中国复合材料

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玻璃钢/复合材料

	2024年 36卷 2期
	刊出日期 2024-04-25

	特约专稿专题综述科学创造未来

特约专稿

	83	周鑫嘉, 马琳, 武振伟, 汪卫华
		固体中的缺陷：从位错到拓扑涡旋
		文章导读:在晶体材料中，原子不是随机排列的，而是形成周期性的有序结构，这种平移及旋转对称的特点，被称为长程有序性。长程有序是晶体材料的关键特征，影响晶体诸如机械刚性、声音和热的传播等多种物理学性质。但晶体并非完美无瑕，经常可以发现其中不遵守规则并破坏排列秩序的原子。在物理学中，我们将这样的原子称之为“缺陷”，它们能够调制固体的流动和变形，对晶体的性质产生明显影响。根据其延展程度，缺陷可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。缺陷是晶体中承载塑性事件的单元，可导致弹性响应的破坏，在预测机械失效和塑性的开始中起着基本的作用。也就是说，它对于将结构与动力学联系起来，以预测某种材料何时何地发生断裂至关重要。
		固体如何形变流动，是固体物理和材料科学所长期关注的重要问题。谚语讲“上帝眼中，万物皆流”，其本质讲明了固体材料并不完美，其中存在的缺陷主导了固体材料的长时间尺度流变行为。在最近的一项研究工作中，研究者将拓扑学理论与前沿模拟方法相结合，最终证实了玻璃中拓扑缺陷的存在及其对玻璃塑性的关键作用。相关工作在非晶物质科学领域内首次展示了经典本征振动模式几何是如何影响非晶材料塑性行为的。
		2024 Vol. 36 (2): 83-87 [摘要] ( 31 ) [HTML 1KB] [ PDF 25677KB] ( 49 )

	88	康禹
		“端粒到端粒”人类参考基因组：精准医学时代的新起点 ^Hot!
		文章导读:2023年，随着人类基因组最后一块拼图——Y染色体实现T2T(telomere-to-telomere，端粒到端粒；染色体的末端为端粒，故T2T意为“连续且完整”)拼接，人类终于有了自身单倍体基因组(包括22条常染色体和X、Y性染色体)的准确完整序列——T2T-CHM13v2.0，成为人类科学史上的里程碑。同年，中国浙江大学团队和我们北京大学–中国科学院团队也相继发表了中国人二倍体基因组CN1和T2T-YAO(唐尧)。人类基因组学眨眼间就登上了T2T时代的舞台。
		DNA测序技术的飞速发展使人类基因组学研究迈进“端粒到端粒(T2T)时代”。这个时代的核心标志是实现每一个人类染色体分子——从端粒到端粒——高质量、高完整度的连续线性组装，成为精准医学质量控制的金标准，从而准确和稳定地识别个体变异信息。越来越多个体基因组的完整组装为我们揭示远高于预期的人类基因组差异，也为各人群采用自己的近缘参考基因组进行变异分析提供了关键的理论依据。近缘参考基因组可以更准确地识别和定位个体的基因变异，而准确的变异数据是精准医学中变异与表型关联研究的关键数据基础。这种以人群为单位的基因组分析和研究新范式，必将显著影响国际和国内未来精准医学发展的格局。
		2024 Vol. 36 (2): 88-94 [摘要] ( 28 ) [HTML 1KB] [ PDF 1752KB] ( 37 )

专题综述

	95	张晶, 王程远
		细菌转录翻译偶联机制研究
		文章导读:1970年，Miller等人通过电子显微镜，首次观察到大肠杆菌(Escherichia coli)中，同一信使RNA(message RNA, mRNA)链上存在的RNA 聚合酶(RNA polymerase, RNAP)以及跟随其后的一连串核糖体(ribosome)。研究人员将与RNA聚合酶最接近的核糖体命名为前导核糖体 (leading ribosome)，并发现在体内不同环境条件下，RNA聚合酶合成信使RNA的速度与前导核糖体翻译速度始终保持一致，于是将这种现象命名为转录翻译偶联(transcription-translation coupling)。后续研究进一步发现，这种特殊的转录翻译偶联具有重要的生物学意义：核糖体通过偶联作用推动在基因组上暂停(paused)或停止(arrested)的RNA聚合酶重新启动转录，使同在基因组上的复制过程不受RNA聚合酶的干扰，保证复制正常进行，维持基因组稳定性；核糖体和RNA聚合酶的转录翻译偶联，能阻止Rho因子识别rut序列，抑制Rho依赖型转录终止过程，防止转录过早终止(premature transcriptional termination)；转录翻译偶联还能保护转录产物mRNA不被内切核酸酶(RNase E)切割降解，提高蛋白表达效率。从细菌到古菌，转录翻译偶联机制有效地同时调控转录过程和翻译过程，使细菌和古菌能更快速响应外部环境变化，是决定其适应环境的关键机制。
		中心法则描述了遗传信息从DNA到RNA再到蛋白质的传递过程。转录过程是RNA聚合酶以DNA为模板合成信使RNA的过程，翻译过程是核糖体利用信使RNA合成蛋白质的过程。与真核生物不同，细菌和古菌没有细胞核膜的分隔，其转录过程和翻译过程在相同时间、相同位置上进行。其中，RNA聚合酶与核糖体相互协同，同步完成转录和翻译的现象被称为转录翻译偶联。转录翻译偶联是细菌和古菌的一种重要基因调控机制，能同时有效地调控转录过程和翻译过程，是细菌适应复杂环境的重要生物学基础。数十年来，大量的研究逐步揭示了细菌转录翻译偶联机制在细菌基因表达调控中的作用，一系列参与转录翻译偶联过程的调控因子也被鉴定发现。近期，基于不同偶联状态的转录翻译偶联复合体结构的突破性研究，首次系统地展示了在不同信使RNA间距下，转录翻译偶联过程的动态变化，为后续研究转录翻译偶联基因调控机制提供了理论基础。
		2024 Vol. 36 (2): 95-104 [摘要] ( 21 ) [HTML 1KB] [ PDF 5065KB] ( 48 )

	105	许笑晨, 任艾明
		辅酶类核开关的种类、结构和调控机制研究进展
		文章导读:研究表明，在人类基因组中，大约有90%的基因可以被转录成RNA，但是只有不到2%的基因最终被翻译成蛋白质。这些不参与编码蛋白质的RNA被称为“非编码RNA”(non-coding RNAs)。越来越多的研究发现，非编码RNA种类繁多，具有丰富的生物学功能，可以参与调控细胞周期、细胞分化、表观遗传以及基因表达等各种生命活动。核开关(riboswitch)是一类可以通过特异性地识别小分子配体来调控基因表达的非编码RNA，主要位于细菌mRNA的5´末端。这类RNA元件最早由耶鲁大学的Ronald Breaker教授课题组报道发现，他们于2002年鉴定了三类可以特异性识别不同辅酶因子的RNA片段，并且发现这些RNA片段可以参与调控相关辅酶的代谢通路，因此将其命名为“riboswitch”，即核开关。随后20多年，对核开关RNA分子的深入研究与系统探讨逐渐拓展了人们对核开关的结构与功能的认知和理解。
		核开关是一类保守的RNA元件，可以通过特异性识别小分子配体来开启或关闭下游相关基因的表达，进而调控细胞的生命活动。目前已鉴定出近60种核开关，它们分别识别不同的代谢物或小分子配体。随着这些核开关的发现，它们的序列特征、高级结构以及调控机制逐渐成为核开关领域的研究热点。截至目前，大部分核开关的三维结构已经被解析，相关研究不仅阐明了这些核开关对配体的特异性识别方式，还从分子层面阐释了其对下游基因表达的调控机制，为开发核开关相关应用提供了重要的研究基础。文章综述了目前已鉴定的核开关的种类和主要功能，详细探讨了辅酶类核开关的三维空间结构和配体识别机制，并展望了核开关的研究前景及潜在应用。
		2024 Vol. 36 (2): 105-116 [摘要] ( 15 ) [HTML 1KB] [ PDF 6859KB] ( 29 )

	117	郭婧, 何新建
		植物染色质重塑复合体的保守性和特异性
		文章导读:细胞核作为真核生物细胞的“指挥部”，其中储存着大量的遗传信息。遗传信息的载体染色质是由DNA和组蛋白组成的大分子复合物，它的基本单位是由146 bp的DNA缠绕在组蛋白八聚体上形成的核小体。组蛋白八聚体包括一个H3-H4四聚体和两个H2A-H2B二聚体。核小体串联排列成松散、可被转录的“串珠状”的结构，两个相邻核小体之间以连接DNA相连。这个结构可被进一步折叠、压缩而形成致密、不可转录的状态。为了保证遗传信息能够在不同的生命阶段得到正确的读取和表达，染色质的状态并非静止不变，而是进行着“松散”和“致密”的转换——这个动态的过程涉及DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑和非编码RNA调控等。染色质重塑的主要执行者是ATP依赖的染色质重塑因子——它们能利用水解ATP产生的能量调节DNA和组蛋白之间的相互作用，从而改变染色质的状态和可及性，影响转录因子和其他转录相关机器与染色质的结合。
		真核生物基因组DNA及其所包绕的组蛋白形成的核小体是染色质的基本单位。染色质的形成一方面有助于将基因组DNA组装到细胞核中，另一方面也对基因表达具有重要影响。染色质重塑因子能够利用水解ATP产生的能量调控染色质上核小体的组装、移除、滑动及组蛋白变体的置换等，从而调控基因转录和其他多种生物学过程。真核生物中的染色质重塑因子主要包括SWI/SNF、ISWI、CHD和INO80四类，这些染色质重塑因子往往以多亚基复合体的形式存在。最近的研究工作系统鉴定了植物染色质重塑复合体的亚基组成和功能，揭示了植物染色质重塑复合体相对于酵母及动物染色质重塑复合体的保守性和特异性。对于这些复合体调控基因转录分子机制的认识也在不断深入。这些发现为深入研究染色质重塑在植物生长发育和胁迫应答中的作用奠定了基础。
		2024 Vol. 36 (2): 117-129 [摘要] ( 53 ) [HTML 1KB] [ PDF 1408KB] ( 43 )

	130	王雁南, 王晓, 张贺桥
		I型组蛋白去乙酰化酶复合物结构生物学研究进展
		文章导读:不同于原核生物，真核生物遗传物质的基本组成单位是核小体(nucleosome)。真核生物基因组在核小体基础上层层压缩，最终被压缩在微米级别的细胞核中。核小体这种特殊的组装方式是由Roger D. Kornberg于1974年发现的。两个拷贝的组蛋白H2A、H2B、H3和H4组成了一个组蛋白八聚体，随后大约147 bp的DNA缠绕其上约1.7圈形成核小体。研究表明：组蛋白氨基端尾巴含有多个携带正电荷的氨基酸如赖氨酸和精氨酸，而这些氨基酸容易被细胞内多种组蛋白修饰酶进行共价修饰。当组蛋白氨基端尾巴未被修饰时带正电，可以与核小体DNA(nucleosomal DNA)和邻近的核小体发生静电相互作用，使周围形成致密的染色质结构。组蛋白H3和H4氨基端尾巴容易发生多种翻译后修饰(posttranslational modification, PTM)，如甲基化、乙酰化、泛素化、磷酸化以及其他多种新型共价修饰，而这些翻译后修饰同时也是可以被去除的。换句话说，这些表观遗传修饰通常情况下是可逆并且被动态调控的。组蛋白翻译后修饰最终会对下游基因转录产生不同的效应。一般来说，可以中和赖氨酸的翻译后修饰会减弱组蛋白尾巴与DNA的结合，使染色质变得松散，有利于基因转录的发生。相反，这些相关修饰的去除则可以抑制转录。其中组蛋白甲基化修饰更为复杂一些，H3K4、H3K36、H3K79的甲基化修饰通常会激活相关基因转录，而H3K9和H3K27的甲基化修饰通常与转录抑制活动相关。
		I型组蛋白去乙酰化酶复合物是从酵母到人所有真核生物中都保守的依赖于锌离子的组蛋白修饰酶。酿酒酵母Rpd3S和裂殖酵母来源同系物Clr6S包含多个亚基，可以被甲基化修饰的组蛋白H3第36位赖氨酸招募到相关核小体位点，随后对组蛋白H3和H4上的乙酰化修饰位点进行去除，以防止隐匿转录的发生。文章总结了近期关于I型组蛋白去乙酰化酶复合物结构生物学及生化方面研究进展，对I型组蛋白去乙酰化酶复合物识别核小体底物并对其乙酰化位点进行特异性去除的分子机制进行了讨论。
		2024 Vol. 36 (2): 130-138 [摘要] ( 159 ) [HTML 1KB] [ PDF 5180KB] ( 236 )

	139	周涛, 姚玉峰, 王丹霓
		蛋白质翻译后修饰在细菌致病中的作用
		文章导读:细菌感染是目前威胁人类健康的重要因素之一，如在2019年有约1 370万人患感染性疾病。预防和控制细菌感染是人类亟待解决的重要问题之一。细菌的毒力在细菌感染的发生、发展过程中起着关键的作用，因此研究细菌毒力因子的表达调控，既可以帮助我们更好地理解细菌致病力的形成机制，又可以发现潜在的抗菌药物靶点。
		蛋白质翻译后修饰(post-translational modification，PTM)可以改变蛋白质稳定性与活性，是调控蛋白质生物学功能的重要环节之一，在真核生物与原核生物中广泛存在。PTM在细菌的许多生命活动中发挥着重要调控作用，如物质代谢、信号转导和细菌致病过程等。文章综述了细菌中主要的PTM种类及功能，细菌毒力和适应力的PTM调控机制，细菌效应蛋白如何通过PTM调控宿主蛋白以及PTM检测技术的新进展。PTM的研究对了解细菌的致病机制及其与宿主的相互作用、致病机制有重要意义，也可以开发特异性治疗药物的新靶点。
		2024 Vol. 36 (2): 139-149 [摘要] ( 360 ) [HTML 1KB] [ PDF 2607KB] ( 470 )

	150	彭俊杰
		面向机器智能的情感分析
		文章导读:2023年，以ChatGPT为代表的生成式人工智能大模型的横空出世，给近些年来一直持续高度火热的“人工智能浪潮”增添了一把强力助燃剂。一时间，社会各行业领域、各学科方向、各年龄层次、各社会阶层没有不讨论“不可思议”的人工智能技术的。这其中，有为人工智能技术的巨大突破喜出望外、欢欣鼓舞的，也有为人工智能技术可能带来的巨大冲击而忧心忡忡、寝食难安的。虽然这些看法与心态迥异，但确实反映了一个不争的事实，那就是人工智能技术发展已从少数专业研究人员的实验室进入公众视野，成为足以影响到全社会发展的重要社会事件。诚然，以大模型为代表的人工智能技术确实得到了突破性进展，不过，以人工智能的研究目标为参考的话，仍然存在许多技术与方向有待进一步的突破与探索。其中非常重要的一个研究方向就是情感分析，即让机器像人一样能理解人的情感情绪，从而使机器更加聪明智能、善解人意。本文对情感分析所涉及的研究方向、问题、现状及应用做了简单介绍，为全面了解情感分析提供基础。
		大模型的兴起，尤其是以大模型为基础的人工智能技术的发展与应用引起了全社会对人工智能技术的广泛关注。人工智能技术已经在很多方面达到甚至超越人类，可以替代人工完成一些技艺要求较高的工作。不过，在人工智能迈向人类智慧的道路上，仍然有许多难题亟待克服与解决，其中一个重要的问题就是情感分析与理解问题，如让机器准确理解人类的情感。针对该问题，文章从情感的定义与分类入手，对情感分析研究需要解决的问题，研究方向、研究现状、面临的挑战、应用前景与展望等进行了讨论。
		2024 Vol. 36 (2): 150-156 [摘要] ( 21 ) [HTML 1KB] [ PDF 1479KB] ( 34 )

科学创造未来

	157	朱宏伟
		数学哲学与人生智慧
		文章导读:数学不单单是一套套冷冰冰的公式和理论，更是一种深刻反映和解析现实世界的工具。数学概念和理论在很多方面与人生经验紧密相连，给我们提供了独特的视角来理解自我和世界。尤其是在面对决策、机遇和复杂环境时，数学为我们提供了一种独特的思考框架。本文探讨了三个具有代表性的数学概念——贝叶斯定理、泊松分布和傅里叶变换——在决策过程中的应用，及其所蕴含的人生哲理。数学概念在形式上体现为抽象的公式，但数学的力量却不仅限于解决具体的数学问题，更重要的是，它能够帮助我们更好地理解和探索复杂的世界，发现生活的模式，评估可能性和做出更明智的选择。简言之，数学是一个关于思考、理解和决策的工具，与人生选择息息相关。
		数学概念深远地影响着人类的思维方式和世界观。文章探讨了贝叶斯定理、泊松分布和傅里叶变换在日常生活中的应用，揭示了这些数学公式背后的深层人生哲理。数学理论不仅能够解释科学现象，也为个人决策提供了可参照的方案，指导我们如何更新信念、把握机遇，从不同角度理解复杂问题。
		2024 Vol. 36 (2): 157-160 [摘要] ( 10 ) [HTML 1KB] [ PDF 1630KB] ( 17 )