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Gasdermin膜打孔蛋白——细胞焦亡的执行者

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生物化学与生物物理进展 2024年

作者：侯彦婕丁璟珒中国科学院生物物理研究所生物大分子国家重点实验室中国科学院生物大分子卓越创新中心

细胞焦亡是一种由膜打孔蛋白gasdermin（GSDM）家族介导的膜裂解性细胞程序性坏死，在机体抵御病原感染、清除变异或有害细胞等生物学过程中发挥关键作用。哺乳动物具有双结构域自抑制特征的GSDM蛋白通过上游蛋白酶切割释放N端的效应结... 详细信息

细胞焦亡是一种由膜打孔蛋白gasdermin（GSDM）家族介导的膜裂解性细胞程序性坏死，在机体抵御病原感染、清除变异或有害细胞等生物学过程中发挥关键作用。哺乳动物具有双结构域自抑制特征的GSDM蛋白通过上游蛋白酶切割释放N端的效应结构域，在细胞膜上发生剧烈的构象变化并寡聚打孔，介导裂解性的细胞焦亡。GSDM蛋白进化保守，在包括细菌在内的多种生物体中普遍存在，蛋白酶切割释放膜打孔活性是GSDM蛋白激活的通用机制。最近在一些低等真核生物中发现缺少C端自抑制结构域的非经典GSDM蛋白，它们采用非酶切依赖的全新机制激活膜打孔活性，介导细胞死亡。由于细胞焦亡高度促炎的免疫学特征，机体通过基因转录和蛋白质翻译后修饰等多种方式精确地调控GSDM蛋白的活性，从而控制细胞焦亡的程度和产生的炎症效应；病原菌在和宿主免疫系统的博弈中，也进化出专门的机制直接拮抗宿主的细胞焦亡免疫防御。本文围绕近年来GSDM蛋白介导细胞焦亡领域的研究进展，系统地总结了GSDM蛋白的基本生物学特征、及其丰富多样的活化和调控机制，并展望了细胞焦亡研究的生物学意义和未来方向。

关键词：细胞焦亡打孔蛋白激活机制调控机制病原菌

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三个对“氧化应激”的重新认识

生物化学与生物物理进展 2024年

作者：陈畅中国科学院生物物理研究所，生物大分子重点实验室

生命离不开氧，细胞的氧化还原状态直接调控蛋白质等生物大分子功能，介导细胞信号转导以及衰老、神经退行性疾病、代谢病、肿瘤等许多生理和病理过程。鉴于20世纪50年代提出的自由基衰老学说，长期以来氧化应激常与氧化损伤混为一谈，... 详细信息

生命离不开氧，细胞的氧化还原状态直接调控蛋白质等生物大分子功能，介导细胞信号转导以及衰老、神经退行性疾病、代谢病、肿瘤等许多生理和病理过程。鉴于20世纪50年代提出的自由基衰老学说，长期以来氧化应激常与氧化损伤混为一谈，“抗氧化”一度成为“抗衰老”的代名词。本文结合本实验室相关研究工作及领域前沿，提出三个对“氧化应激”的重新认识：第一，氧化应激不等于氧化损伤，具有重要生理功能；第二，氧化应激不是“万金油”，氧化还原调控具有特异性，氧化还原修饰是其作用机制；第三，不能泛泛抗氧化，氧化还原平衡具有精准属性，抗氧化要考虑5R原则，精准氧化还原医药时代已开启。未来挑战体现在氧化还原生物学与医学基础研究、氧化应激在生理和病理过程及环境胁迫中的特异分子机制研究及精准氧化还原干预三大方面，需要多学科交叉、基础与临床研究深度合作、国际协同攻关，实现对生命过程氧化还原认识的突破、机理的突破、精准干预的突破！

关键词：氧化应激氧化损伤氧化还原修饰精准氧化还原 5R原则抗氧化衰老

绿色植物光系统I及其光合作用调控的结构基础

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生物化学与生物物理进展 2024年

作者：苏小东李梅中国科学院生物物理研究所生物大分子重点实验室中国科学院大学

光系统I被认为是自然界中最高效的纳米光化学机器，其复杂的结构和精细的调控机制确保了光合作用的高效进行。绿色植物光系统I由核心复合物和多样的外周捕光天线构成，并参与包括状态转换、环式电子传递等多种光合作用调节过程。本文主... 详细信息

光系统I被认为是自然界中最高效的纳米光化学机器，其复杂的结构和精细的调控机制确保了光合作用的高效进行。绿色植物光系统I由核心复合物和多样的外周捕光天线构成，并参与包括状态转换、环式电子传递等多种光合作用调节过程。本文主要以笔者所在实验室在绿色植物光系统I及其参与光合作用调控的结构生物学方面取得的进展进行综述，使人们对这一领域有更深入的理解。

关键词：光系统I 蛋白质结构光合作用调控状态转换环式电子传递

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原位冷冻电镜技术和可视蛋白质组学前沿

生物化学与生物物理进展 2024年

作者：李宽莹王闻雪朱赟薛亮孙飞中国科学院生物物理研究所生物大分子国家重点实验室中国科学院广州生物医药与健康研究院

近年来，随着原位冷冻电镜技术和人工智能技术的不断发展，结构生物学的研究模式发生了重大转变。结构解析不再局限于分离提纯的单一生物大分子，而是在细胞甚至组织内原位直接解析生物大分子的高分辨率结构，并对亚细胞区域整体分子景... 详细信息

近年来，随着原位冷冻电镜技术和人工智能技术的不断发展，结构生物学的研究模式发生了重大转变。结构解析不再局限于分离提纯的单一生物大分子，而是在细胞甚至组织内原位直接解析生物大分子的高分辨率结构，并对亚细胞区域整体分子景观进行结构探索，从而更深刻地理解细胞与组织内生命活动的分子机制。通过展示细胞内不同蛋白质复合物的精细原位结构，可以进一步生成蛋白质组的可视化定量空间分子结构功能图谱，即可视蛋白质组学。以原位冷冻电镜技术为代表的新技术能够在空间水平阐明细胞内蛋白质组的三维相互作用网络，促进从整体上系统性地理解细胞内生物大分子结构功能与互作机制。为推动中国原位冷冻电镜技术和可视蛋白质组学的发展，本文总结了其研究模式和最新前沿进展，结合具体实例展示了新概念与新技术的先进性，并对发展前景进行了展望。

关键词：结构生物学细胞生物学系统生物学冷冻电镜冷冻电子断层成像可视蛋白质组学子断层结构分析冷冻光电关联人工智能

改造颈部铰链区重塑驱动蛋白3的持续运动能力(英文)

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生物化学与生物物理进展 2024年

作者：李冬任锦启宋银龙梁鑫冯巍中国科学院生物大分子重点实验室生物大分子国家重点实验室中国科学院生物大分子卓越中心中国科学院生物物理研究所中国科学院大学生命科学学院清华大学生命科学学院

目的驱动蛋白3的颈部螺旋与其后的蛋白序列相互关联，形成一个延长的颈部，其中包含一个特征铰链结构。该特征性铰链在不同的驱动蛋白中表现出多样性，在驱动蛋白KIF13B中，这个铰链仅由一个脯氨酸残基组成，而在驱动蛋白KIF1A中，则... 详细信息

目的驱动蛋白3的颈部螺旋与其后的蛋白序列相互关联，形成一个延长的颈部，其中包含一个特征铰链结构。该特征性铰链在不同的驱动蛋白中表现出多样性，在驱动蛋白KIF13B中，这个铰链仅由一个脯氨酸残基组成，而在驱动蛋白KIF1A中，则由一个长的柔性无规卷曲构成。然而，这个颈部铰链在控制驱动蛋白持续运动方面的功能仍不明确。方法本文对KIF13B和KIF1A的颈部铰链区的氨基酸残基进行突变改造，并通过单分子运动实验研究铰链区突变对驱动蛋白运动行为的影响。结果在KIF13B中，在铰链区——脯氨酸前后插入柔性残基对其运动的速度以及持续性都有不同程度的影响，而去除该脯氨酸则可以同时提高运动速度和持续性。在KIF1A中，删除整个柔性颈部铰链仅仅增强了其运动的持续性。同时，把驱动蛋白1的颈部铰链区用改造后的驱动蛋白3的颈部铰链区进行替换，同样能够提高驱动蛋白1的持续运动能力。结论驱动蛋白3颈部铰链控制其持续运动能力，适当改造可以调整马达的运动行为，这为重塑驱动蛋白马达的持续运动提供了一种新策略。

关键词：胞内物质转运分子马达驱动蛋白3 颈部铰链区持续运动

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磁畴壁拓扑结构研究进展

物理学报 2024年第1期73卷 57-68页

作者：张颖李卓霖沈保根中国科学院物理研究所磁学国家重点实验室北京100190

拓扑磁性斯格明子作为信息载体单元具备高可靠性、高集成度、低能耗等优势,有望提高数据读写精度、降低功耗,从而研发新型拓扑自旋电子学材料与原理型器件,为信息技术、5G通信和大数据等的高速发展提供材料与技术支持.但磁性斯格明子同... 详细信息

拓扑磁性斯格明子作为信息载体单元具备高可靠性、高集成度、低能耗等优势,有望提高数据读写精度、降低功耗,从而研发新型拓扑自旋电子学材料与原理型器件,为信息技术、5G通信和大数据等的高速发展提供材料与技术支持.但磁性斯格明子同时存在需要磁场稳定以及电流驱动下斯格明子霍尔效应引起偏转等缺点,严重阻碍了其在实际器件中的应用,因此探索新型拓扑磁畴结构和适宜应用的材料体系成为研究的关键.本文将重点介绍自2013年理论预言磁畴壁斯格明子以来,利用高分辨率洛伦兹透射电子显微镜原位实空间发现并研究磁畴壁拓扑麦纫和磁畴壁斯格明子的实验工作.首次在范德瓦耳斯Fe_(5–x)GeTe_(2)二维磁性材料中发现温度诱发的180°磁畴壁转变为拓扑麦韧链,研究了磁畴壁麦纫态在外界电场、磁场作用下的集体运动行为,揭示了基于自旋重取向、磁畴壁限域效应以及弱相互作用下生成磁畴壁拓扑态的机制.在该机制指导下,设计制备了具有自旋重取向的GdFeCo非晶亚铁磁薄膜,不仅获得了磁畴壁麦纫,验证了生成机制的普适性,还成功实现了畴壁麦韧对到畴壁斯格明子的可逆拓扑转变,开辟了基于磁畴壁等内禀限域效应开展拓扑磁性物态探索和研究的新方向.

关键词：磁畴壁麦纫磁畴壁斯格明子自旋重取向洛伦兹透射电子显微镜二维磁性材料

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磁序与拓扑的耦合:从基础物理到拓扑磁电子学

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物理学报 2024年第1期73卷 24-30页

作者：刘恩克中国科学院物理研究所磁学国家重点实验室北京100190

磁学与拓扑物理是两大较为成熟的学科,二者的结合是新一代磁电子学的需求和基础.磁性拓扑材料是磁序与拓扑物理耦合的重要产物,为新兴的拓扑物理提供了材料载体和调控自由度.磁性外尔半金属实现了时间反演对称破缺下的外尔费米子拓扑物... 详细信息

磁学与拓扑物理是两大较为成熟的学科,二者的结合是新一代磁电子学的需求和基础.磁性拓扑材料是磁序与拓扑物理耦合的重要产物,为新兴的拓扑物理提供了材料载体和调控自由度.磁性外尔半金属实现了时间反演对称破缺下的外尔费米子拓扑物态,通过拓扑增强的贝利曲率产生了一系列新奇的磁/电/热/光效应;而外尔电子与磁序的相互作用也使得拓扑电子物理有望成为磁电子学应用的新原理和驱动力.当前,新物态与新效应的发现是磁性拓扑材料第一阶段的主要任务和特征,而动量空间拓扑电子与实空间磁序的相互作用已经开始进入人们的视野.这两个阶段的深入发展,将为拓扑磁电子学积累必要的物理基础和应用尝试.本文着眼于磁性拓扑材料发展的两个阶段,讲述磁性拓扑材料的提出和实现、均一磁序下的拓扑电子态及新奇物性、局域磁态与拓扑电子的相互作用3个方面,阐述当前领域内的热点内容和发展趋势,并对拓扑磁电子学的未来发展进行了思考和展望,以助力未来拓扑自旋量子器件的快速发展.

关键词：拓扑物理磁性外尔半金属拓扑磁电子学

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经典Wnt信号通路与心血管疾病(英文)

生物化学与生物物理进展 2024年

作者：齐燕飞刘晏平许文青闫小雪中国科学院生物物理研究所生物大分子国家重点实验室中国科学院生物大分子卓越中心中国科学院大学生命科学学院上海科技大学上海高级免疫化学研究所生命科学与技术学院

心血管疾病是一组累及心脏和血管的疾病，主要包括冠心病、中风等疾病。它是世界上主要的死亡原因之一，其发病率逐年上升。高血压是心血管疾病的主要危险因素。Wnt信号通路由一系列控制基本生物学过程的高度保守的级联事件组成。Wnt信... 详细信息

心血管疾病是一组累及心脏和血管的疾病，主要包括冠心病、中风等疾病。它是世界上主要的死亡原因之一，其发病率逐年上升。高血压是心血管疾病的主要危险因素。Wnt信号通路由一系列控制基本生物学过程的高度保守的级联事件组成。Wnt信号通路包括经典Wnt通路（或Wnt/β-catenin通路）、非经典平面细胞极性通路和非经典钙依赖通路。异常的Wnt信号通路能够引起和促进细胞增殖和分化、心脏畸形、以及各种恶性肿瘤，因此，以Wnt信号通路为靶点的药物设计具有巨大的治疗潜力。经典Wnt/β-catenin通路通过调节细胞增殖、迁移、凋亡、血脑屏障通透性、炎症、氧化应激和免疫反应等参与动脉粥样硬化、脑卒中等心血管疾病的发生发展。本文结合最新研究进展，综述Wnt/β-catenin信号通路在心血管疾病发生发展中的相关机制，希望为心血管疾病的预防和治疗提供新的思路。

关键词： Wnt/β-catenin信号通路心血管疾病病程

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片上红外偏振探测研究进展

红外与毫米波学报 2024年第1期43卷 52-62页

作者：甄玉冉邓杰布勇浩代旭余宇石梦碟王若文叶韬陈刚周靖中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室上海200083 中国科学院大学北京100049

偏振是光的固有自由度,偏振探测提供了光强和波长之外的更多丰富信息。红外偏振探测器在成像、通信、遥感和宇宙学等众多应用中发挥着至关重要的作用。然而,传统的偏振检测系统体积庞大、系统复杂,阻碍了偏振探测的小型化和集成化。近来... 详细信息

偏振是光的固有自由度,偏振探测提供了光强和波长之外的更多丰富信息。红外偏振探测器在成像、通信、遥感和宇宙学等众多应用中发挥着至关重要的作用。然而,传统的偏振检测系统体积庞大、系统复杂,阻碍了偏振探测的小型化和集成化。近来,片上红外偏振探测器的发展引起了广泛的研究兴趣。本文将重点介绍片上红外偏振探测器的两个前沿研究领域:偏振敏感材料和偏振选择性光耦合结构集成的红外偏振探测器,主要讨论片上红外偏振探测器的研究现状以及未来的挑战和机遇。

关键词：红外偏振探测器各向异性材料拓扑材料手性钙钛矿偏振选择性光学耦合结构