的通讯作者,清华大学生命科学联合中心博士后徐倩华、博士研究生向云龙、清华大学生命学院博士研究生王秋军以及中国科学院动物研究所博士后王乐韵为本文共同第一作者。合作实验室包括英属哥伦比亚大学Matthew C. Lorincz研究组、Louis Lefebvre研究组与武汉大学吴旻研究组等。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。


论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41588-019-0398-7




清华医学院廖洪恩课题组合作在脑肿瘤精准诊疗领域取得重要进展

近日,清华大学医学院生物医学工程系廖洪恩教授课题组、北京清华长庚医院神经外科王贵怀教授课题组合作在国际著名学术期刊《诊疗》(Theranostics)上发表题为《双模态光学诊断实现神经外科肿瘤精准在体识别》(Dual-modality optical diagnosis for precise in vivo identification of tumors in neurosurgery)的研究论文。该论文报道了一种新型光学诊断方法与系统,通过融合组织自体荧光光谱(AFS)信息与光学相干断层成像(OCT)信息,实现肿瘤组织的快速精准识别,为肿瘤疾病的临床精准诊疗提供了新思路。


神经系统肿瘤一直是诊疗难度最大的疾病之一。据统计,世界范围内每年大约有25万新增脑肿瘤病例,而其平均五年生存率只有30%。针对大部分脑肿瘤疾病,手术切除仍然是最为有效彻底的治疗方式。然而,术中实时诊断信息的严重匮乏,直接导致了术后致残率和复发率较高,给医生和患者造成了极大的负担。开发新型术中精准诊断方法与系统,有望进一步改善患者术后生存质量,提高临床诊疗效率,推动相关临床与工程领域进一步发展。


为了实现脑肿瘤的精准诊疗,清华大学医学院廖洪恩教授团队与临床紧密合作,从工程角度出发,提出了针对脑肿瘤精准诊断的多模态光学系统,构建了AFS与OCT模块,通过光学信息配准融合方法,实现病变区域生物化学成分信息与组织结构信息的融合,进而实现脑肿瘤的分期识别与边界划分,辅助医生实现手术切除。


▲基于AFS与OCT的脑肿瘤多模光学诊断流程


基于该方法与系统的动物实验结果表明,利用多模态光学信息的脑肿瘤边界识别能够达到95.9%的敏感性,较单一模态光学诊断效果有明显提升。该项研究填补了神经外科肿瘤切除术中快速精准诊断方法的空白,进一步丰富了神经外科术中检测信息,为手术治疗提供强有力的技术保障,同时也为智能诊疗一体化系统的开发提供了新的技术理念,为未来的临床转化提供了坚实的理论及实践基础。  


▲基于单一模态光学信息与多模光学信息的脑肿瘤诊断结果对比


清华大学医学院廖洪恩教授是该论文的通讯作者,博士生朱明宇为该论文的第一作者;北京清华长庚医院神经外科王贵怀教授为共同通讯作者,医学院硕士生常玮和博士生荆林凯为共同第一作者。


廖洪恩课题组长期致力于智能微创诊疗装备等的研究,先后提出了基于术前术中多模态信息融合分析实时诊疗引导、多模光学引导诊疗一体化等理论与系统,为针对复杂外科疾病的跨尺度多模态成像引导智能化诊疗理论的建立奠定了坚实的基础。


论文链接:

http://www.thno.org/v09p2827.htm




清华航院冯雪课题组在仿生三维神经电极研究方向取得重要进展

4月19日,清华大学航天航空学院、柔性电子技术研究中心冯雪教授课题组在《科学进展》(Science Advances)在线发表了题为“用于外周神经电刺激与信号采集的形状记忆基仿攀爬缠绕电极”(Climbing-inspired twining electrodes using shape memory for peripheral nerve stimulation and recording)的研究成果。冯雪教授课题组通过力学理论并与信息、材料、化学等学科深度交叉,发展了一种能够在体温驱动下自动攀爬至外周神经束上的三维螺旋形缠绕电极,依靠自然粘附形成稳定且柔性的电极-神经束界面,为外周神经调控技术在临床上的应用提供了崭新的思路。 


▲仿攀爬缠绕电极用于外周神经调控示意图


外周神经电刺激与信号采集在治疗一些药物难治性疾病如癫痫,抑郁,心衰,假肢等方面具有十分重要的临床意义。而现有的外周神经电极与外周神经束软组织力学性质、几何结构极度不匹配,无法适应外周神经动态变形的特点,且电极的手术植入与固定过程复杂。由此会造成神经束不可逆的损伤,如组织发炎,神经束退化,伴随的副作用给病人带来极大的痛苦,如恶心,呕吐,呼吸障碍等,严重时还会带来生命危险。


受缠绕植物攀爬行为启发,冯雪教授课题组提出了一种三维仿攀爬缠绕电极,以解决上述的电极-神经束界面失配问题。该神经电极能够在二维平面完成复杂结构的制备;利用形状记忆聚合物的可重构功能,并根据外周神经束的几何尺寸设计神经电极的永久形状,完成三维缠绕电极的制备。在手术植入前,将三维螺旋状缠绕电极展平至平面状态以方便手术操作;在手术植入中,利用37 ℃ 生理盐水的驱动,该电极将自动恢复至设计好的三维螺旋形,利用电极与神经束间的自然粘附而形成良好的电极-神经束界面,无需额外的手术固定。智能材料形状记忆聚合物所具有的低弹性模量,以及合理的力学设计(网络状蛇形结构)降低了神经电极的拉伸和弯曲刚度,保证了神经电极能够随着神经束的动态变形而变形,不对神经束造成过大的压力。 


▲仿攀爬缠绕电极自攀爬至外周神经束上(在体动物实验)


冯雪教授课题组还开展了两组在体动物实验,即迷走神经电刺激调控心率、坐骨神经电刺激与信号采集,分别验证了所发展的缠绕电极在外周神经电刺激与信号采集方面的应用潜力。 


▲迷走神经电刺激调控心率


▲坐骨神经电信号采集


为指导仿攀爬缠绕电极的结构优化与设计,冯雪教授课题组还对自然界中的缠绕植的攀爬行为与粘附进行了系统的研究,用固体力学中有限变形理论揭示了植物攀爬的内在机理,给出了植物缠绕角的变化规律以及缠绕物与支撑物间的作用力。相关成果于2018年4月28日发表在固体力学顶级期刊《固体力学与物理学报》(Journal of the Mechanics and Physics of Solids),题为 “A finite deformation theory for the climbing habits and attachment of twining plants”(缠绕植物攀爬行为与粘附的有限变形理论)。 


▲自然界中的缠绕植物及力学模型


另外,冯雪教授课题组关于形状记忆聚合物基三维神经电极的设计、制备等相关实验的研究成果,曾在微电子领域的顶级会议国际电子器件大会(“IEEE the 64th International Electron Devices Meeting”)上发表,题为 “Bio-inspired 3D neural electrodes for the peripheral nerves stimulation using shape memory polymers” (应用于外周神经电刺激的形状记忆聚合物基三维神经电极),并于2018年12月4日在美国旧金山做邀请报告。


清华大学航院、柔性电子技术研究中心博士生张迎超为文章第一作者,冯雪教授是论文通讯作者,参与该工作的还有浙江清华柔性电子技术研究院的陈颖、侯国辉、付际,以及浙江大学谢涛教授团队。


论文链接:

https://advances.sciencemag.org/content/5/4/eaaw1066




清华生命学院何塞课题组发文报道异位的微管会引起多倍体细胞的试图分裂

4月18日,清华大学生命学院何塞(José Carlos Pastor-Pareja)课题组在《发育细胞》(Developmental Cell)期刊上发表了题为“血影斑蛋白Shot在果蝇多倍体细胞中维持核周微管网络” (Spectraplakin Shot maintains perinuclear microtubule organization in Drosophila polyploid cells)的研究论文。该论文发现了形成核周微管网络是果蝇多倍体细胞的特征,并揭示了微管结合蛋白Shot对于形成核周微管组织中心的重要作用。


多倍体细胞可存在于二倍体生物体内这一现象在自然界中是广泛存在的,并且常见于癌细胞。多倍体细胞是一种特殊类型的分化细胞,他们通过改变细胞周期从而实现了DNA的不断复制,但却不经历细胞分裂时期。在增殖细胞中,中心体作为微管组织中心(MicroTubule Organizing Center, MTOC)调控着细胞内微管的分布及排列方式。但在分化的细胞中,细胞会在特定位置形成非中心体-微管组织中心从而调控微管的生长及分布。因此,在分化但DNA却不断复制的多倍体细胞中,微管网络是如何分布,以及微管又是如何从中心体上解离,学术界对此并不十分清楚。 


▲Shot对多倍体细胞核周微管组织中心重要的维持作用


本项研究利用果蝇遗传学,转基因技术,共聚焦显微镜,透射电镜,体外实验,活细胞成像等技术证明了在果蝇幼虫期的多倍体脂肪体细胞以及其他类型的多倍体细胞中均存在核周微管组织中心(Perinuclear MTOC, pnMTOC)。进一步研究发现,微管的缺失会引起细胞核变大和位置偏移,说明核周微管组织中心具有维持细胞核大小和位置的作用。血影斑蛋白Shot是pnMTOC的重要组分,在缺失Shot的多倍体细胞中,核周微管组织中心不再绕核,而是在核周一点形成异常聚集的微管组织中心。进一步的实验表明,这个异常聚集的微管组织中心是通过微管马达蛋白Kinesin介导的微管滑动所形成。与此同时,Shot的缺失使多倍体细胞形成类似于分裂沟的细胞质膜向内凹陷的表型,这说明有丝分裂进程在多倍体细胞中被部分激活。因此,微管的异位聚集能够使非分裂的多倍体细胞试图分裂。


此外,在敲低细胞周期调控因子CycE, Cdk2 或者 E2F的多倍体细胞中,核周微管网络不能正常形成。而在由二倍体诱导形成的多倍体细胞中能够形成核周微管组织中心,从而进一步证实了多倍体的核内复制周期与核周微管网络的关系:核内复制周期是形成核周微管网络的必要条件,同时也是充分条件,即核内复制周期足以促进形成核周微管网络。


研究人员还进一步发现了其他核周微管组织中心组分Patronin和Katanin p60-like 1对于形成pnMTOC的作用。微管切割蛋白Kat-60L1将已形成的微管切割成小片段,微管负极结合蛋白Patronin能够与其负端结合并稳定,从而为微管生长提供模板,再通过Shot与核膜蛋白LINC复合物的相互作用将微管锚定到核膜,从而形成核周微管组织中心。


综上所述,本项研究揭示了多倍体化进程与核周微管网络的关系,发现了Shot及其他各组分对于形成和维持核周微管网络的重要作用。


清华大学生命学院何塞(José Carlos Pastor-Pareja)研究员为本文的通讯作者,清华大学生命学院PTN项目博士生孙天慧为本文第一作者。清华大学生命学院梁鑫课题组和医学院倪建泉课题组共同合作完成了本项课题。


论文链接:

https://www.cell.com/developmental-cell/fulltext/S1534-5807(19)30238-2




清华化学系焦丽颖课题组和微电子所任天令课题组合作提出二维电子器件集成新策略

4月15日,清华大学化学系焦丽颖课题组和微电子所任天令课题组在《自然·电子学》(Nature Electronics)上在线发表了题为“二维电子元件一体化制备及集成”(Simultaneous synthesis and integration of two-dimensional electronic components)的研究论文,首次提出了二维晶体材料合成与器件集成一体化的器件制备策略。不同于传统加工方式中分步实现沟道、接触和互连的制备,这一新策略是通过二维金属/半导体结构的图案化合成,实现了一步化学制备各类电子元件并将其集成为实用电路,为二维电子器件的无损加工与集成提供了新的思路和方法。 


▲传统加工方式和直接集成策略的示意图


随着大规模IC技术的持续发展,硅器件的尺寸逐渐逼近物理极限。因此,探索新器件技术、寻找硅材料的替代者进而延续和拓展摩尔定律成为科学界和工业界共同关注的热点问题。二维晶体材料具有超薄平面结构与丰富的材料特性,有望成为未来集成电路的核心材料。但是,基于二维晶体材料的电子器件也面临诸多问题。首先,二维晶体材料的超薄特性使其对器件加工过程非常敏感,紫外或电子束曝光过程中的高能量辐射会对材料造成损伤。其次,二维半导体与块体金属之间存在较大的势垒,影响载流子的注入。另外,从单个器件到实用化电路仍有存在很难逾越的鸿沟——器件集成,然而目前还没有针对于二维晶体电子器件集成的理想方法。


针对以上问题,焦丽颖课题组和任天令课题组提出了二维晶体材料合成与器件集成一体化的制备新策略。基于二维1T’/2H MoTe2异相结构的图案化合成,实现了通过一步化学反应制备全二维器件。沟道与电极间以共价键相连,能够降低势垒、有效注入电子,避免后加工过程对材料的损伤及界面污染问题。并利用此策略制备了一系列高性能的原型器件,如场效应晶体管、反相器、实现频率调制的射频晶体管阵列、超短场效应晶体管、互连的多层器件和柔性器件等,展现了材料合成与器件集成一体化新策略的重要应用前景。《自然·电子学》以“One-step fabrication of 2D circuits” 为题对该工作进行了报道。


▲原型器件展示


清华大学化学系博士生张琪和微电子所博士生王雪峰是文章的共同第一作者,化学系焦丽颖副教授和微电子所任天令教授是通讯作者。中科院物理研究所谷林课题组及清华大学材料学院钟虓龑课题组在原子分辨成像方面提供了帮助。


近年来,焦丽颖副教授致力于低维半导体材料的可控合成、结构表征和物性测量,任天令教授致力于新型二维电子器件的研究,在各自研究领域均取得了多项创新成果。此次研究是两个团队密切合作的成果。


论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41928-019-0233-2




清华生命学院隋森芳课题组报道在突触囊泡与质膜融合导致神经递质释放过程中SNARE复合体的解聚机制

4月10日,清华大学生命科学学院隋森芳教授研究组在《科学·进展》(Science Advances)期刊上在线发表题为《SNARE复合体解聚的机制研究》(Mechanistic insights into the SNARE complex disassembly)的研究论文,通过解析SNARE解聚分子机器20S复合体的高分辨率冷冻电镜三维结构,并结合生化实验、电生理实验和交联质谱实验,揭示了SNARE复合体的解聚机制。


膜融合是生命基本和重要的过程之一,真核细胞多种形式的胞内区间具有不同的生物化学性质,细胞维持这些胞内分区之间的动态平衡主要依赖的是囊泡转运,该过程与许多重要疾病密切相关。囊泡转运即包含转运物质的囊泡从供体出芽然后转移至目标膜,锚定之后与目标膜融合,从而使得膜蛋白、磷脂和内容物转运至另一个细胞区间。神经递质的释放就是通过突触囊泡与质膜的融合实现的。


位于囊泡膜上的v-SNARE蛋白和位于目标膜上的t-SNARE蛋白在形成SNARE复合体的过程中将两膜拉近并驱动膜融合的发生。SNARE复合体是非常稳定的四螺旋束结构,必须被解聚成单体以便循环使用,在细胞内这是通过马达蛋白NSF及其接头蛋白SNAP共同完成的。NSF蛋白是一种多细胞功能相关的ATP酶(AAA+ ATPase),它与接头蛋白SNAP、SNARE复合体一起形成沉降系数为20S的复合体。在20S复合体中,NSF在SNAP的帮助下利用水解ATP产生的能量将SNARE复合体解开成单体,使胞内膜融合的过程得以循环进行。20S复合体是一个非常高效的分子机器,对其工作机制的研究不仅有助于深入理解胞内SNARE的循环利用机制及膜融合的调控机制,也对揭示AAA+ ATPase酶的分子机理具有重要的意义,因此一直是科学家们研究的热点问题。


▲图1 α-SNAP-SNARE亚组装体电镜结构的分辨率分布和典型氨基酸残基的密度图


隋森芳教授研究组长期致力于利用冷冻电镜技术研究与生物膜相关的重要蛋白复合体的结构与功能。此前,曾于2012年在《自然结构与分子生物学》(Nature Structural & Molecular Biology)期刊上报道了全长NSF蛋白在水解ATP过程中各个状态的三维结构以及20S复合体的负染电镜三维结构。随后,又于2015年在《细胞研究》(Cell Research)期刊上报道了20S复合体的低分辨率冷冻电镜三维结构和SNAP-SNARE亚组装体中等分辨率的结构,发现并验证了新的解聚关键氨基酸。在此次发表的《科学·进展》论文中,研究人员通过优化冷冻样品制备条件将锚定在纳米盘(Nanodisc,模拟细胞膜的脂质双分子层)上的20S复合体的分辨率推进至4.6埃,并进一步通过分割重构法将NSF六聚体和α-SNAP-SNARE亚组装体的分辨率提高到3.9埃和3.7埃(图1)。这些高分辨率结构揭示了20S复合物中蛋白质相互作用的许多细节。结合生化分析,研究者发现在SNARE解聚过程中,α-SNAPs主要通过R116残基的静电作用和L197残基的疏水作用对VAMP单链的两个位点施加作用力。


▲图2 电生理实验检测α-SNAP的R116残基和L197残基的功能


为了进一步评价R116和L197在体内的功能相关性,研究者与清华大学生命学院姚骏老师课题组合作检测了这些突变体对培养的海马神经元释放神经递质的影响。结果表明,与野生型α-SNAP过表达相比,R116A和L197A显著降低了突触小泡的释放速度,表明这两个突变体可能通过降低SNARE复合物的解聚能力而显著削弱了膜融合(图2)。此外结合交联质谱实验,研究者证明了SNARE螺旋束的氨基末端与NSF-D1结构域的中心孔环之间有直接相互作用,并验证了这种相互作用可能作为锚定支点在SNARE复合体的解聚中发挥重要作用。该研究提供了一个详细的α-SNAP介导的SNARE复合体解聚的旋转模型(图3):NSF利用ATP水解产生的能量带动α-SNAP圆筒沿右手方向旋转从而对SNARE复合体的左手方向螺旋束施加解旋方向的切线力——主要来自于α-SNAP蛋白的 R116残基与VAMP蛋白的E62和D68残基的静电作用以及α-SNAP蛋白的L197残基与VAMP蛋白的V48、V50和L54残基的疏水作用。同时由于SNARE复合物的N端直接锚定在NSF-D1的孔区,右手扭矩将开始展开和/或破坏左手螺旋的SNARE复合物,从而同时或连续地将复合物分解成单个蛋白质。


▲图3 SNARE复合体解聚的模型


清华大学生命科学学院隋森芳教授为本文的通讯作者;生命科学学院毕业博士生黄轩(现为首都医科大学附属北京朝阳医院医学研究中心研究实习员)、生命科学学院孙珊副研究员、生命科学学院已毕业博士生王霄婧、生命科学学院前助研樊凤辉为本文的共同第一作者。生命科学学院博士后周强(现为西湖大学特聘研究员)参与了电镜数据分析;生命科学学院姚骏课题组进行了电生理实验;北京生命科学研究所董梦秋研究员课题组进行了交联质谱的工作。国家蛋白质科学研究(北京)设施清华基地冷冻电镜平台和计算平台,以及清华大学高性能计算平台为数据收集和处理提供了支持。


论文链接:

https://advances.sciencemag.org/content/5/4/eaau8164




清华药学院陈立功课题组揭示脂肪酸和胆固醇通路互作在肝细胞癌发生中的重要代谢调控机制

4月6日,清华大学药学院陈立功课题组及其合作者在《胃肠病学》(Gut)期刊在线发表了题为《胆固醇生物合成支持由小鼠和人体内脂肪酸合成酶缺失引发的肝癌病变的继续生长》(Cholesterol biosynthesis supports the growth of hepatocarcinoma lesions depleted of fatty acid synthase in mice and humans)的研究论文,该研究首次发现胆固醇的累积可以支持由脂肪酸合成酶(Fatty Acid Synthase, Fasn)缺失引起的肝癌病变的继续生长,同时抑制脂肪酸和胆固醇的合成可以有效降低肝癌的发生。


陈立功课题组综合利用肿瘤模型、代谢表型分析、基因组学分析、脂质组学分析、人类肝细胞癌模型和临床数据以及抗肿瘤联合用药等多种手段,研究结果强烈建议同时瞄准脂肪酸从头生成和胆固醇生物合成可能是治疗和预防肝细胞癌的有效途径,为肝细胞癌的发生发展机制和治疗靶点发现做出了重要的探索。


图1. Microarray和脂质组学分析

(A-B) Microarray数据分析 (C-D)脂质组学分析 (E)甘油三酯和胆固醇代谢调控总结


在过去的几十年里,原发性肝癌的全球发病率逐渐增加。原发性肝癌主要以肝细胞癌(Hepatocellular carcinoma, HCC)为主,并且治疗HCC的选择方案比较有限。目前治疗晚期HCC的标准药物主要是多重激酶抑制剂Sorafenib和Regorafenib,但它们的疗效又是有限的。因此,急需要找到治疗肝细胞癌的新药靶点。


为了满足快速增殖的需要,肿瘤细胞表现出不同与正常组织细胞的代谢特征。虽然癌症类型和病因各有不同,癌细胞中代谢通路的变化却有一定的相似性,葡萄糖代谢途径、磷酸戊糖途径和谷氨酰胺代谢途径都发生变化来适应癌细胞的快速生长和增殖。最近的研究表明,许多脂肪酸代谢途径在癌细胞中也发生了改变。在癌症发展过程中,脂肪酸代谢通路的变化不仅为癌症的发生和发展提供能量,还在生物膜大分子以及信号分子等方面扮演重要角色。肿瘤组织发生的脂肪酸代谢改变为其异常存活与生长提供能量和大分子的前体等,提示学者们针对关键的代谢临床动作会是十分有效的治疗方法。


在本篇研究中,陈立功课题组及其合作者以同时抑制Pten和过表达c-Met基因(sgPten/c-Met)诱导肝脏条件敲除脂肪酸合成酶Fasn小鼠来发生原发性肝癌为实验模型,通过Microarray和脂质组学分析揭示,肝癌组织中脂肪酸合成酶的缺失会造成甘油三酯的降低以及胆固醇的上升,并且引起SREBP2代谢通路的显著上调,抑制SREBP2可以完全阻止sgPten/c-Met诱导的肝脏条件敲除脂肪酸合成酶Fasn小鼠发生肝癌。同时在人类HCC细胞系中,敲除Fasn显著增加了SREBP2的入核和HMG-CoA 还原酶(HMG-CoA reductase, HMGCR)的表达,并且共同抑制Fasn介导的甘油三酯和HMGCR介导的胆固醇合成通路,导致人类HCC细胞系的凋亡。因此,共同抑制脂肪酸和胆固醇合成通路也许是治疗HCC的一个新的选择。 


▲图2. 共同抑制脂肪酸和胆固醇合成阻止肝癌的发生


《胃肠病学》是胃肠肝脏学科期刊中的顶尖杂志。该论文核心通讯作者为清华大学药学院陈立功研究员,旧金山加州大学陈昕教授以及意大利萨萨里大学Diego F. Calvisi教授为共同通讯作者,药学院博士生池文娜、刘烨、匡文华和硕士生马志龙为本论文的重要合作作者,在脂质组学、机制分析和细胞模型建立上承担了重要的工作。同时,中国科学院遗传与发育生物学研究所税光厚课题组和北京大学张泽民课题组在脂质组学和人类肝癌数据分析提供了重要帮助。


论文链接:

https://gut.bmj.com/content/early/2019/04/05/gutjnl-2018-317581




清华药学院饶燏课题组发文报道新型广谱抗病毒化合物的发现及其靶点确证工作

4月2日,清华大学药学院饶燏课题组与清华大学医学院娄智勇课题组合作在药物化学权威杂志《医药化学期刊》(Journal of Medicinal Chemistry)在线发表题为“新型强力广谱抗病毒化合物的发现、优化以及靶点确证”(Discovery, Optimization and Target Identification of Novel Potent Broad-Spectrum Antiviral Inhibitors)的研究工作,报道新型广谱抗病毒化合物的发现及其靶点确证工作


病毒感染严重威胁全球健康,例如登革病毒(DENV)和寨卡病毒(ZIKV)分别在全世界和巴西造成约3.9亿人和400万人的感染。对于很多病毒目前并无有效的疫苗或药物,新型抗病毒药物的研究就显得很有必要。根据作用机理的不同,抗病毒药物大体可以分为病毒靶向的药物和宿主靶向的药物。病毒靶向的药物通常具有很好的特异性,但容易产生耐药突变;而宿主靶向药物的魅力在于其通常具有广谱的抗病毒活性、不易产生耐药,这尤其对大规模的病毒爆发,如历史上的非典、流感、埃博拉以及近期的寨卡具有重要意义。因为广谱的抗病毒药物可以被立即应用到临床,而不必耗费时间去发展特定的治疗方法;另一方面,广谱抗病毒药物对感染群体较少的病毒感染具有重要价值,因为这对制药企业没有足够的利润吸引力,不会耗巨资去开发该类药物。虽然作用于宿主的广谱抗病毒药物受到很大期待,但到目前为止被批准的该类型小分子药物仅有利巴韦林。 


▲图1 基于表型的抗病毒化合物筛选与优化


基于目前的这种抗病毒现状,饶燏课题组与娄智勇课题组合作,利用之前在发展抗疟疾NDH2抑制剂过程中构建的一类2-位二芳基取代的喹诺酮类化合物作为基于表型的筛选对象(J. Med. Chem. 2017, 60 (5), 1994-2005),在第一轮筛选中仅从不到200个化合物中就确认得到了5个苗头化合物,然后经过一系列的构效关系研究和优化得到一个活性最强的分子RYL-634(图1)。这也是喹诺酮类化合物在药物发现中作为一种优势结构的体现。进一步的研究发现,RYL-634对包括丙肝病毒(HCV)、DENV、ZIKV、基孔肯雅病毒(CHIKV)、肠道病毒EV71、人免疫缺陷病毒(HIV)、呼吸道合胞病毒(RSV)、中东呼吸综合症冠状病毒(MERS-CoV)、发热伴血小板减少综合征病毒(SFTSV)、流感病毒等对人致病病毒具有很强或较明显的抑制效果,对宿主细胞的毒性也在可接受范围内(表1)。RYL-634还与目前批准的抗病毒药物联用具有协同效应。经过耐药压力筛选,未发现对RYL-634耐药的病毒株产生。以上结果显示了基于RYL-634发展新型抗病毒治疗方法具有很大的潜力。


▲表1 RYL-634的广谱抗病毒活性


接下来,研究人员对RYL-634的作用机制进行了探寻。由于人类和病毒中不含有该类分子先前的作用靶点疟原虫的NDH2或其同源蛋白,该类化合物也从未被报道过有抗病毒活性,研究人员采用Activity-Based Protein Profiling (ABPP)的方法在之前总结的构效关系基础上设计合成了光交联探针进行靶点“垂钓”(图2),并通过生物信息学的分析发现RYL-634作用于多种生物学通路,具有多种可能潜在的靶点,可能性最大的是作用于宿主的胞内分子代谢相关通路,并利用反相对接的方法进一步缩小了潜在靶点的范围。 


▲图2 利用ABPP和反相对接搜寻靶点


最终,研究人员通过一系列生化实验、Drug Affinity Responsive Target Stability (DARTS)等方法确定了人的DHODH是RYL-634的一个抗病毒靶点(图3)。DHODH还是抗癌、免疫调节、抗疟疾等方向的靶点,RYL-634作为一类新的DHODH抑制剂,有希望被应用的以上领域。特别是对于抗疟疾,由于该类化合物最初被用作疟原虫的NDH2抑制剂,而人源DHODH与疟原虫的DHODH又具有一定同源性,在未来有极大可能性基于该类化合物发展出针对疟原虫NDH2和DHODH的双重抑制剂,以克服目前疟疾的耐药问题。除了DHODH,研究人员并不排除RYL-634可能通过其它途径发挥抗病毒作用,对于其作用机制的进一步研究和类药性质的优化还在进行中。 


▲图3 RYL-634与DHODH的相互作用


饶燏课题组和娄智勇课题组博士后杨毅庆、曹林、高红英为本工作的共同第一作者,饶燏和娄智勇为通讯作者。


论文链接:

https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acs.jmedchem.9b00091




图文 | 交叉信息研究院、生命学院、医学院、航天航空学院、微电子与纳电子学系 、药学院

编辑 | 李婧

来源 | 清华大学

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