科学家在H6N1亚型禽流感病毒感染人的分子机制上取得新突破

<正>继近两年先后在H5N1,H7N9和H10N8亚型禽流感病毒跨种间传播机制研究上取得重大进展后[1~5],中国科学院微生物研究所高福院士领导的研究团队在H6N1亚型禽流感病毒感染人的分子机制上取得新的突破,该研究于2015年5月4日以"Adaptation of avian influenza A(H6N1)virus from avian to human receptor-binding preference"为题在线发表在杂志EMBO J上[3].2013年6月,在台湾发现了全球首例人类感染H6N1亚型禽流感病例.从患者体内所分离的病毒基因序列显示,此病毒为一典型的低致病性禽流感病毒,与台湾本土家禽中的H6N1病毒株非常接近,其跨物种传播的分子机制成为世界科学家所关注的焦点.1972年以来,H6N1亚型禽流     

利用分子梳技术研究金属离子对DNA与组蛋白结合的影响

利用分子梳技术研究了一价(Na⁺, K⁺)、二价(Mg²⁺, Ca²⁺, Mn²⁺)金属离子对DNA与组蛋白结合的影响. 我们将λ-DNA分子、λ-DNA-组蛋白复合体在疏水表面上进行了拉伸, 用荧光显微镜直接观察加入金属离子后分子梳的变化. 结果表明: Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Mn²⁺导致DNA分子上的荧光有不同程度的衰减; Na⁺, K⁺在一定程度上抑制DNA与组蛋白的结合; Mg²⁺, Ca²⁺, Mn²⁺增强DNA与组蛋白的结合, 并能明显增加DNA与疏水表面的吸附; Mn²⁺容易导致DNA-组蛋白复合体聚集.     

H5N1亚型禽流感病毒血凝素裂解位点碱性氨基酸对应mRNA核苷酸的二级结构分析

以H5N1亚型禽流感病毒(avian influenza viruses, AIV)毒株血凝素(hemagglutinin, HA)蛋白裂解位点碱性氨基酸为研究对象, 研究其密码子的偏好性及对应mRNA序列折叠二级结构的特点. 将mRNA样本按照序列等步长递增的方法, 用RNAstructure 4.1程序预测这些样本的动态延伸折叠二级结构. 结果表明, 裂解位点的碱性氨基酸对富含腺嘌呤(A)的密码子有强烈偏好; 与碱性氨基酸对应的mRNA片段上的核苷酸主要位于折叠二级结构的单链环区, 极少数位于配对螺旋区. 此外, 本研究还从理论上提出了防治H5N1亚型AIV感染的对策, 考虑以位于环区的mRNA核苷酸, 运用RNAi的方法阻止H5N1亚型AIV的HA的表达.     

H5N1血凝素蛋白切割位点的序列研究

血凝素(hemagglutinin, HA)能否被切割成HA1和HA2是决定禽流感病毒高致病性的重要因素. 分析切割位点的序列, 研究其进化规律可以让我们更深入地了解H5N1的高致病性. 本研究先通过元胞自动机的方法将HA的基因序列转化为图形, 并在图上找到了一段H5N1亚型仅有的特征基因片段. 这个特征基因片段包含30个碱基, 主要由A和G组成, 其对应的氨基酸主要是带正电荷的碱性氨基酸. 这个特征氨基酸片段正好处于HA的酶切位点上. 通过3D结构的同源模拟, 发现H5N1 HA蛋白的切割位点较为暴露, 非常有利于各种酶对其进行剪切. 本研究还构建了切割位点的分子表面, 以进一步分析可能的氨基酸突变将如何影响表面的电荷分布. 结果表明, 某些突变较大地改变了电荷的表面分布, 可能使病毒失去高致病性. H5N1特征氨基酸片段突变情况的统计表明, 在时间上, 2005年突变案例的比例比前几年上升了许多; 而在地域上, 中国大陆的突变病毒案例占了绝大比例. 这些结果都有助于我们研究病毒高致病力的进化情况.     

20世纪80年代华中地区H7N8禽流感病毒的分子特征

对1985年从湖北家禽分离的禽流感毒株A/duck/Hubei/216/1985/H7N8进行了分子特征和致病性研究. A/duck/Hubei/216/1985/H7N8的HA蛋白在HA1和HA2连接处, 含有连续多碱性氨基酸(-PEIPKGRG-), 为低致病性分子特征, 而且其M, NP, NS, PA和PB2基因的宿主相关氨基酸位点与H5N1病毒相似. 进化分析结果显示, A/duck/Hubei/216/1985/H7N8的M, NS和PB2基因与Gs/Guangdong/1996/H5N1亲缘关系较为紧密, 表明20世纪80年代中期高致病性Gs/Guangdong/ 1996/H5N1毒株的部分内部基因在华中地区流行. 动物感染实验结果显示, A/duck/Hubei/216/ 1985/H7N8对鸡和小鼠为低致病性, 与HA基因的分子特征相一致.     

N2和H+在固氮酶活性中心金属原子簇中还原位点的分析

目前研究表明, 固氮酶的生理底物氮气(N₂)和质子(H⁺)在钼铁蛋白中的铁钼辅因子(FeMo-co)上被还原, 但其确切的还原位点尚未确定. 对比分析了棕色固氮菌(Azotobacter vinelandii, Av)野生型(WT)与5种突变株(包括FeMo-co附近2个保守氨基酸α-191^Gln和α-195^His单突变菌株(Qα191K和Hα195Q)、FeMo-co上钼原子相连的高柠檬酸突变株(nifV^&#8722;)以及α-191^Gln和α-195^His与高柠檬酸的双突变菌株(Qa191K/nifV ^&#8722; 和Hα195Q/nifV^&#8722;))固氮酶催化还原N₂和H⁺活性的变化, 结果表明, N2在靠近FeMo-co中心硫原子(S2B)的Fe2和Fe6上络合和还原, FeMo-co上的钼原子是H+还原的位点. 结合生物信息学分析结果显示, [8Fe7S]和FeMo-co之间可能存在两条平行的电子传递通路.     

利用荧光偏振研究二价金属离子对DNA与组蛋白结合的影响

利用荧光偏振实验我们研究了二价金属离子(Mn²⁺, Mg²⁺和Ca²⁺)对DNA与组蛋白结合的影响. 测量了二价金属离子(Mn²⁺, Mg²⁺和Ca²⁺)存在时, DNA和DNA-组蛋白的荧光偏振度. 结果表明, 组蛋白明显降低DNA分子的荧光偏振度; 二价金属离子显著增加DNA分子的荧光偏振度. 与DNA和组蛋白单独培育时相比较, 当二价金属离子、组蛋白、DNA共同培育时, DNA可与更多的组蛋白结合. Mn2+比其他二价离子(Mg²⁺和Ca²⁺)更容易使DNA-组蛋白复合体发生凝聚现象.     

微囊藻毒素产生过程中氮素作用的同位素示踪研究

水华毒藻和藻毒素污染是目前水体富营养化治理与控制中的重要水质问题. 为了探索氮素对藻毒素产生过程的影响, 利用¹⁵N同位素示踪技术研究了无机氮在微囊藻毒素(Microcystins, MCs)生物合成过程中的作用. 纯种铜绿微囊藻室内同位素示踪培养实验和MCs分析结果发现, ¹⁵NO^-₃标记组可有1~3个¹⁵N原子引入LR型微囊藻毒素分子(Microcystin-LR, MCLR), 其中引入2个15N的概率最大; 15NH4+标记组可有2~4个¹⁵N原子引入MCLR分子, 引入3个¹⁵N的概率最大; 且来自NH4+态氮的15N比来自NO₃^-态氮的15N在MCLR分子中有更多的结合位点. 这说明, NH₄⁺态氮和NO₃^-态氮对MCLR的生物合成都具有重要的、直接的贡献, 但NH₄⁺态氮的存在更有利于微囊藻产生MCLR. 因此, 在富营养化水体藻毒素污染预防和富营养化控制中, 不能单独强调磷素的突出作用, 氮素控制特别是氨氮控制应引起足够重视.     

稀土离子对体外兔成熟破骨细胞骨吸收功能的影响

用在骨片上培养日本大耳白兔破骨细胞评价破骨细胞性骨吸收功能的方法研究了不同稀土离子(Ln³⁺)的影响, 为定量评价破骨细胞活性, 用显微摄影结合计算机图像分析测定骨吸收造成的陷窝数目及表面积, 并用原子吸收分光光度法测定溶出的钙. 另外用扫描电子显微镜观察吸收陷窝的形态. 结果表明浓度为1.00×10^-5, 1.00×10^-6和1.00×10^-7 mol/L的La³⁺, Sm³⁺和Er³⁺及1.00×10^-5和1.00×10^-6 mol/L的Nd³⁺, Gd³⁺和Dy³⁺均能抑制破骨细胞活性(P<0.01), 而且骨吸收陷窝数目及表面积呈对Ln³⁺浓度依赖性的减少. 但是, 当浓度降低到La³⁺, Sm³⁺和Er³⁺为1.00×10^-8 mol/L和Nd³⁺, Gd³⁺和Dy³⁺为1.00×10^-7 mol/L时, 陷窝数及表面积转而增多, 表现为提高破骨细胞的骨吸收功能(P<0.01). 当Nd³⁺, Gd³⁺和Dy³⁺的浓度进一步降低为1.00×10^-8 mol/L时, 对该功能无显著影响(P>0.05). 所得结果提示稀土离子Ln³⁺对体外破骨细胞性骨吸收的影响呈依赖浓度的两面性, 也与稀土物种有关.     

稀土离子在CdSiO3基质中的多光色长余辉发光

利用高温固相法合成了系列稀土离子掺杂的CdSiO₃: RE³⁺ (RE = Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu)多光色长余辉磷光体. XRD分析结果表明在1050℃下烧结3小时的产物为单相. 稀土掺杂CdSiO₃磷光体具有良好的发光性能. 引入Y³⁺, La³⁺, Gd³⁺, Lu³⁺以及Ce³⁺, Nd³⁺, Ho³⁺, Er³⁺, Tm³⁺, Yb³⁺可获得一个最大发射中心位于420 nm附近的缺陷发光宽带, 引入Pr³⁺, Sm³⁺, Eu³⁺, Tb³⁺, Dy³⁺时, 除了产生约420 nm的蓝紫色缺陷发光外同时产生很强的稀土离子特征发光, 这两种发光混合导致不同的余辉颜色.     

A型禽流感病毒的分子模式

A型禽流感病毒能跨越宿主屏障, 引起人死亡. 高致病性禽流感H5N1亚型病毒就是一个特例. 跨宿主传播的分子机理目前仍不清楚. 将不同亚型的237株流感病毒的内部蛋白序列转化为伪信号, 采用小波包分解的方法提取能量特征. 依据每株病毒的能量特征值, 进行层次聚类. 聚类结果显示, 5种分子模式存在A型禽流感病毒中, 并与跨宿主传播的表型相关联. 分析结果同时显示, 模式为C和E的病毒可以跨越宿主屏障, 而模式为A, B和D的病毒缺乏此种能力. 结果表明, 可以用来构建一个早期预警系统, 用来预测A型禽流感跨越宿主传播的可能性.     

甲型H1N1流感病毒流行株基因组进化分析

2009年4月, 北美地区出现甲型H1N1流感疫情, 并且疫情快速扩散至欧亚非三大洲, 风险等级上升至5级. 截止至5月13日, 甲型H1N1流感病毒已扩散至33个国家和地区, 实验室确认病例5728例, 死亡61人. 从NCBI的IRV和GISAID的EpiFluDB数据库下载甲型H1N1流感病毒序列425条, 进行序列比对与进化分析. 分析结果显示: (ⅰ) 当前流行的甲型H1N1流感病毒是一个三重排A型流感病毒: HA, NA, MP, NP和NS来源于猪流感病毒; PB2和PA来源于禽流感病毒; PB1来源于人流感病毒. (ⅱ) 猪流感病毒的来源可细分为: HA, NP和NS来源于H1N1亚型经典猪流感毒株; NA和MP来源于H1N1亚型禽源猪流感毒株. (ⅲ) 甲型H1N1流感病毒在流行扩散过程中没有显著变异, 同时病毒基因组没有发生重排. 本文除了分析美国代表毒株A/California/04/2009(H1N1)外, 还以墨西哥代表毒株A/Mexico/4486/2009(H1N1)为主进行了同源性和进化分析, 地理范围相对较大, 分析结果更具科学性.     

DNA电子结构和磁性研究

用自旋极化的MS-Xa方法研究了DNA碱基中折叠构型的六环N2C4原子簇的电子态密度、自旋能级劈裂及原子磁矩. 研究发现, 在系统的基态(-7.01635´10³ eV)附近, 至少还存在着4个亚稳态: -7.01626´10³, -7.01616´10³, -7.01606´10³和-7.01597´10³ eV. 它们的电子结构不尽相同, 呈现出不同的物理性质. 结果表明, 该原子簇在基态时呈现出具有弱反铁磁性的金属性质, 而在第一亚稳态时, 该原子簇呈现出具有亚铁磁性的半金属性质. 在费米面附近, 折叠构型的六环N₂C₄原子簇的电子态密度分布与某些磁性半导体的电子态密度分布非常相似.     

地球内部生成3H的证据

对土耳其Van湖和Nemrut湖的氚和氦同位素含量垂直分布进行了新的研究, 实验数据取自Kipfer等人的工作. 当时测量Van湖和Nemrut湖的³He, ⁴He和³H主要目的是研究Van湖水的长期的垂直方向混合和深层水的更新. Van湖和Nemrut湖都是火山湖, Nemrut湖处于Van湖西部边界附近. 从Van湖和Nemrut湖底部输入湖中的³He和⁴He都是来自于地幔. 我们从Nemrut湖和Van湖的³H数据发现, Nemrut湖的³H垂直分布呈现“反常”, 湖底部的³H含量比表面的高约10%, 高出部分(约(3.7±1.2) TU)是从湖底部输入的. 对这部分剩余³H的来源进行了研究, 排除了它的常规来源, 例如早期核爆沉积物和已知的核反应. 基于剩余³H与³He和热流相关性, 推论出剩余³H与³He同是来源于地幔源, 可能来自地球深处富集水(氢)的高温和高压环境下产生的核聚变. 此外, 对相关数据资料进行了研究, 并发现德国火山口形成的Laacher湖底部存在来自地幔源的³He和³H. 探测地球内部的氚是研究地球内部是否存在核聚变的关键证据. 我们提供的地球内部生成氚的结果是正面的, 这将有助于促进对“天然核聚变”物理机制的研究.     

新型开放式结构复合磷酸草酸铟的水热合成及表征

以有机胺(乙二胺, 1,3-丙二胺)以及碱金属离子Na⁺做结构导向剂(SDA), 在水热条件下合成了3种新型开放式结构的复合磷酸草酸铟(Ⅰ~Ⅲ), 并进行了结构及性质表征. X射线单晶结构解析表明它们的分子式分别为Ⅰ, Na[InPO₄(C₂O₄)_0.5]·H₂O. Ⅱ, [C₂N₂H₁₀]_0.5[InPO₄(C₂O₄)_0.5]. Ⅲ, [C₃N₂H₁₂]_0.5[In₂(PO₄)(HPO₄)(C₂O₄)]·H₂O. Ⅰ~Ⅲ合成中所用的结构导向剂均位于孔道中. Ⅰ在Na⁺为导向剂条件下合成得到, 它的结构是由InO₆八面体与PO₄四面体共用顶点连接成四元环磷酸铟层, 层与层之间由草酸基团C₂O₄^2-连接. 这一结构在a, b方向都具有八元环孔道, 为三维交叉孔道结构. Ⅱ的结构与Ⅰ类似, 不同的是, 它的客体分子是质子化的乙二胺而非Na⁺. Ⅲ中, InO₆和PO₄的连接形成双六元环二级结构单元(SBU), 这些二级结构单元之间通过草酸根连接, 在c方向产生了环形十六元环直孔道. 这三种磷酸草酸铟晶体数据如下: Ⅰ, 三斜, 空间群: P-1 (No. 2), a = 5.5662(17) Å, b = 6.454(2) Å, c = 8.966(3) Å, α = 102.609(4)°, β = 107.319(3)°, γ = 94.426(4)°, V = 296.56(16) Å3, Z = 2, M = 294.81, ρcalcu = 3.301 g/cm³, R1 = 0.0275, wR2 = 0.0731. Ⅱ, 三斜, 空间群: P-1 (No. 2), a = 5.653(4) Å, b = 6.627(4) Å, c = 9.391(8) Å, α = 70.788(8)°, β = 75.836(12)°, γ = 89.681(9)°, V = 321.1(4) Å3, Z = 2, M = 283.85, ρ_calcu = 2.936 g/cm^{3, R1= 0.0664, wR2 = 0.1572. Ⅲ, 正交, 空间群: Pccm (No. 49), a = 10.350(2) Å, b = 12.190(2) Å, c = 13.000(3) Å, V = 1640.2(6) Å3, Z = 4, M =272.32, ρ_calcu = 2.206 g/cm3, R1 = 0.0691, wR2 = 0.1831.}     

十二烷基(6)聚氧乙烯醚分子泡沫双层的X射线反射

采用X射线反射法(X-ray reflectometry)测定了十二烷基(6)聚氧乙烯醚(C₁₂E₆)分子所形成的自由站立式(free-standing)泡沫双层的结构参数. 结果表明: 此双层膜中的疏水碳氢链区、极性头区和表面活性剂分子单层之间3个区域的厚度分别为0.90, 1.35和1.31 nm; 电子密度分别为2.4×10^-3, 2.6×10^-3和2.3×10^-3电子数/nm³; 区域之间的界面粗糙度为0.34 nm. 泡沫双层中两极性头区之间不含自由水, 而且其厚度在红外光线的照射下可变薄0.40 nm; 这可能是由于结构水被破坏所致.     

C2H2, C2H4和C2H6在强激光场中的场致电离

运用HOMO场致电离模型, 分别计算了C₂H₂, C₂H₄和C₂H₆分子在不同强度激光场中的隧道电离几率, 得到了3种分子发生场致电离的理论计算电离阈值. 利用飞行时间质谱, 进行了C₂H₂, C₂H₄和C₂H₆分子在脉宽为100 fs, 波长为800 nm, 激光功率密度为10¹³~10¹⁴~ W/cm²的激光脉冲下的电离实验, 得到了3种分子在强场发生电离的实验电离阈值. 实验结果与计算结果符合得较好, 说明HOMO场致电离模型可以较好地模拟多原子分子在强激光场中的电离行为.     

水稻金属硫蛋白基因家族成员对铅胁迫的应答及其在铅敏感酵母中的功能互补

金属硫蛋白(metallothionein, MT)是一类低分子量、富含半胱氨酸(Cys)、具有金属结合能力的蛋白质. 采用Northern杂交分析了水稻幼苗中重金属铅离子对10个水稻MT基因表达的影响. 结果显示, 在根中, 除了OsMT-Ⅰ-3b不表达外, 其他9个基因的表达均不同程度地受到Pb²⁺的影响, 其中OsMT-Ⅰ-1a, OsMT-Ⅰ-1b, OsMT-Ⅰ-2c, OsMT-Ⅰ-4a, OsMT-Ⅰ-4b和OsMT-Ⅰ-4c的表达大幅度增加, OsMT-Ⅰ- 2a和OsMT-Ⅰ-3a的表达有所增加, 而OsMT-Ⅰ-2b的表达则受到了抑制. 相比之下, 地上部分Pb²⁺只对其中的6个基因的表达有一定的诱导效应, 对OsMT-Ⅰ-1a, OsMT-Ⅰ-1b, OsMT-Ⅰ-4a及OsMT-Ⅰ-4b的表达没有明显作用. 分别把这10个基因在Pb²⁺敏感的酵母突变体中异源表达, 结果表明, 表达OsMT-Ⅰ基因的酵母细胞都在一定程度上提高了对Pb²⁺的耐受性. 上述结果揭示了Pb²⁺影响OsMT基因家族各成员在水稻幼苗中表达的特征, 以及OsMT-Ⅰs可以增强酵母突变体铅耐受性的描述, 同时也为进一步研究水稻MT基因家族应答Pb²⁺的分子机制奠定了基础.     

自组装形成的稀土金属配位聚合物[Na(THF)2(μ2-η5Cp)(η5, η5, η1-Cp3Yb)(THF)]n的合成及结构

Cp₂Yb·2THF(Cp = 环戊二烯基)与环戊二烯基钠(CpNa)在四氢呋喃(THF)中按1︰1的摩尔比于40℃下反应2 h, 原位形成的阴离子型二价茂镱配合物再与新蒸的环戊二烯(Cp-H)按1︰2.5的摩尔比于40℃下继续反应48 h, 经分离得到了阴离子型的三价镱配合物[NaYbCp₄(THF)₃] (1). 晶体结构测定表明配合物1具有聚合物主链的结构, 即通过桥联Cp基团以η⁵, η⁵, 方式将Cp₃Yb·THF与Na(THF)₂二个结构单元联结在一起, 进而在分子间形成一维无限的聚合物链结构.     

C60 · 2CHBr3的制备和振动谱

用溶液法制备出C₆₀ · 2CHBr₃多晶粉末. 用Raman散射光谱和红外吸收光谱对C₆₀ · 2CHBr₃振动谱进行了研究. Raman散射光谱观察到C₆₀分子A_g振动模式的红移(4~5 cm^-1), H_g(1)模式基本不变. 对模式红移的进一步分析表明C₆₀分子可能从H原子上获得少量电子. 在红外吸收谱中, C₆₀分子F_1u振动模式的峰位在CHBr₃掺杂前后没有变化. 但CHBr₃的红外吸收谱线发生了显著变化. C-Br键伸缩振动红移约4 cm^-1, C-H扭曲振动的红外吸收明显减弱, C-H伸缩振动完全消失. 这些结果表明CHBr₃与C₆₀分子间存在不可忽略的相互作用, 并且最强的作用发生在H原子与C₆₀分子之间. 这些作用的存在除了引起本文所报道的振动谱的变化外, 还将引起电子态的变化. 从而可为阐明C₆₀ · 2CHBr₃在场效应下的117 K超导转变机理提供重要的线索.