撰稿 | 不语
编排 | 鱼儿自己
校对 | Later
编者按：【CNS大盘点】是一档BioNews旗下每周盘点中国学者在国际顶级期刊Cell、Nature和Science上刊发的重磅学术成果，每周更新，敬请各位读者关注！
本期【CNS大盘点】的主要内容有：
【1】Nature：上海药物所徐华强/蒋轶团队合作首次揭秘糖蛋白激素作用机制
【2】Nature：赵岩/石云/张凯课题组合作揭示谷氨酸受体GluK2的调控机制
【3】Nature：受风传播种子启发，清华张一慧团队携手众多知名单位研发仿生3D微型飞行器
【4】Science：重大原创性突破！中国科学家首次实现人工合成淀粉
【5】Science特刊，付巧妹团队发文：古DNA系统揭秘人类进化密码
以下是主要内容的详细报道：
Nature：上海药物所徐华强/蒋轶团队合作首次揭秘糖蛋白激素作用机制
激素是人体的化学信使，控制着各个器官的生理功能，而下丘脑和脑下垂体是内分泌激素的控制中心。传统内分泌系统由三大分支组成，即下丘脑-垂体-性腺轴（HPG）、下丘脑-垂体-甲状腺轴（HPT）和下丘脑-垂体-肾上腺轴（HPA）。其中，三种促性腺激素，包括促黄体生成素(luteinizing hormone，LH)，促卵泡激素（follicle-stimulating hormone，FSH）和绒毛膜促性腺激素（chorionic gonadotropin，CG）是糖蛋白激素，调控HPG轴的关键生理功能，包括人体的性别发育，精子发生和卵子成熟，以及促进第二性特征的发育及维持。另一类糖蛋白激素促甲状腺激素（thyroid-stimulating hormone，TSH）是HPT轴调节的关键糖蛋白激素，主要通过调控机体甲状腺素的水平从而调节人体代谢。这些激素均为临床重要的治疗药物，其中FSH和LH用于辅助生殖及体外受精，以及治疗女性不孕症和男性促性腺功能减退症等；CG用来诱导女性排卵，增加男性精子数量等。TSH与131I联合应用于甲状腺癌术后患者，抑制和消融残余癌组织等。尽管几十年来糖蛋白激素的临床应用取得了成功，年销售额达数十亿美元，但糖蛋白激素如何激活人体细胞中受体的机制仍然未知。
2021年9月22日，中国科学院上海药物研究所徐华强/蒋轶团队，联合浙江大学张岩团队，在Nature杂志上发表了最新研究成果Structures of full-length glycoprotein hormone receptor signaling complexes，首次解析了糖蛋白激素GPCR，即全长黄体生成素/绒毛膜促性腺激素受体（luteinizing hormone/choriogonadotropin receptor, LHCGR）处于失活状态和多种激活状态下的四个结构。
该工作揭示了绒毛膜促性腺激素（CG）识别LHCGR的分子机制，揭示了1期临床实验的小分子化合物Org43553与受体LHCGR相互作用细节模式；鉴定了糖蛋白激素选择性结合LHCGR和促卵泡激素（follicle-stimulating hormone，FSH）受体的关键氨基酸残基；提出了激素配体激活受体的“Push and Pull”模型。这些工作对理解糖蛋白激素识别和激活GPCR的机制，为临床开发替代激素治疗的小分子药物具有重要的理论和现实意义。
联合研究团队采用单颗粒冷冻电镜技术，首次解析了3个近原子分辨率的全长LHCGR处于激活状态下的结构，包括结合内源性激素CG的LHCGR（野生型）受体结构（4.3埃）、结合内源性激素CG的LHCGR（含持续性激活突变S277I）受体结构（3.8埃）以及结合内源性激素CG和小分子化合物Org43553的LHCGR（含持续性激活突变S277I）受体结构（3.2埃）。
该研究首次揭示了全长LHCGR的结构，以及CG与LHCGR相互作用的细节。研究人员通过大量尝试，克服了全长失活受体构象高度不稳定的技术难题，最终解析了失活状态下全长LHCGR的电镜结构，分辨率为3.8埃。通过对比激活LHCGR结构，研究人员发现受体的ECD发生了大约45度的偏转。通过进一步结构分析和功能试验验证，最终提出了LHCGR受体“Push and Pull”的受体激活模型。这也是第一个全长单独GPCR的电镜结构。
此外，研究人员还解析了处于1期临床试验中的小分子化合物Org43553与LHCGR相互作用的分子细节，揭示了Org43553的结合口袋，为临床开发针对LHCGR，FSHR和TSHR的选择性小分子药物替代激素治疗提供了重要的结构模板。
Nature：赵岩/石云/张凯课题组合作揭示谷氨酸受体GluK2的调控机制
神经递质是在突触传递中担任"信使"的特定化学物质，大脑中存在上百种神经递质，对维持机体的正常生理功能发挥着非常重要的作用。其中，谷氨酸是中枢神经系统中含量最高以及分布最广的兴奋性神经递质，在大脑的信息筛选、过滤、储存以及认知和学习等诸多方面发挥着不可替代的作用。离子型谷氨酸受体包括NMDA受体、AMPA受体和Kainate受体，它们是配体门控的离子通道，通过结合谷氨酸从而调控通道的开闭状态。Kainate受体作为三大离子型谷氨酸受体之一，不仅与学习、记忆以及感觉信号转导等过程相联系，也与许多神经性系统疾病的产生相关。与AMPA受体和NMDA受体不同，Kainate受体在突触前和突触后膜均存在，在控制神经递质释放和神经递质信号传导中都发挥着重要作用。在大脑中，Kainate受体的突触定位以及通道性质受到NETO家族蛋白的严格调控，但是该调控的分子机制并不清楚。
2021年9月22日，中国科学院生物物理研究所赵岩课题组和张凯课题组，以及南京大学模式动物研究所的石云课题组在Nature期刊合作发表标题为Kainate receptor modulation by NETO2的文章，首次解析了GluK2-NETO2复合物抑制剂结合的关闭状态以及激动剂结合的脱敏状态结构，并结合电生理功能实验验证，清晰地揭示了NETO2调控Kainate受体脱敏和整流过程的分子机制。
Kainate受体GluK2形成四聚体的通道结构，包括氨基末端结构域（ATD）、配体结合结构域（LBD）和跨膜结构域（TMD）。复合物结构显示NETO2以化学计量比1:4或2:4结合在GluK2四聚体的一侧或者两侧。辅助亚基NETO2具有可溶的CUB1、CUB2、 LDLa结构域以及一个跨膜螺旋TM1，分别与受体的ATD、LBD和TMD相互作用。电生理实验表明，任意一处相互作用位置的突变都会影响NETO2调控受体的活性。尤其是破坏ATD-CUB1的相互作用，NETO2将彻底失去调控受体活性的功能，这对于理解AMPA受体和Kainate受体中ATD结构域的功能提供了新的线索。
此外，谷氨酸受体还具有不同程度的内向整流特性。谷氨酸受体的整流特性主要由细胞内的多胺介导。当膜电位为正时，带正电的多胺从细胞阻塞通道，从而降低通道的离子通透性。在本文中解析的GluK2-Neto2复合物胞内侧，研究人员观察到了一个全新的胞内结构域（ICD）, NETO2跨膜螺旋稳定了GluK2的ICD，该结构域阻碍多胺靠近通道，从而减弱了通道的整流效应。电生理实验表明AMPA受体与Kainate受体的内向整流效应都受到相似结构域的调控。
Nature：受风传播种子启发，清华张一慧团队携手众多知名单位研发仿生3D微型飞行器
植物有各种不同的被动策略来传播种子。其中，风力是最强大、适用范围最广的一种传播载体。许多植物种子的形状有助于它们通过风有效传播，常见的有蒲公英、风信子、杨柳树等。受这些种子的启发，科学家们已经构建了一系列飞行器，应用领域可从环境监测到无线通信。
受风传播种子启发，2021年9月22号，美国西北大学JohnA·Rogers院士、黄永刚院士和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校Leonardo P. Chamorro教授和清华大学张一慧教授带领的国际合作在Nature上在线发表了题为Three-dimensional electronic microfliers inspired by wind-dispersed seeds的研究论文，该研究报道了一种3D飞行器其灵感来自风散植物种子的被动直升机式风传播机制。
研究所采用的工艺可以快速并行制造大量飞行器同时可以使用标准绝缘体上硅技术集成简单的电子电路。该工作通过调整设计参数，如直径、孔隙率和机翼类型等，可以在设备和周围空气之间产生有益的相互作用。这种相互作用通过诱导旋转运动降低了飞行器的终端速度，增加了空气阻力并提高了稳定性。当与复杂的集成电路结合时，这些设备可以形成动态传感器网络，用于环境监测、无线通信基站或各种其他基于互联网/物联网的技术。
Science：重大原创性突破！中国科学家首次实现人工合成淀粉
粮食安全是国家安全的重要基础，我国一直积极推进农业生物技术进步，从遗传杂交育种到分子设计育种，从转基因新品种培育到基因编辑技术育种，我们一直在追赶着国际科技前沿。
有没有可能“换道超车”？其实人工合成淀粉的想法由来已久，即使是替代一部分粮食淀粉作为工业原料、甚至饲料，也是对缓解农业压力的巨大贡献。
合成生物学被认为是影响未来的颠覆性技术。模拟自然作物光合作用，重新设计生命合成代谢过程，设计人工生物系统,不依赖植物种植进行淀粉制造，潜藏着惊人的变革前景。的确这条路线存在很多的不确定性，科学问题复杂，技术路线不清、瓶颈问题难测，但是，科学研究就需要大胆地实践、勇闯无人区。
近期，中国科学院天津工业生物技术研究所在淀粉的人工合成方面取得重大突破性进展，国际上首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成，相关工作于2021年9月24日发表于国际顶尖杂志Science上。
为了实现淀粉的人工合成，中科院研究团队通过从头设计反应链，仅用11步，在实验室中首次实现了从二氧化碳到淀粉分子的全合成。这一人工途径的淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍。理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于5亩土地玉米种植的淀粉年平均产量。经过进一步优化，未来的效率还将进一步提升。
如果未来该系统过程成本能够降低到与农业种植相比具有经济可行性，将有可能节约90%以上的耕地和淡水资源，避免农药、化肥等对环境的负面影响，提高人类粮食安全水平，促进碳中和的生物经济发展，推动形成可持续的生物基社会。
Science特刊，付巧妹团队发文：古DNA系统揭秘人类进化密码
1990年，人类基因组计划启动，2001年，长达30亿碱基对的人类基因组草图绘制完成。这不仅是人类历史上的一项壮举，也是分子生物学领域的一个巨大里程碑。
今年是人类全基因组草图发表20周年。值此之际，Science杂志邀请国际上与其相关领域前沿团队撰写在人类基因组计划出现后的重要进展，其中中科院古脊椎所付巧妹研究员受邀领衔关于古DNA领域的发展以及前沿研究综述。这篇名为Insights into human history from the first decade of ancient human genomics的综述系统梳理了过去十余年来古人类基因组学研究的发展，于北京时间2021年9月24日在Science特刊-《人类基因组发布20周年》上发表。
二十世纪八十年代，通过获取的一些小的古DNA片段，分子古生物学家对古DNA有了一些初步的认识。二十一世纪初期，受益于人类全基因组的发表和高通量测序技术的发展，古DNA领域开始蓬勃发展。2010年，以人类全基因组为参考序列，分子古生物学家发表了三个古人类的基因组草图：一个尼安德特人、一个丹尼索瓦人，以及一个古爱斯基摩人。至此，古基因组研究新纪元正式开启。
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