科研进展--中国科学院广州分院

深圳先进院 | 独创“原位接枝聚合”技术破解蛋白药物长效与免疫原性难题（Angew. Chem. Int. Ed.）

高尿酸血症是由于机体嘌呤代谢紊乱，导致其代谢终产物尿酸在血中异常蓄积而形成的慢性代谢性疾病。近年来，由于生活方式，饮食结构等变化，患者数量迅猛增加，在部分发达国家发病率高达30%~40%，而在我国部分省市成年男性人群中，高尿酸血症与痛风的合计患病率也已经高达25%~35%。高尿酸血症与痛风不仅是高血压、心脑血管疾病、慢性肾脏病与糖尿病的独立风险因素，痛风更是给患者造成了巨大的疼痛，严重影响患者生活质量。高尿酸血症是由于机体嘌呤代谢紊乱，导致其代谢终产物尿酸在血中异常蓄积而形成的慢性代谢性疾病。近年来，由于生活方式，饮食结构等变化，患者数量迅猛增加，在部分发达国家发病率高达30%~40%，而在我国部分省市成年男性人群中，高尿酸血症与痛风的合计患病率也已经高达25%~35%。高尿酸血症与痛风不仅是高血压、心脑血管疾病、慢性肾脏病与糖尿病的独立风险因素，痛风更是给患者造成了巨大的疼痛，严重影响患者生活质量。近年来，尿酸氧化酶（UOx）重组制剂成为高尿酸血症与痛风等疾病治疗的新方法。UOx是尿酸分解代谢的关键起始酶，在许多生物体内都有表达。然而在人类进化过程中，由于UOx基因的突变失活，导致人体无法像其他物种那样通过尿酸分解途径将尿酸代谢为水溶性更高的尿囊素。因此，通过补充外源性UOx来治疗高尿酸血症的酶替代疗法（ERT）应运而生。尿酸酶天然形式半衰期短且免疫原性强，现有的聚乙二醇化尿酸酶药物制剂（PEG-UOx，如Pegloticase）虽延长了药物半衰期，但仍存在明显的“加速血液清除”（ABC）效应，高达92%的患者会产生抗药抗体，42%产生抗PEG抗体，导致疗效下降甚至诱发严重过敏反应，使得该制剂临床应用受到极大限制。COVID-19大流行期间广泛使用的PEG化mRNA疫苗进一步加剧了人群对PEG的预存抗体问题，这使得PEG修饰类药物的临床应用面临严峻挑战，亟需开发新的蛋白药物修饰技术。2025年3月5日，北京大学吕华团队、中国科学院深圳先进技术研究院罗小舟团队、国家纳米科学中心杨雨荷团队在Angewandte Chemie International Edition上发表合作文章“Nanourchin-like Uricase-Poly(L-proline) Conjugate with Retained Enzymatic Activity, Mitigated Immunogenicity, and Sustained Efficacy Upon Repeated Administrations”，提出一种全新的蛋白药物修饰方法，为解决蛋白药物长效化与高免疫原性难题提供重要突破手段。研究团队通过独创的“原位接枝聚合”技术，将刚性聚脯氨酸（PLP）以高密度原位修饰于尿酸酶表面，形成具有纳米级“海胆”结构的尿酸氧化酶-聚脯氨酸偶联物（UOx-PLP）。其核心突破包括：1）高密度屏蔽效应：每个UOx亚基接枝13.8条聚脯氨酸链，形成致密保护层，有效掩盖免疫原性表位。2）优异稳定性：在高温、冻融、冻干以及蛋白酶环境中，聚脯氨酸偶联物UOx-PLP的稳定性显著优于传统PEG化药物。3）低免疫原性，无加速清除效应：在连续给药后，抗UOx抗体水平仅为天然UOx的1/250，抗PLP抗体几乎不可检测。而且在三次给药后，PEG-UOx半衰期缩短至首次的40%，而UOx-PLP药代动力学参数保持稳定。更重要的是，交叉给药实验表明对已产生高滴度抗UOx和抗PEG抗体的实验动物，UOx-PLP仍能维持较好的药代动力学，为PEG治疗失败的患者提供额外选择。针对高尿酸血症与痛风这一严峻的临床现状，研究团队构建了拟人化高尿酸血症小鼠动物模型进行了五次连续尿酸酶给药实验。实验结果显示，UOx-PLP组小鼠的血尿酸水平在给药后显著降低，并且五次给药后疗效无明显衰减，血尿酸水平仍低于治疗阈值；此外，UOx-PLP在小鼠体内的药代动力学特征稳定，半衰期较长，能够持续发挥降低尿酸的作用。相比之下，PEG-UOx组药物在第三次后即出现明显的疗效下降，且疗效下降与其血液中抗药抗体增加在时间上高度一致。这一实验结果不仅证明了UOx-PLP在治疗高尿酸血症方面的优越性，还为该新型蛋白修饰方法的临床应用提供了有力的支持。研究人员表示，UOx-PLP的成功开发为未来高尿酸血症和痛风的治疗提供了新的方向和思路。UOx-PLP的简单制备工艺（一步法，5分钟完成）、优异稳定性、安全性、低免疫原性、高酶活性为其临床转化奠定坚实基础。此外，该研究还为其他治疗性蛋白，尤其是酶类药物的开发提供了重要的参考和借鉴，有望推动ERT的快速发展。未来，研究团队将进一步优化UOx-PLP的制备工艺和性能，加快其临床转化进程，期待为患者带来福音。北京大学吕华教授、中国科学院深圳先进技术研究院罗小舟研究员、国家纳米科学中心杨雨荷研究员为本文共同通讯作者。北京大学博士研究生赵锐驰、中国科学院深圳先进技术研究院张洋铭助理研究员为论文的共同第一作者。该项研究成果获得国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、北京市自然科学基金重点项目、深圳市科技重大专项、中国科学院深圳先进技术研究院以及深圳合成生物学创新研究院等项目的资助。图1 文章上线截图图2 “原位接枝聚合”技术示意图图3 UOx-PLP治疗高尿酸血症的优越性

2025-03-10

深圳先进院 | 科研团队在循环肿瘤细胞高效分离及药敏测试技术取得新进展（The Innovation）

检测循环肿瘤细胞有重要临床意义，然而，天然生理生化靶标的检测策略受限于样品的高度异质性影响，常伴随严重假阴性漏检、假阳性干扰，严重限制了相关研究的深入开展。针对这一问题，研究团队突破该瓶颈，发展了覆盖异质循环肿瘤细胞的精准无损分离策略，并开展探索下游药敏测试方面的应用。检测循环肿瘤细胞有重要临床意义，然而，天然生理生化靶标的检测策略受限于样品的高度异质性影响，常伴随严重假阴性漏检、假阳性干扰，严重限制了相关研究的深入开展。针对这一问题，研究团队突破该瓶颈，发展了覆盖异质循环肿瘤细胞的精准无损分离策略，并开展探索下游药敏测试方面的应用。近日，中国科学院深圳先进技术研究院医药所王怀雨研究员团队在循环肿瘤细胞高效分离及药敏测试技术取得了最新研究进展，相关成果以"A phenotype-independent'label-capture-release' process for isolating viable circulating tumor cells in real-time drug susceptibility testing"（基于“标记-捕获-释放”步骤的泛癌种循环肿瘤细胞分离及其药敏性测试技术）为题发表于高水平综合期刊The Innovation。深圳先进院助理研究员劳智奇、任晓雪为论文第一作者，李伟高级工程师、王怀雨研究员为通讯作者。CTC是脱离肿瘤病灶、进入并存活于循环系统的肿瘤细胞，其出现是肿瘤扩散、转移的早期标志性事件。因此，CTC检测具有发现肿瘤转移、预后评估等多重临床意义。现有CTC检测主要基于天然生理生化靶标，存在对异质CTC覆盖不够、检测结果干扰严重、下游应用受限等不足。本文从肿瘤细胞普遍存在异常糖代谢出发，探索利用代谢糖标记(Metabolic glyco-labeling)在细胞表面构建均质靶标(neo-marker)来高度覆盖异质CTC，并针对该靶标开发基于生物正交反应和可逆反应的捕获和释放策略，在≥10种不同癌症中实现精准、无损分离异质CTC，并拓展建立基于痕量CTC的下游实时药敏测试策略。本研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、深圳市科技创新委员会等项目经费的资助。

2025-03-06

深圳先进院 | 利用生物质糖实现聚酰胺12的绿色合成（Metabolic Engineering）

人工合成的聚酰胺作为一类重要的工业材料，在汽车制造、输油管道、电子电器、运动器材及医疗等行业具有广泛应用，全球市场规模超过1000亿元人民币。中国作为全球最大的聚酰胺材料消费市场，年需求量达数百万吨。然而，合成聚酰胺12的核心化学单体长期以来被少数几家公司垄断，给企业带来较大的供应风险。此外，聚酰胺12的合成依赖于石油提取，且生产过程对环境污染较大，因此，开发更加绿色、可持续的聚酰胺12合成技术显得尤为必要。人工合成的聚酰胺作为一类重要的工业材料，在汽车制造、输油管道、电子电器、运动器材及医疗等行业具有广泛应用，全球市场规模超过1000亿元人民币。中国作为全球最大的聚酰胺材料消费市场，年需求量达数百万吨。然而，合成聚酰胺12的核心化学单体长期以来被少数几家公司垄断，给企业带来较大的供应风险。此外，聚酰胺12的合成依赖于石油提取，且生产过程对环境污染较大，因此，开发更加绿色、可持续的聚酰胺12合成技术显得尤为必要。近日，由中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所合成生物化学研究中心的Howard H. Chou课题组在Metabolic Engineering期刊上发表了题为“Biosynthesis of 12-aminododecanoic acid from biomass sugars”的重要研究成果。生物合成聚酰胺12的化学单体12-氨基十二烷酸（ADDA）面临两大技术瓶颈：其一，中间体十二烷酸（DDA）对底盘细胞具有毒性；其二，过氧化副产物十二烷二酸（DDDA）的积累会降低产率且增加生产成本。本研究基于合成生物学原理，阐明了这两个技术瓶颈的机制，并开发了高产菌株。该项研究不仅深化了对DDA、ADDA和DDDA生物合成机理的理解，还为多种聚酰胺的绿色生产提供了新思路。生物合成ADDA的研究目前主要使用植物油作为原料，面临原料价格高、与食品生产形成资源竞争以及伴生的温室气体排放与生物多样性破坏等多种挑战。此外，生物合成ADDA的过程中会积累大量的DDDA，其合成机制至今尚不明确（Schrewe et al.,2013；Ladkau et al.,2016；Ahsan et al.,2018）。尽管已有研究利用葡萄糖合成了471.5 mg/L的ADDA，但DDA的细胞毒性问题仍限制了产量和产率的提升（Ge et al.，2025）。虽然生物合成ADDA为聚酰胺12的可持续生产提供了新范式，但要实现绿色合成，仍需解决原料选择、DDDA积累以及DDA细胞毒性等问题。解决DDA的细胞毒性问题DDA添加和硫酯酶（UcfatB）表达实验表明，DDA对在生长中的细胞具有毒性，并提示过度的UcfatB表达会导致细胞进入不利于合成DDA的状态。研究推测，利用群体感应表达（QSE）系统可能有助于调节UcfatB表达，从而促进DDA的合成。在细胞密度较低时，QSE系统可以在细胞较敏感的早期生长阶段将UcfatB表达维持在较低水平，避免细胞毒性，同时实现DDA的积累。随着细胞密度的增加，在敏感阶段过后再提高UcfatB表达，可以最大化DDA的产量。与组成型表达系统相比，使用QSE系统在不诱导细胞毒性的情况下提高了DDA的产量。通过结合烷烃转运蛋白（AlkL）与QSE系统，进一步优化了该系统的动态性能，提高了表达强度和均匀性，并且降低了背景表达水平。解决DDDA积累的问题在将DDA转化为ADDA的过程中，中间体12-氧代十二烷酸可能被不可逆地氧化为DDDA。过往研究证明，在大肠杆菌中敲除具有醛还原或氧化活性的酶可以提高芳香醛的积累（Kunjapur et al.，2014；Butler et al.，2023）。本研究通过敲除16个醛脱氢酶和还原酶，成功减少了DDDA的积累。利用葡萄糖和纤维二糖合成ADDA基于对DDA细胞毒性和DDDA合成机制的深入理解，研究人员对大肠杆菌进行了改造，使其能够将葡萄糖和纤维二糖转化为ADDA，同时减少DDDA的积累以及DDA对细胞生长的负面影响。在以纤维二糖为主要碳源的条件下，菌株M997实现了509 mg/L的ADDA产量。菌株M1001在15升发酵罐中达到了1035 mg/L，从糖到ADDA的转化率为5%，且未检测出DDDA的积累。为了实现从葡萄糖和纤维二糖合成ADDA的一步法发酵工艺，本研究阐明了生物合成ADDA的瓶颈问题机制，发现生长中的细胞对DDA积累速率比最终DDA浓度更为敏感，解析了对DDDA积累的关键基因。研究通过改善QSE系统的性能，更严格地调控酶的转录，显著提高了DDA和ADDA的合成效率。最后，开发的一步法生产ADDA工艺实现了迄今为止从糖合成ADDA的最高产量和产率，为未来更可持续地生产ADDA、聚酰胺12及其它聚酰胺产品提供了新的思路。中国科学院深圳先进技术研究院硕士毕业生高海鑫及研究助理方强为文章共同第一作者，正高级工程师Howard H. Chou为文章的通讯作者。本研究得到了国家重点研发计划、中国自然科学基金、深圳合成生物学创新研究院以及深圳合成生物研究重大科技基础设施的支持。论文上线截图图 1.优化了QSE系统来精细控制DDA的合成。(a)OD600和DDA产量由组成型启动子或基于QSE系统表达UcfatB。(b)基于QSE系统在不同诱导剂浓度下的表达强度。(c)对携带基于QSE系统并表达mCherry的细胞进行流式细胞术分析。图 2. 解析DDDA合成的机制。（a）依次敲除7个醛脱氢酶，以及(b) 单独敲除9个醛氧化酶或还原酶对DDDA积累的影响。图 3. 高效从糖合成ADDA的菌株。(a) M631在表达与OsmY融合的β-葡萄糖苷酶（M997）并以纤维二糖为主要碳源。(b) M1001的发酵结果。

2025-03-05

南海所研究团队验证SDGSAT-1 MII在水环境遥感应用中的潜力

近日，中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境国家重点实验室（LTO）唐世林团队系统验证了SDGSAT-1卫星MII传感器在水环境遥感中的有效性与优势。助理研究员李文凯为第一作者，研究员唐世林为通讯作者，发表在国际著名期刊Remote Sensing of Environment（中国科学院1区TOP，IF=11.1）上，其他合作者还包括武汉大学教授田礼乔，江西师范大学教授赵红梅，国家卫星气象中心研究员孙凌以及团队副研究员叶海彬、助理研究员郑文迪、助理研究员刘宇鹏。SDGSAT-1是全球首颗专门服务于《联合国2030年可持续发展议程》的科学卫星，同时也是中国科学院首颗地球科学卫星。该卫星搭载了热红外、微光和多光谱成像仪（MII）三种载荷，通过全天候、多载荷协同观测，SDGSAT-1旨在精细刻画“人类活动痕迹”，为可持续发展目标（SDGs）相关研究提供高质量的遥感数据支持。本研究针对SDGSAT-1MII传感器在水环境遥感监测方面的辐射性能进行了全面分析，系统评估了其在浑浊水体遥感中的应用优势，同时探讨了其光谱局限性。研究结果进一步验证了SDGSAT-1 MII在水环境遥感中的潜力，为未来水体遥感监测及SDGs相关研究提供了重要的科学依据。该研究由国家自然科学基金、南海海洋所自主部署项目和国家重点研发计划等共同资助完成。图1. 使用SDGSAT-1 MII、Landsat-8 OLI和Sentinel-3B OLCI反演的珠江口悬浮泥沙浓度相关论文信息：Li,Wenkai,Shilin Tang,Liqiao Tian,Hongmei Zhao,Haibin Ye,Wendi Zheng,Yupeng Liu,and Ling Sun."Assessing on-orbit radiometric performance of SDGSAT-1 MII for turbid water remote sensing." Remote Sensing of Environment 321 (2025):114683.原文链接：https://doi.org/10.1016/j.rse.2025.114683

2025-03-14

亚热带所 | 桃源黑猪骨骼肌微环境“肌-脂互作”机制研究取得新进展

生产优质猪肉产品已成为养猪业高质量发展的重要目标。猪肉肌内脂肪含量和肌纤维类型组成是影响肉质的重要因素，而肌肉和脂肪组织又是重要的代谢与分泌器官，二者通过分泌因子进行对话，并调控肌肉的代谢和脂肪的沉积。骨骼肌中肌源性、脂肪源性和免疫细胞间复杂的信号交流及其对能量代谢和脂肪沉积的调控功能受到广泛关注，但各细胞类群间互作介导的代谢调控机制仍不清楚。生产优质猪肉产品已成为养猪业高质量发展的重要目标。猪肉肌内脂肪含量和肌纤维类型组成是影响肉质的重要因素，而肌肉和脂肪组织又是重要的代谢与分泌器官，二者通过分泌因子进行对话，并调控肌肉的代谢和脂肪的沉积。骨骼肌中肌源性、脂肪源性和免疫细胞间复杂的信号交流及其对能量代谢和脂肪沉积的调控功能受到广泛关注，但各细胞类群间互作介导的代谢调控机制仍不清楚。中国科学院亚热带农业生态研究所印遇龙院士团队以脂肪型桃源黑猪和瘦肉型杜洛克猪为研究对象，创新性利用单核-空间转录组联合分析技术，从肌肉与脂肪组织互作的新颖角度深入揭示了猪背最长肌中脂肪源性与肌源性细胞之间密切的对话关系，证实了脂肪源性成纤维成脂祖细胞（FAPs）是骨骼肌中分泌蛋白的重要来源，参与细胞间通讯；解析了该分泌蛋白所构建的骨骼肌微环境调控肌纤维类型组成和肌肉代谢模式的分子机制，并筛选出多个参与“肌-脂互作”的关键肌细胞因子（myokines）和脂肪细胞因子(adipokines)。研究成果不仅为猪肉品质的营养调控和遗传育种提供了理论基础与潜在靶点，也为以猪为动物模型研究人类肥胖等代谢性疾病开拓了崭新的思路和方法。据悉，2023年，研究团队曾受邀发表前沿论述，系统总结了细胞因子与外泌体microRNA介导的“肌-脂互作”及其代谢调控机制，并提出新的观点与思考，引起广泛关注。研究成果分别以snRNA-Seq and Spatial Transcriptome Reveal Cell–Cell Crosstalk Mediated Metabolic Regulation in Porcine Skeletal Muscle和Cytokines and exosomal miRNAs in skeletal muscle–adipose crosstalk为题发表在国际重要期刊Journal of Cachexia,Sarcopenia and Muscle（2025）和Trends in Endocrinology & Metabolism（2023），博士研究生郭鎏为论文第一作者，李凤娜研究员和中国工程院院士印遇龙研究员为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委创新发展联合基金重点项目（U22A20516）、国家生猪产业技术体系（CARS-35）、长沙市重大专项（kh2401015）等项目的联合资助。论文链接：1 2细胞因子和外泌体microRNA介导肌肉-脂肪组织互作猪骨骼肌微环境“肌-脂互作”机制

2025-03-14

华南植物园揭示自然生态系统植物氮素吸收偏好的全球格局及驱动因子

植物氮素获取策略决定着生态系统生物量累积和碳动态，明晰植物氮素获取策略以及驱动因子对于预测未来气候变化背景下植被生产力维持以及陆地生态系统碳汇功能至关重要。植物对土壤不同形态氮的吸收偏好是重要的氮素获取策略之一，然而，全球尺度上植物氮素吸收偏好的变化规律和驱动因子尚不清楚。研究人员基于全球自然生态系统15N标记实验数据库，明晰了植物对土壤铵态氮，硝态氮以及有机氮（以甘氨酸为例）的相对吸收比例分别为41.6 ± 1.1%,32.8 ± 1.2%和25.6 ± 0.9%。研究结果同时强调了植物氮素吸收偏好的纬度变化规律以及生物（植物类型）和非生物（气候、土壤）驱动机理。铵态氮和硝态氮分别在（亚）热带地区和高纬度气候区对植物氮吸收有更高的贡献比例，植物对铵态氮的偏好模式主要受年平均温度和土壤氮可利用性驱动；不同的是，硝态氮的偏好模式同时受到生物（植物类型）和非生物（气候、土壤）因素驱动。该研究在全球尺度上揭示了自然生态系统植物氮素吸收偏好的变化规律和驱动因子，为深入理解全球变化背景下植物氮素获取策略以及准确评估氮获取策略引起的碳固存变化提供了重要依据。相关研究结果以“Plant nitrogen uptake preference and drivers in natural ecosystems at the global scale”为题发表在植物科学领域权威期刊New Phytologist（《新植物学家》）（IF5-year = 10.2）。中国科学院华南植物园毛晋花为第一作者，中国科学院地理科学与资源研究所牛书丽研究员为通讯作者。该项研究得到国家自然科学基金项目、国家重点研发计划、国家博士后项目等资助。论文链接：https://doi.org/10.1111/nph.70030该项研究是毛晋花博士基于氮稳定同位素手段开展生态系统氮循环系列研究中的一个重要部分。前期相关研究包括揭示大气氮沉降在南亚热带森林中的去向（Global Change Biology 2022， https://doi.org/10.1111/gcb.16005），阐明土壤氮稳定同位素自然丰度和氮循环对干旱的阈值响应（Global Change Biology 2024，https://doi.org/10.1111/gcb.17357）以及氮稳定同位素自然丰度指示土壤氮循环在不同森林之间的差异性（Plant and Soil 2024，https://doi.org/10.1007/s11104-024-06523-y），上述系列研究得到郑棉海研究员、莫江明研究员等指导。图1. 植物氮素吸收偏好在不同气候区域和生态系统类型之间的差异图2. 不同植物类型氮素吸收偏好的差异

2025-03-13

俯冲带富CH₄泥火山研究取得新进展

近日，中国科学院深海科学与工程研究所海洋地球物理与资源实验室的吴时国研究员指导的博士生Umair Khan与北京科技大学的合作者在期刊《Geoscience Frontiers》上发表了一篇题为《Geochemical Cycling, Tectonic Drivers and Environmental Impacts of CH4-Rich Mud Extrusions in Subduction Zones》的论文。近日，中国科学院深海科学与工程研究所海洋地球物理与资源实验室的吴时国研究员指导的博士生Umair Khan与北京科技大学的合作者在期刊《Geoscience Frontiers》上发表了一篇题为《Geochemical Cycling,Tectonic Drivers and Environmental Impacts of CH4-Rich Mud Extrusions in Subduction Zones》的论文。图1. 俯冲带中富含CH4的泥火山的地球化学循环、构造驱动因素及环境影响俯冲带是岩石圈挥发物流通的关键界面，复杂的构造和地球化学相互作用促进了地壳深部储层中气体和流体的释放。泥火山活动作为这些过程的动态表现，贡献了CH₄排放，影响了全球CH₄预算并对海洋生态系统产生影响。全球范围内，约2000处泥火山位于俯冲带，突显了俯冲相关的地球化学和构造过程在促进CH₄向大气和水圈排放中的重要性。近年来，遥感技术（合成孔径雷达干涉测量、航空摄影、机载激光扫描）与水声学方法的协同应用，系统刻画了陆域与海域富CH₄泥火山的三维几何形态与空间分布特征。气相色谱、同位素分析、原位气体通量测量以及喷出的泥火山气体与流化泥浆的地球化学分析进一步推进了对分子组成、同位素特征和再循环组分化学性质的研究。此外，深海钻探和搭载CH₄传感器的潜水器为喷发活动、挥发性排放及潜在危害提供了新的见解。然而，关于富 CH₄ 泥火山的地质起源以及俯冲相关的地球化学和构造机制在活动俯冲边缘中的作用仍存在关键空白。本研究采用多学科方法，结合地球物理、地质和地球化学数据集，提出了 Makran Subduction Zone 中富 CH₄ 泥火山的新演化模型。Makran Subduction Zone 因其独特的地质特征（包括世界上最大的增生楔、高地震潜力和活跃的富 CH₄ 泥火山）而成为理想的研究模型系统。图2. (a) 全球富 CH₄ 泥火山的构造区域；(b-e) Barbados、Northern Hikurangi、Nankai Trough 和 Makran Accretionary Wedges 的示意剖面图图3. Makran Subduction Zone 中泥底辟和流体逃逸管的三维结构及多属性地震特征图4. 综合覆盖层和压力梯度建模显示了 Makran Subduction Zone 中泥底辟上方垂直应力和孔隙压力的有效发展图5. Makran Subduction Zone 中三座泥火山喷出的泥角砾岩及气体的地球化学分析图6. Makran Subduction Zone 中富 CH₄ 泥火山的地质演化模型上述研究得到了中国国家自然科学基金、海南省院士创新平台专项研究基金和海南省重点部署项目的支持。论文信息：https://doi.org/10.1016/j.gsf.2025.102029

2025-02-26

深海所 | 万米深渊钩虾基因组揭示其环境适应性和种群历史（Cell）

近日，中国科学院深海科学与工程研究所张海滨研究员团队联合华大生命科学研究院等单位，在深渊钩虾环境适应与种群遗传方面取得新进展，研究成果以 “The amphipod genome reveals population dynamics and adaptations to hadal environment” 为题发表于国际学术期刊《Cell》。近日，中国科学院深海科学与工程研究所张海滨研究员团队联合华大生命科学研究院等单位，在深渊钩虾环境适应与种群遗传方面取得新进展，研究成果以 “The amphipod genome reveals population dynamics and adaptations to hadal environment” 为题发表于国际学术期刊《Cell》。该研究经过近十年的努力，在中国科学院部署实施的“全球深渊深潜探索计划（Global TREnD）”支持下，使用“探索一号”科考船，以及我国自主研制的全海深载人潜水器“奋斗者”号和全海深着陆器“原位实验”号、“天涯”号等装备，对马里亚纳海沟、雅浦海沟、菲律宾海盆等科考航次获得的深渊钩虾（Hirondellea gigas）样本进行研究，通过染色体水平基因组和群体遗传学分析，并综合转录组、宏基因组、代谢组等多组学数据，揭示了这种分布水深超过万米的端足类适应深渊环境的分子机制，及其群体分化与种群动态历史。染色体水平超大基因组研究团队利用PacBio HiFi长读长测序和Hi-C三维基因组技术，成功组装了H. gigas的染色体水平的高质量基因组（大小13.92 Gb）。基因组分析揭示了其两大主要特征：内含子延长和重复序列扩张。与近缘物种相比，H. gigas的内含子长度显著增加，主要是由于重复序列的插入，尤其是串联重复和长散在重复序列（LINEs）转座子。H. gigas基因组中71.98%为重复序列，主要为串联重复，占到基因组的46.03%，显著高于其他无脊椎动物。特别是，与其他无脊椎动物基因组相比，H. gigas基因组中长单元串联重复序列（小卫星，10-100 bp）的比例更高，其比例与无脊椎动物基因组大小正相关。这些重复的产生可能与深渊极端环境的适应有关。地理隔离塑造了不同钩虾群体的遗传分化研究团队对马里亚纳海沟的510只（11个群体）、雅浦海沟94只（1个群体）及西菲律宾海盆深渊区的18只（1个群体）H. gigas个体进行了高覆盖的全基因组重测序和群体遗传学分析。结果显示来自马里亚纳海沟11个不同深度（~7000-11000米）群体不存在遗传分化，表明生活在马里亚纳海沟内的钩虾是一个完全混合的群体，高静水压不会限制其在海沟内的垂直迁移。而西菲律宾海盆的钩虾群体与马里亚纳海沟的群体则表现出明显的遗传分化。这两个海沟间相隔~1500公里，表明地理隔离阻碍了群体间的基因交流。冰期-间冰期气候变化可能影响深渊种群动态历史研究结果显示H. gigas的有效种群在约100万年前经历了一次急剧下降，这与更新世深海温度的大幅波动高度吻合。经过遗传瓶颈后，钩虾群体又经历了种群扩张。这一结果说明，更新世时期大的冰期-间冰期气候变化可能不仅造成了陆地动物的大规模灭绝，而且也深刻影响了深海甚至深渊动物。宿主-微生物协同合作适应深渊极端环境研究团队通过宏基因组和代谢组学整合分析揭示了H.gigas与共生菌的协同合作可能是钩虾适应深渊极高静水压和食物匮乏环境的关键。氧化三甲胺（TMAO）是一种渗透调节物质，在渗透压调节以及在高静水压条件下维持细胞完整性方面发挥着重要作用。检测发现，随着深度增加，钩虾肠道内容物中TMAO浓度显著升高，体组织中也呈现类似趋势。钩虾自身编码fmo3基因，可将三甲胺（TMA）转化为TMAO。而其优势共生菌Psychomonas的基因组中携带cutC和cutD基因簇，可将胆碱分解为TMA；同时拥有torYZ操纵子，可以将TMAO还原为TMA，从而调控宿主体内的TMAO浓度，形成动态平衡。极低的生产力和有限的食物被认为是制约深海生物代谢的关键因素之一。有研究推测H. gigas可能具备消化木质碎屑的能力。本研究在H.gigas基因组中发现了4种内切葡聚糖酶基因，可以将纤维素初步分解为纤维二糖；在共生菌Psychomonas中发现了纤维二糖酶、celB基因和磷酸纤维二糖酶，负责将纤维二糖进一步转化为D-葡萄糖，从而形成完整的纤维素代谢通路。这一机制可能最终促使H.gigas能够高效利用深渊食物资源，从而使其在食物匮乏的深渊海沟中成为一大优势类群。目前，理解动物如何适应深渊仍然是一个科学难题。本研究中获得的H. gigas的基因组是全球已发表的“最深”的动物基因组，基于群体研究产出的数据量是迄今为止全球最大规模的针对单一海洋物种的重测序，为研究深渊生态系统提供了宝贵的数据资源。本研究结果为深入理解生命如何适应深渊环境提供了新的见解。该研究得到了中国科学院战略性先导科技专项（B类）、中国科学院国际伙伴计划、国家重点研发计划、海南省重大科技计划以及“全球深渊深潜探索计划（Global TREnD）”支持。中国科学院深海科学与工程研究所张海滨为文章第一作者/共同通讯作者，刘君、周洋以及华大生命科学研究院孙帅、郭群飞、孟亮、陈建威、向薛雁为共同第一作者，华大生命科学研究院范广益、刘姗姗、徐讯为共同通讯作者。论文链接：https://doi.org/ 10.1016/j.cell.2025.01.030

2025-03-08

Cell | 环太平洋深渊鱼类基因组，揭秘脊椎动物突破高压生存禁区的适应性重塑和演化轨迹

2025年3月6日，由中国科学院全球深渊研究团队何舜平研究员主导，联合中国科学院深海科学与工程研究所、中国科学院水生生物研究所、西北工业大学等单位科研人员完成的深海鱼类研究重大研究成果，以题为“Evolution and genetic adaptation of fishes to the deep sea”发表在国际顶级期刊《Cell》上。该研究是在中国科学院部署实施的全球深渊深潜探索计划（Global TREnD）支持下，基于我国自主深潜技术获取的深海及深渊鱼类样本库，首次实现从基因到生态系统层面的多维度突破。 2025年3月6日，由中国科学院全球深渊研究团队何舜平研究员主导，联合中国科学院深海科学与工程研究所、中国科学院水生生物研究所、西北工业大学等单位科研人员完成的深海鱼类研究重大研究成果，以题为“Evolution and genetic adaptation of fishes to the deep sea”发表在国际顶级期刊《Cell》上。该研究是在中国科学院部署实施的全球深渊深潜探索计划（Global TREnD）支持下，基于我国自主深潜技术获取的深海及深渊鱼类样本库，首次实现从基因到生态系统层面的多维度突破。国之重器：助力深渊科考该研究使用“探索一号”和“探索二号”科考船，以及我国自主研制的4500米级载人潜水器“深海勇士”号、全海深载人潜水器“奋斗者”号以及全海深着陆器“原位实验”号、“天涯”号等装备，通过对马里亚纳海沟、雅浦海沟、蒂阿曼蒂那深渊、瓦莱比-热恩斯深渊、西南印度洋热液、菲律宾海盆及南海等系列科考航次，覆盖几乎整个深海鱼类栖息深度范围（1218-7730米）的科学考察，获得了6大典型深海鱼类类群，共11种深海鱼样本，其中6种超深渊带（>6,000米）样本。11种深海鱼类的采样信息和形态特征科研积淀：深海鱼类研究新突破自2017年，何舜平研究员率领团队开展深海鱼类研究。2019年该团队公布首个已知栖息深度最深的鱼类类群：马里亚纳海沟超深渊狮子鱼（Pseudoliparis swirei）的基因组，并解析了其独特的深海适应机制，相关成果一经发表引起各大媒体的广泛报道（2019，Nature ecology & evolution）。2019年至2024年该团队相继对深渊狮子鱼的嗅觉和视觉系统的适应性进行了深入分析，并首次对其肝脏组织脂质组和蛋白质组进行了解析，全面系统的阐述了马里亚纳海沟深渊狮子鱼的适应性演化机制（2019，GENES ；2023，eLife；2024, Water Biology and Security）。并先后对深海剑鱼 (Xiphias gladius) 和平鳍旗鱼 (Istiophorus platypterus)的恒温演化机制、深海月鱼（Lampris meggalopsis）和深海鳗鲡鱼（Ilyophis brunneus）深海适应的分子机制进行了深入的研究（2021，Molecular Biology and Evolution；2022，Zoological Research；2022，SCIENCE CHINA Life Sciences）。深海以高压、低温和黑暗为特征，是地球上最极端的环境之一，却孕育了独特的生物群落。我国深潜装备技术的发展加快了深海特殊生境生物样品的采集，为深海生命科学研究提供了宝贵材料；多组学分析为解析深海生物成因与适应性演化提供了研究手段。基于前期积累的研究基础该团队再次取得系统性解析深渊鱼类的成因和适应性演化的新突破。主要研究成果图文摘要研究对从西太平洋至中印度洋海域，深度1218米到7730米水深，超深渊海沟、海盆和断裂带，热液区及中国南海海域捕获的11种深海鱼类的基因组数据进行深入分析，构建了深海鱼类的"生命进化树"，揭示了脊椎动物征服深渊的史诗历程。结果表明，大多数现存的深海鱼类约在6500万年前的大灭绝事件后才进入深海区域，而少数更古老的深海鱼类类群在1亿年前就已经开始适应深海环境，并可能在连续的大灭绝事件中存活。进一步的研究发现深海鱼类基因组展现出较低的突变速率和较高的重复序列比例，同时，对深海黑暗环境也表现出不同层次的适应性变化。研究团队进一步探讨了脊椎动物应对高压环境的分子机制。此前，能够在高压下稳定蛋白质结构的氧化三甲胺（TMAO）被认为是脊椎动物适应深海高压环境的“抗压神器”，随深度增加，鱼体内TMAO含量呈线性增加。团队通过测定不同深度鱼类肌肉组织中的TMAO含量，发现生存深度0-6000米的鱼类，TMAO含量随着深度增加而升高，但在6000米以下的深海鱼类则未出现这一趋势。这表明，TMAO并不能单独解释所有深海鱼类在高压下的适应机制，可能存在着更精妙的分子机制。更为突破性的发现是，所有生存深度在3000米以下的深海鱼类均存在一种高度保守的rtf1基因突变（Q550L），进一步地体外实验表明该变突显著影响了转录效率，揭示了转录调控在深海高压适应中的潜在作用。这一发现为揭示深海生物压力适应的分子机制开辟了新的研究方向。此外，团队还发现，来自马里亚纳海沟和菲律宾海沟的超深渊狮子鱼，其肝脏组织中富集了极高水平的多氯联苯（PCBs），这是一种常见的人工合成有机污染物。这一发现警示我们，人类活动已经对地球最深处的生物产生了深远的影响。研究人员还对几种典型的深海鱼类的特异性的适应机制进行了深入的探讨，结果表明不同类群深海鱼类“各显身手“，对深海极端环境均展现出独特的适应机制。此外，该研究还对鱼类肌肉组织多种代谢物（脂肪酸、氨基酸及重金属污染物）和蛋白质组进行了全面的检测。另一方面，对不同超深渊海沟深渊狮子鱼群体遗传分析结果表明：深海洋流可能是深渊鱼类跨海沟基因交流的推动力。随着人类探索深海的脚步加速进行，深海这片未知之地逐渐揭开神秘的面纱，该研究推进了我们对脊椎动物如何克服海洋最深区域环境挑战的理解，突出继续探索和保护这些独特深海生态系统的必要性。该研究由中国科学院战略性先导科技专项（B类）、中国科学院国际伙伴计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金、海南省重大科技计划以及 “全球深渊深潜探索计划（Global TREnD）”支持。中国科学院深海科学与工程研究所徐涵博士后为本研究的第一作者，中国科学院水生生物研究所方成池副研究员与王成博士后、西北工业大学许文杰博士以及青岛华大基因研究院宋跃为本研究共同第一作者；何舜平研究员、王堃教授和张海滨研究员为本研究共同通讯作者。论文链接： https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.01.002

2025-03-08

广州地化所范晶晶、王强等-CG：Mo同位素揭示俯冲陆壳对碰撞后斑岩铜矿形成的重要性

斑岩铜矿作为全球铜、钼、金的主要来源，传统上认为其形成于大洋俯冲带之上的岩浆弧环境，即俯冲洋壳脱水释放含H₂O、S、Cl的氧化流体，交代上覆地幔楔，诱发部分熔融，或俯冲洋壳熔融产生的熔体与地幔相互作用，形成富金属的母岩浆。然而，阿尔卑斯−喜马拉雅等碰撞造山带中发现的形成于碰撞后环境中的斑岩铜矿，挑战了传统模型，关键问题为在无大洋板片流体的条件下，岩浆是如何氧化并富集成矿的。针对上述科学问题，中国科学院广州地球化学研究所王强研究员团队联合西北大学龙晓平研究员等，对青藏高原东冈底斯成矿带的碰撞后（普遍认为印度−欧亚初始碰撞发生于62−59 Ma）成矿斑岩及相关侵入岩进行了详细的Mo同位素分析，研究发现：（1）始新世花岗岩（44.9–53.2 Ma）：高δ⁹⁸/⁹⁵Mo值（0.37–0.58‰）、高Th/La（0.3–0.4），源于新特提斯洋俯冲改造的基性下地壳的部分熔融，岩浆源区可能存在再循环的缺氧大洋沉积物组分。（2）中新世高镁闪长岩（~15 Ma）：极低δ⁹⁸/⁹⁵Mo值（-1.20‰至-0.92‰），源于受俯冲印度陆壳熔体交代的岩石圈地幔的部分熔融。（3）渐新世−中新世成矿斑岩（~30–15 Ma）：δ⁹⁸/⁹⁵Mo值变化范围大（-0.85‰至0.34‰），反映了亚洲新生下地壳与印度陆壳熔体组分的混合（图1）。（4）中新世无矿花岗岩（~15 Ma）：Mo同位素组成偏重（-0.14‰至0.23‰），且Th含量低（7.6–9.6 ppm），指示源区缺少或仅含少量俯冲陆壳组分。据此提出俯冲印度陆壳组分的加入可能对碰撞后斑岩系统的形成起着关键作用（图2），可能的成矿机制为印度陆壳俯冲通过释放氧化性熔体，改造上覆岩石圈的挥发分含量与氧化状态。图1.碰撞后成矿斑岩及相关侵入岩的Mo同位素与元素含量、比值及Sr-Nd同位素图解图2.碰撞后成矿斑岩δ98/95Mo-εNd(t)混合图解该研究利用Mo同位素来示踪叠加有先前大洋俯冲印记的碰撞后岩浆岩的形成，不仅为揭示俯冲陆壳与上覆岩石圈相互作用提供了关键证据，而且深化了对碰撞造山带成矿理论的理解。相关成果发表于国际地学期刊《Chemical Geology》，本研究受国家自然科学基金创新群体项目和第二次青藏科考等项目的联合资助。论文信息：Fan, J.J., Wang, Q*, Long, X.P., Wyman, D.A., Kerr, A.C., Li, J., Wang, Z.L., Gong, L., Xu,D.J.,Yang,Q.J.,Zhang,L.,Cui,Z.-X.,2025. Mo isotope evidence for the significance of subducted continental crust in formation of post-collisional porphyry Cu deposits. Chemical Geology 680,122683. 论文链接：https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2025.122683

2025-03-07