科研成果 | 北大科研进展速览

食物系统包括食物的生产、加工、运输、消费等环节，这些环节排放大量大气污染物，增加人群健康风险。食物生产地和消费地的居民承担的健康风险不同，表现出不平等性，成为联合国可持续发展目标（SDG）关注的重要指标。然而，由于缺乏可靠手段，难以有效探索食物系统健康风险的不平等性及其关键因素、应对策略。针对这一科学问题，中英联合团队综合利用氨等大气污染物高分辨率排放清单、省级尺度投入产出模型、CMAQ伴随模式等手段，精细化解析了不同地区、不同部门、不同食物从生产到消费引起的健康风险（以过早死亡人数为指标）及其不平等性。这项研究以“Health burden from food systems is highly unequal across income groups”为题于2024年3月14日发表在Nature Food杂志。

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https://www.nature.com/articles/s43016-024-00946-7

氧化亚氮（N₂O）是重要的温室气体，农田贡献了其全球人为排放的三分之一，实现粮食增产和N₂O减排协同成为普遍关注的热点。由于排放量不确定性大，减排措施类型复杂，全球农田N₂O减排潜力尚不清晰。针对这一难点，周丰课题组受Cell Press旗下期刊One Earth的邀请，撰写综述文章，全面阐述农田N₂O的产生与释放机制、减排潜力与热点，以及科学与政策建议。该综述以“The global potential for mitigating nitrous oxide emissions from croplands”为题于2024年3月15日在One Earth杂志在线发表，指明了全球农田土壤N₂O减排研究的未来方向。

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https://doi.org/10.1016/j.oneear.2024.01.005

植物来源的天然产物通常是植物的次级代谢产物，这些次级代谢产物既是调控植物生长发育的信号分子，又可以通过与环境的相互作用来提高植物生存和抵抗外界压力的能力。植物之所以能够产生化学结构异常多样、丰富的次级代谢产物，是因为植物体内存在大量的催化反应酶，帮助快速、高效地合成相关有机小分子。因此，植物被认为是自然界中“最伟大的化学家”。但是，植物中生物合成酶究竟是如何通过自然演化来获得机制独特的催化活性一直以来都是没有被完整回答的重要科学问题。2024年3月20日，北京大学化学与分子工程学院、北大-清华生命科学联合中心雷晓光课题组以“The evolutionary origin of naturally occurring intermolecular Diels-Alderases from Morus alba”为题，在Nature Communications期刊上发表论文，阐明了这一演化过程中的具体机制，还鉴定了参与功能转变的关键的残基突变，同时揭示了酶功能转变过程中底物的微妙调整以适应功能转变的可能机制。

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https://www.nature.com/articles/s41467-024-46845-0

骨质疏松症是全球老年人口中普遍存在的问题，骨质疏松性骨折不仅愈合困难，还会增加患者再次骨折的风险。目前，对于骨折后如何有效预防骨折后骨丢失和再发骨折风险，是临床亟待解决的难题。2024年3月21日，北京大学第三医院骨科宋纯理团队在Nature子刊Bone Research杂志上发表题为“β-Receptor blocker enhances the anabolic effect of PTH after osteoporotic fracture”的研究论文。该研究揭示了β-受体阻滞剂加强特立帕肽的促成骨作用，在治疗骨质疏松性骨折中的潜在价值。这项研究不仅为骨质疏松性骨折的治疗提供了新的策略，还为理解骨折后骨代谢的变化提供了新的视角。β-受体阻滞剂通过阻断交感神经系统的负面影响，增强了PTH的骨形成作用，为临床治疗提供了新策略。

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https://doi.org/10.1038/s41413-024-00321-z

细胞的生命活动受到各个亚细胞器（细胞核、线粒体、内质网等）中蛋白质网络的精细调控，以保证其有条不紊地进行。研究亚细胞区域的蛋白质组，尤其是针对临床疾病相关的样品，一直以来是蛋白质组学研究的热点。近年来，邻近标记（proximity labeling）技术的发展，使得在活细胞中原位研究特定亚细胞蛋白质组成为可能，以小分子光催化邻近标记为代表的化学生物学方法的出现展现出了巨大潜力。然而，组织原代、甚至人体临床等更为复杂样品的原位标记由于存在技术瓶颈而一直处于空白。2024年3月28日，陈鹏/樊新元团队在Nature Communications杂志发表了题为“Bioorthogonal photocatalytic proximity labeling in primary living samples”的研究论文。他们在前期开发的线粒体靶向的光催化邻近标记技术CAT-Prox的基础上，通过化学改造开发出新一代具有更高标记活性的硫代亚甲基醌探针，以适应更为复杂的原代组织的生物样品，从而实现了组织原代、甚至人体临床样品的线粒体蛋白质的原位标记（CAT-S技术）。

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https://www.nature.com/articles/s41467-024-46985-3

通过光学手段实现对高精度原子钟产生的量子频率标准进行无损传递，可以为基本物理常数测量、暗物质探测、秒定义修订、导航定位、高精度传感网络等领域提供重要研究手段和基本技术支撑。目前，超远距光纤频率传递面临诸多技术挑战。近日，电子学院郭弘教授领导的北京大学-北京邮电大学联合研究团队在高精度超远距时间频率传递方面取得标志性进展，针对超长跨距时间频率信号传递中的噪声抑制等难题提出系统性解决方案，利用高信噪比的光学频率梳实现实验室光纤3000公里无电再生的时频信号低损传递，成功实现了对高精度铷原子钟的频率稳定度远端复现。相关成果于2024年4月1日以“Microwave frequency transfer over 3000-km fiber based on optical frequency combs and active noise cancellation”为题，在线发表于Physical Review Research。

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https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/PhysRevResearch.6.023005

水资源与联合国多个可持续发展目标（SDGs）密切相关。全球范围内，有超过20亿人居住在受严重水资源短缺影响的国家，约有12亿人仍然缺乏基本的安全饮用水服务。与农业贸易相关的虚拟水转移可能有助于缓解水资源短缺（SDG6），重塑全球水资源使用的分布格局，并在不同收入的人群之间产生差异化影响。环境学院覃栎课题组基于前期在水资源风险远程耦合机制识别与影响评估方面相关的工作基础，与合作团队通过耦合作物需水模型、实体流贸易模型及人群公平性评估模型，搭建了水资源风险再分配机制及其公平性效应的综合评估模型，并基于历史数据系统评估了国际农业贸易如何重塑稀缺性水资源的使用格局，以及由此造成的对不同收入人群的差异化影响。2024年4月2日，以上研究成果以“The asymmetric impacts of international agricultural trade on water use scarcity, inequality, and inequity ”为题发表于Nature Water。

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https://www.nature.com/articles/s44221-024-00224-7

飞秒激光具有超短的脉冲宽度和超高的峰值功率，与分子相互作用，会发生电离、解离和库伦爆炸等超快过程。原子分子内电子运动的本征时间尺度在阿秒（10-18s）量级，追踪和测量原子或分子中电子的运动是物理学家的重要目标之一。然而，无论是在理论上，还是在实验上，同时研究分子中的电子和原子核动力学过程是非常困难的。近日，物理学院刘运全课题组与合作者在实验和理论上研究了强激光场作用下氢分子双电离过程，揭示了超快光化学反应中电子、质子多体相互作用的内在关联。2024年4月3日，相关研究成果以“Probing H2 Double Ionization with Bi-circular Laser Fields”为题，在线发表于Physical Review Letters。

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https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.143201

在演化历程中，哪些遗传改变使我们成为独一无二的人类？是否存在人类特有的遗传因子，贡献了人脑特异性发育特征？阐明该问题，对深入理解人类高级智能具有重要科学意义，Science杂志也因此将其列为当前125个最具挑战性的科学难题之一。已有研究表明，基因组结构变异（Structural Variants，SV）是物种特有性状的重要来源。若能在灵长类物种中系统鉴定SV事件并探究其演化规律，将为解答上述问题提供新视角。然而，目前虽然在灵长类研究领域积累了大量的基因组短片段测序数据，但运用短片段数据鉴定结构变异事件假阳性高，限制了其广泛应用。2024年4月5日，未来技术学院李川昀课题组和合作者在Science Advances杂志发表题为“Adaptive Functions of Structural Variants in Human Brain Development”的研究论文。研究开发了新的计算流程，实现了仅根据短片段数据对三类主要结构变异事件的准确鉴定（deletion、duplication和inversion的鉴定准确率分别达到97.1%、97.3%和95.2%）。

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https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adl4600

被子植物的花是植物演化中的重要创新性状。花一般由萼片、花瓣、雄蕊和雌蕊组成，其中雌蕊是最重要的雌性生殖器官。在长期演化过程中，雌蕊形成复杂的结构以顺利完成有性生殖过程。雌蕊顶端包括柱头和花柱，是接收花粉、促进花粉萌发和生长以完成双受精的关键门户，与农作物的产量密切相关。雌蕊顶端精细结构是如何形成的？到目前为止，对该科学问题的研究还相对较少。2024年4月6日，生命学院秦跟基课题组在国际著名植物学专业期刊Plant Cell上发表了题为“Arabidopsis transcription factor TCP4 controls the identity of the apical gynoecium”的论文，揭示了转录因子TCP4（TEOSINTE BRANCHED 1/CYCLOIDEA/PCF 4）与雌蕊顶端发育的关键转录因子CRC（CRABS CLAW）、NGAs（NGATHAs）形成转录激活复合体，直接调控生长素合成基因YUCCAs（YUCs）的表达，进而控制雌蕊顶端命运的分子机制。

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肺癌是全球最常见和致命的癌症之一。其中非小细胞肺癌（NSCLC）约占全部肺癌的85%，预期5年生存率仅为15.9%。针对驱动基因（主要是EGFR突变）的肺癌靶向治疗取得了令人满意的疗效。然而，并非所有EGFR突变患者都对酪氨酸激酶抑制剂（TKI）有反应，大多数患者在有效治疗几个月后会复发。此外，临床异质性的存在使得靶向治疗方案的选择变得更加复杂。2024年4月8日，北京大学未来技术学院席建忠教授团队与上海市胸科医院姜丽岩团队、北京大学肿瘤医院吴楠团队等深度合作，在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Stem Cell发表一项研究成果“Patient-derived tumor-like cell clusters for personalized chemo-and immunotherapies in non-small cell lung”。该项研究建立了283个非小细胞肺癌（NSCLC）患者来源的肿瘤样细胞簇（PTCs）模型，并以此模型为基础开展化疗药物及免疫药物敏感性检测，经临床前瞻性双盲试验结果验证，PTCs预测药物疗效的准确率为89%，充分展现出PTCs在NSCLC个性化精准治疗巨大的临床应用潜力。

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https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1934590924000900

候鸟迁徙，蝴蝶振翅，心脏律动，生命的节律演绎着自然界最美妙的生命交响乐。然而，生物体是如何进行时间计算的呢？这种计时的精度能达到多高？需要多少个神经元才能进行准确的时间计算？在时间计算层面，存在关键少数的神经元吗？还是神经元起着均等的贡献？这些问题一直悬而未决，等待着科学家们的实验与回答。2024年4月11日，未来技术学院程和平院士团队在Cell Research杂志在线发表论文“System-level time computation and representation in the suprachiasmatic nucleus revealed by large-scale calcium imaging and machine learning”，从系统水平对哺乳动物的生物钟主钟——视交叉上核（Suprachiasmatic nucleus, SCN）的时间计算机制进行了研究，揭示了SCN基于神经元集体决策的时间计算能力及机制。研究团队自主搭建了双侧扫描双光子显微镜，实现全核团近万颗神经元跨昼夜钙成像。该团队发现了SCN中以钙脉冲为基本单元，形成“状态”“模态”“时空相位波”等从秒到小时到近日周期的跨尺度钙信号，展示了SCN钙信号潜在的时间编码能力。

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https://www.nature.com/articles/s41422-024-00956-x

来源：北京大学新闻网、物理学院、化学与分子工程学院、生命科学学院、城市与环境学院、电子学院、环境科学与工程学院、材料科学与工程学院、未来技术学院、第三医院、科学研究部