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生命学院孙前文与杨雪瑞课题组合作发文报道精准、高效、高通量检测R环分布新方法
热能系刘树红课题组在空泡-颗粒相互作用研究中取得进展
生命学院杨茂君研究组于线粒体呼吸链研究领域再次取得突破
微纳电子系任天令教授团队在石墨烯纸基压力传感器研究取得重要进展
生命学院孙前文与杨雪瑞课题组合作发文报道精准、高效、高通量检测R环分布新方法
8月28日，清华大学生命学院孙前文课题组与杨雪瑞课题组合作在植物学国际期刊《自然-植物》（Nature Plants）在线发表题为“R环结构是拟南芥基因组中一种常见的染色质结构（The R-loop is a common chromatin feature of the Arabidopsis genome）”的研究论文，首次报道了精准、高效、高通量检测R环结构 （R-loop）的方法，并利用此方法首次揭示模式植物拟南芥基因组中R环的分布特征。
▲图1：本研究中最新开发的基于单链DNA建库的ssDRIP-seq原理图。
R环是一种特殊的染色体结构，由一条RNA：DNA杂合链和一条单链DNA所组成。目前越来越多的证据发现这种独特的染色质结构在原核和真核生物中普遍存在，在很多关键的生物学过程中发挥重要功能，包括染色质修饰、转录调控、DNA损伤修复以及基因组稳定性等。基于特异识别DNA:RNA杂合链抗体的免疫共沉淀及高通量测序分析技术（简称DRIP-seq，DNA:RNA hybrid immunoprecipitation and sequencing）已被用来检测人、小鼠、酵母等模式生物全基因组水平的R环分布。但已有的DRIP-seq全基因组检测R环方法存在严重的技术缺陷，对数据的质量有不可忽视的影响。此外，植物全基因组水平的R环分布特征尚不清楚。
该研究以模式植物拟南芥为材料，在传统R环全基因组检测技术基础上开发出一种全新的检测方法：基于单链DNA建库的DNA:RNA杂合链免疫共沉淀及高通量测序技术（简称ssDRIP-seq, single-strand DNA ligation-based library construction of DNA:RNA hybrid immunoprecipitation and sequencing，详见图1）。与已报道的全基因组R环检测方法相比，ssDRIP-seq表现出易操作、精准、高效、高度灵敏、可重复性好等优点，并且可获得DNA链特异性信息。基于ssDRIP-seq，该研究获得了拟南芥全基因组水平R环的精准分布特征，如R环在拟南芥基因组中分布广泛且相对稳定，与基因表达、DNA甲基化、染色质修饰、GC/AT碱基偏移等存在着紧密关系。不同于哺乳动物基因组，拟南芥中广泛存在一类反义长非编码RNA在正义链转录起始位点形成的R环（图2），推测这类特别的R环在调节基因转录起始或控制基因转录过程中发挥重要作用。该研究还基于所获得的数据对R环在基因沉默和基因组构成等中的功能进行了展望。《自然-植物》期刊专门邀请加州大学戴维斯分校Frederic Chedin教授为本研究撰写评论文章，彰显此项研究在领域内的重要性。
图2：趋势分析 （Metaplot）显示拟南芥基因组中既存在正义R环（sense R-loops，由基因自身转录本与其模板链形成的R-loop），也存在反义R环（antisense R-loops，大多是由基因的反义转录本在正义链转录起始位点形成的R-loop）。
清华大学孙前文实验室成立于2014年秋，重点关注植物R环的形成、稳定和解除的调节机制及相应的生物学功能。本研究是孙前文实验室继报导R-loop调节长非编码RNA表达并影响拟南芥开花（《科学》（Science）, 2013）和R环调控水稻根的向地性（《分子植物》（Molecular Plant）, 2017）之后的又一重要成果。ssDRIP-seq这种精准、高效、高通量R环检测技术的建立为随后的功能研究提供了重要手段，将成为全基因组R-loop分析的标准，并全面打开全基因组水平分析R-loop的分布及后续功能研究的大门。
孙前文课题组的徐炜博士为该论文第一作者，杨雪瑞课题组徐晖、孙前文课题组李宽等在测序数据分析方面做出了重要贡献，孙前文和杨雪瑞研究员为本文的共同通讯作者。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41477-017-0004-x
热能系刘树红课题组在空泡-颗粒相互作用研究中取得进展
8月25日，清华大学热能系2015级博士生吴晟基，在导师刘树红教授、左志钢助理研究员的指导下，与美国普林斯顿大学霍华德·斯通(Howard A. Stone)教授合作，在《物理评论快报》（Physical Review Letters）发表了题为《自由沉降球形颗粒在激光诱发空泡作用下的运动》（Motion of a Free-settling Spherical Particle Driven by a Laser-induced Bubble）的研究论文，首次系统研究了空泡-颗粒的相互作用，发现了颗粒高速喷射现象，并揭示了空泡-颗粒相互作用的流体动力学机理。吴晟基为论文第一作者，刘树红为通讯作者。
亚洲地区大部分河流含沙量高，此含沙水流经水力机械时，空化引起的空蚀和泥沙磨损是造成机组流动部件破坏的两个主要因素。空化是指液体中由于压力降低造成的汽泡剧烈生长和溃灭的物理过程，其对固体壁面的破坏简称空蚀；而河流中若含沙浓度高于0.4%时便会引起过流部件的泥沙磨损。工程实践表明，相比空蚀、泥沙磨损的单独作用，含沙水空蚀严重加剧了过流部件的破坏，大大降低了机组的安全性与使用寿命，而其可能的联合作用机制与空泡-颗粒相互作用的微观机理密切相关。目前相关研究还不充分，有待进一步的探索与发现。此外，空泡-颗粒相互作用的情形也广泛存在于如超声清洗，肾结石清除等多领域。
▲激光诱发单空泡与PMMA颗粒之间的四种相互作用。
吴晟基搭建了激光诱发单空泡与自由沉降单颗粒相互作用机理试验台，并在此基础上首次系统分析了自由沉降颗粒与空泡的相互作用。在试验中，该研究观测分析了空泡-颗粒相互作用下的气、液、固三相接触现象，并捕捉到了空泡诱发颗粒（颗粒粒径100微米~500微米）速度高达60m/s喷射现象。经分析，此高速喷射的颗粒足以对常见的钢制材料造成严重破坏，可能成为含沙水空蚀破坏加剧的潜在机理。在理论分析方面，借助热能系流体工程讲席教授团组平台，与美国普林斯顿大学霍华德·斯通教授合作，建立了颗粒-空泡相互作用物理模型，归纳了空泡-颗粒相互作用的影响因素，揭示了颗粒被喷射的最大速度的产生机理。
审稿人评价当前研究为“一个重要的新领域”。该研究成果对理解空泡-颗粒相互作用的物理本质，解释水力机械含沙水条件下空蚀破坏急剧恶化的微观机理具有重要价值。刘树红课题组主要致力于空化机理、空泡动力学、心脏泵及航天航空流体机械等研究。
论文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.084501
生命学院杨茂君研究组于线粒体呼吸链研究领域再次取得突破
8月24日，清华大学生命科学学院杨茂君研究组在《细胞》（Cell）杂志在线发表《人源线粒体呼吸链超超级复合物I2III2IV2的结构》（Architecture of Human Mitochondrial Respiratory Megacomplex 42 30886 42 13177 0 0 1482 0 0:00:20 0:00:08 0:00:12 2574I2III2IV2），解析了目前所知的人源呼吸链蛋白质最高级的组织形式——超超级复合物（MCI2III2IV2）的高分辨率三维结构及超级复合物（SCI1III2IV1）的原子分辨率结构。这是继2016年9月和12月，该研究组分别在《自然》（Nature）和《细胞》期刊发表长文，阐释猪源呼吸链超级复合物I1III2IV1（呼吸体）原子分辨率三维结 44 30886 44 13657 0 0 1460 0 0:00:21 0:00:09 0:00:12 2217之后的又一重大成果。
在此次发表的文章中，杨茂君研究组首次获得了来源于人类细胞的呼吸链蛋白复合物样品，并运用冷冻电镜三维重构的方法首次成功解析了比呼吸体更高聚集形式的呼吸链超超级复合物的三维结构，证明了线粒体呼吸链复合物存在更高级的组成形式，为此前一直处于各种猜想阶段的最高级线粒体呼吸链复合物组织形式的存在提供了直接证据，是该研究领域的一项重大突破。
▲人源呼吸链超超级复合物整体结构。
左图上，人源线粒体呼吸链超超级复合物I2III2IV2结构模型；左图下，线粒体膜间隙一侧，复合物III和IV中细胞色素c结合位点。右图上，线粒体呼吸链复合物完整聚合形式预测模型I2II2III2IV2；右图下，线粒体膜间隙一侧，细胞色素c参与电子传递时在复合物III和IV之间的运动路径。Megacomplex，超超级复合物；M线粒体基质；IM，线粒体内膜；IM，线粒体膜间隙；CI，复合物I；CII，复合物II；CIII，复合物III；CIV，复合物IV；Cyt.c，细胞色素c。
杨茂君研究组长期致力于线粒体呼吸链蛋白的结构与功能研究，此前曾于2012年在《自然》期刊报道了II-型线粒体呼吸链复合物I（NDH2）的结构，揭示了其调控及电子传递机制，为设计针对II-型线粒体呼吸链复合物INDH2为靶点的药物奠定了良好基础。2017年，杨茂君研究组连续报道了NDH2II-型线粒体呼吸链复合物的详细电子传递机制，同时开发了以疟原虫NDH2II-型线粒体呼吸链复合物为靶标的新型抗疟疾药物前体分子，为开发治疗疟疾的新药打下良好基础。经过多年努力，研究组于2016年攻克了哺乳动物线粒体呼吸链超级复合物的原子分辨率结构这一国际性难题。去年的研究发现，该复合物是由一个复合物I、两个复合物III和一个复合物IV构成，是包括44个膜蛋白在内的81个蛋白亚基（69种不同蛋白分子）所构成的超大分子机器。
上述系列研究揭示了复合物I各亚基之间细致的相互作用，鉴定出了各复合物蛋白亚基之间及复合物之间的结合方式，发现了磷脂分子在呼吸体结构中发挥的重要作用。值得一提的是，杨茂君教授依据结构信息提出了全新的线粒体呼吸链之间电子传递与质子转运的模型，这与目前研究界处于主流地位的Q-循环（Q-Cycle）假说完全不同。
在此次发表的论文中，研究组第一次直接证明了高于呼吸体的呼吸链超超级蛋白复合物的组织形式的存在，是国际研究界对线粒体呼吸链蛋白研究中内首次获得的人源蛋白质复合物结构。论文首次阐述了人源线粒体复合物I （3.4-3.7埃）、复合物III（3.4 埃）、复合物IV（5.2埃）、超级复合物I1III2IV1（3.9埃）和超超级复合物I2III2IV2（17.2埃）的结构。
另外，文章重点报道了呼吸链超超级复合物近乎中心对称的环形结构。有趣的是，在二聚的复合物III线粒体膜间隙一侧，观测到了两个处于结合状态的细胞色素c蛋白亚基，该结构细节有力证明了环形结构中心的两个复合物III的单体都是有活性的，否定了之前其他研究组提出的关于复合物III半失活理论。此结果进一步支持了杨茂君教授之前提出的电子传递模型。
此外，通过计算机模拟，研究组还首次将复合物II的结构嵌入呼吸链超级复合物的模型，由此可以推论在线粒体呼吸链中四个电子传递链蛋白将组合成一个更大的超超级复合物来更高效地发挥功能，从而将全部四个呼吸链复合物在结构水平上统一到了一起，并预测了呼吸链复合物全新的完整聚合形式，为之后的研究提供了新的思路。
人类线粒体呼吸链系统异常会导致如阿兹海默综合症、帕金森综合症、多发性硬化、少年脊髓型共济失调及肌萎缩性脊髓侧索硬化症等多种疾病。由于人源线粒体呼吸链蛋白复合物的纯化条件极为苛刻、难度系数大，所以针对这些蛋白的药物筛选一直都很难开展。杨茂君研究组建立的一系列蛋白纯化方法和技术为今后的药物研发奠定了良好基础，其结构的解析不仅阐明了这些蛋白的作用方式及反应机理，也为人类攻克线粒体呼吸链系统异常所导致的疾病提供了良好开端。
《细胞》期刊审稿人在评审意见中说: “这一由140个亚基构成的环形结构令人印象深刻，为线粒体呼吸链复合物的组成形式提供了前所未有的视点。”
清华大学生命科学学院博士生郭润域（2015级）、宗帅（2013级）、吴萌（2014级），结构生物学高精尖创新中心卓越学者谷金科（2017级博士后）为本论文的共同第一作者，杨茂君教授为此系列论文的通讯作者。
论文链接：
http://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(17)30887-5
微纳电子系任天令教授团队在石墨烯纸基压力传感器研究取得重要进展
8月11日，清华大学微纳电子系任天令教授团队在《美国化学学会·纳米》（ACS Nano）上发表了题为《用于动作探测的石墨烯纸基压力传感器》（“Graphene-Paper Pressure Sensor for Detecting Human Motions”）的研究论文，实现了石墨烯纸压力传感器灵敏度的进一步提升，此项成果对于柔性智能可穿戴传感器的发展具有重大意义。
柔性力学器件近些年来受到了学术界和产业界的广泛关注。相比传统硬质基底器件，柔性力学器件在不牺牲性能的基础上，大大提升了器件的可变形性，从而使其能够适应更为复杂的应用场景，尤其适合可穿戴应用。石墨烯材料自2004年被发现以来，被广泛应用于柔性力学器件中，这得益于其独特的电学、力学等特性，石墨烯力学器件具有很高的灵敏度。然而，现有石墨烯力学传感器面临诸多问题，存在制备工艺复杂、重复性与一致性较差、良品率低等缺点，距离实际应用仍有较大距离。
▲石墨烯纸基压力传感器结构示意图。该器件能够有效探测脉搏、呼吸等生理参数。
任天令教授团队创新性地提出了石墨烯纸基压力传感器的新方法，可通过热还原手段，将多层混合的氧化石墨烯溶液与纸材料转变为多层石墨烯纸。利用石墨烯纸层间的空气通道以及纸材料独特的微孔结构，使石墨烯纸在压力作用下，阻值发生显著变化，从而大幅度提高了对压力的探测灵敏度。通过选取适当的石墨烯纸类型和纸的层数，还可以进一步提升压力传感器的灵敏度。该器件在可穿戴应用方面可以实现脉搏、呼吸以及多种运动状态的精确检测。此外，这一新型石墨烯纸基器件还具有环保、低成本、高柔性等突出优点。
近年来，任天令教授致力于研究突破传统器件的局限性，为新一代微纳电子器件技术奠定基础，尤其关注石墨烯传感器的基础研究与应用探索，在新型石墨烯声学器件和各类传感器件方面获得了多项重要创新成果，如柔性石墨烯发声器件、智能石墨烯人工喉、新型石墨烯阻变存储器、光谱可调的石墨烯发光器件、石墨烯仿生突触器件、可调石墨烯应力传感器等，相关成果发表在《自然·通讯》（Nature Communications）、《先进材料》（Advanced Materials）、《纳米快讯》（Nano Letters）、《美国化学学会·纳米》（ACS Nano）等知名学术期刊上。
清华大学微纳电子系博士毕业生陶璐琪是文章第一作者，清华大学微纳电子系任天令教授和杨轶副教授是论文的通讯作者。
论文链接：
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.7b02826