辭舊迎新，揮別2018，中國學者穩扎穩打，突破一個又一個科學的巔峰，創造一個又一個中國奇跡，為世界科學發出中國聲音。

2019剛過10多天，我國內地學者已經在CNS三大頂刊發表7篇論文。這7篇文章分別來自：清華大學施一公團隊、上海科技大學iHuman研究所劉志杰研究團隊、中國科學院青藏高原研究所、浙江大學陳紅勝等團隊、深圳大學項元江團隊、中科院動物研究所孫悅華團隊、北京林業大學。

1Science：施一公團隊再次發力，解析了γ-分泌酶等復合物冷凍電鏡結構

2019年1月11日，清華大學施一公團隊在Science在線發表題為“Recognition of the amyloid precursor protein by human γ-secretase”的研究論文，該論文報告了人類γ-分泌酶與跨膜APP片段的復合物的冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）結構，分辨率達到2.6?。? APP的跨膜螺旋（TM）與PS1的五個周圍TM（γ-分泌酶的催化亞基）緊密相互作用。? 該結構與結合Notch的γ-分泌酶的結構一起揭示了底物結合的對比特征，其可用于設計底物特異性抑制劑。因此，該結構用作發現γ-分泌酶的底物特異性抑制劑和理解γ-分泌酶的生物學功能以及AD的疾病機制的重要框架。

阿爾茨海默病（AD）的標志是AD患者腦中存在淀粉樣蛋白斑。淀粉樣斑塊的主要成分是源自淀粉樣蛋白前體蛋白（APP）的β-淀粉樣肽（Aβ）。 I型跨膜蛋白APP首先被α-或β-分泌酶切割，分別產生83或99個殘基的跨膜片段（APP-C83或APP-C99）。然后APP-C99通過其內肽酶活性被γ-分泌酶切割，產生48-殘基肽Aβ48或49-殘基肽Aβ49。隨后通過γ-分泌酶的羧基末端肽酶活性切割Aβ49導致產生Aβ46，Aβ43和Aβ40的產生。類似地，Aβ48的切割產生Aβ45，Aβ42和Aβ38。其中，Aβ42和Aβ43特別容易聚集并形成淀粉樣蛋白斑。除APP外，Notch受體也是α-和γ-分泌酶的底物。在α-分泌酶切割后，所得的跨膜Notch片段被γ-分泌酶切割以產生細胞內信號傳導結構域。

通過在PS1和APP-C83之間形成特定的二硫鍵產生穩定的γ-分泌酶-APP復合物

人γ-分泌酶包含四個亞基：早老蛋白（PS），PEN-2，APH-1和nicastrin。作為γ-分泌酶的催化亞基，早老素是具有兩個催化Asp殘基的天冬氨酰蛋白酶，并且具有兩種同種型PS1和PS2。在γ-分泌酶組裝期間，PS1經歷自身蛋白水解以產生氨基末端片段（NTF）和羧基末端片段（CTF）。 PEN-2是γ-分泌酶成熟所必需的; APH-1穩定復合物和nicastrin被認為在底物結合中發揮作用。已經在PS1中鑒定了200多種AD相關突變，其中大多數導致Aβ42/Aβ40比率升高。

人類γ-分泌酶與跨膜APP片段的復合物的冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）結構

普遍存在的淀粉樣蛋白假說假定淀粉樣蛋白寡聚體直接促成AD的發展，使γ-分泌酶的抑制成為AD治療的潛在治療策略。不幸的是，也許是因為它們也抑制Notch切割，γ-分泌酶抑制劑會引起嚴重的副作用，而對AD患者沒有任何明顯的臨床益處。在這里，施一公報告人類γ-分泌酶與跨膜APP片段的復合物的冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）結構，分辨率達到2.6?。 PS1和底物之間的β-折疊對于γ-分泌酶的蛋白水解活性是必需的。該結構與γ-分泌酶 -? Notch復合物的結構比較揭示了可用于開發底物特異性抑制劑的不同特征。

人γ-分泌酶識別APP-C83

與淀粉樣蛋白前體蛋白結合的人γ-分泌酶的結構為γ-分泌酶連續底物切割的螺旋解旋模型提供了強有力的支持。 更重要的是，該結構允許通過γ-分泌酶比較APP和Notch識別以及AD相關突變的合理化。 因此，該結構用作發現γ-分泌酶的底物特異性抑制劑和理解γ-分泌酶的生物學功能以及AD的疾病機制的重要框架。

2Cell：連續4年不間斷，上科大劉志杰團隊再次發力，解析大麻素受體結構

大麻素受體CB2主要在免疫系統中表達，選擇性調節CB2而不具有CB1的精神活性對炎癥、纖維和神經退行性疾病有治療作用。2019年1月11號，上海科技大學iHuman研究所劉志杰研究團隊等人在Cell在線發表了題為Crystal Structure of the Human Cannabinoid Receptor CB2的研究論文。研究報道了人源CB2與拮抗劑AM 10257的復合物的晶體結構，分辨率為2.8?。該研究為深入了解CB2的激活機制提供了重要的線索，有助于合理的藥物設計，以精確調節內卡那賓系統。

大麻素受體CB1和CB2是植物內源大麻素D9-THC的主要靶標。CB1在全身廣泛表達，廣泛分布于中樞神經系統，CB2主要在免疫系統中表達，在較小程度上在中樞神經系統中表達。CB2正在成為免疫調節、治療炎癥和神經病理疼痛、神經炎癥和神經退行性疾病的有吸引力的治療靶點。最近的研究表明，CB2拮抗劑可以改善腎纖維化，也可以延緩腫瘤的進展，表明其作為治療纖維疾病和癌癥的化合物的潛力。

圖文概要

然而，CB2具有高度同源性，與CB1有44%的同源性。許多大麻堿能化合物與CB1和CB2相互作用，因此很難描述調節這兩種受體所需的單個信號貢獻。在本報告中，我們用合理設計的CB2拮抗劑測定了CB2在配合物中的晶體結構。將拮抗劑結合的cb2與我們先前解決的cb1結構進行比較分析，可以闡明配體選擇性或功能的決定因素，并將為治療應用中對內卡那賓系統的精確調控提供新的見解。

在此，研究人員報道了人CB2在合理設計的拮抗劑AM 10257的配合物中的晶體結構，分辨率為2.8?。CB2-AM 10257結構與CB1具有明顯不同的結合位點。然而，與拮抗劑結合的CB2的胞外部分與激動劑CB1具有高度的構象相似性，從而發現AM 10257的CB2拮抗作用與CB1激動劑的相反功能。通過誘變和分子對接的進一步結構分析，揭示了它們對CB2和CB1的功能和選擇性的分子基礎。另外，對我們設計的拮抗劑和激動劑對的分析為深入了解CB2的激活機制提供了重要的線索。目前的研究結果應有助于合理的藥物設計，以精確調節內卡那賓系統。

3Nature：征服世界“第三極”，中科院青藏高原所為這一難題開出“中國藥方“

“第三極”是地球上最大的冰雪庫，僅次于北極和南極。它包括喜馬拉雅山-印度教庫什山脈和青藏高原。該地區擁有世界上最高的14座山脈和大約10萬平方公里的冰川(面積相當于冰島)。融水為十條大河提供水源，包括印度河、雅魯藏布江、恒河、黃河和長江，這些河流幾乎占世界人口的五分之一。

尼泊爾的Tsho Rolpa山谷，喜馬拉雅山冰川融化水量增加，使當地面臨風險

氣候變化威脅著這個巨大的冰庫。在過去的50年里，喜馬拉雅山和青藏高原的冰川一直在萎縮，到本世紀中葉可能會損失一半。融水為下游的河流源源不斷地提供雪水。相比30年前，河流在夏季高峰期來的更早，氣候模式也在發生著改變。

研究人員仍然不清楚為什么這些變化在整個地區有如此大的差異，也不明白它們將如何發展？

不同地域的人們需要更多的信息來幫助他們管理風險和隱患。他們需要知道哪些冰川融化最快，以及不斷變化的降雪和氣候變暖如何影響冰川的積累和消失，以及河流和湖泊的體積。

監測系統：

在這個遼闊、高和偏遠的地區，水循環很難監測。衛星圖像和氣候模型太粗糙，無法解決局部變化。整個區域需要一個監測系統。它必須跟蹤氣象變量，如氣溫、濕度、氣壓、降水和風。它需要通過測量水蒸氣中氫和氧的穩定同位素來擴展關于水循環的數據。這為了解大氣水分的來源及其經歷的過程(如蒸發和凝結)提供了重要的見解。

科學家們準備了用于觀測珠穆朗瑪峰北部空氣中水分流量的氣球

需要進一步了解：

兩種天氣模式-印度季風和盛行西風-推動大部分水汽流向第三極。隨著印度大陸在春季和夏季升溫，對流從孟加拉灣、阿拉伯海和印度洋向北吸收水分，這時喜馬拉雅山的降水，超過8度。在該地區的北部和西部，強烈的西風從地中海帶來了水汽。在整個地區，水分也從土壤中蒸發出來，并通過植物的蒸騰釋放出來。

由于對水中穩定同位素的觀測，我們知道了這些模式。在垂直尺度上，這些數據揭示了空氣中的水分是如何通過大氣邊界層的過程混合的。這些信息還記錄了冰川每天如何釋放水分，比如冰川表面和空氣中的熱量。

研究人員建立了測量珠穆朗瑪峰附近大氣水汽中穩定同位素的儀器

下一步計劃：

首要任務必須是擴大氣象和同位素監測站的網絡。今年，已經有計劃在第三極的更大范圍內增設20個臺站；隨著實施的深入，還會增加其他的臺站。該裝置是中國泛TPE研究計劃的一部分，涉及從挪威到尼泊爾的科學家。它的5年預算為14.8億元(2.15億美元)，用于研究第三極、伊朗高原、高加索山脈和喀爾巴阡山脈的環境變化。另一個項目-青藏高原第二次科學考察和研究(STEP)項目-從2019年開始的5年內將獲得43.5億元的資金，用于研究青藏高原的環境變化。在這個為期10年的項目中，儀器、員工和維修費用很可能從每年800萬元增加到1.5億元。

4Nature：技術領域的革新，浙江大學陳紅勝等團隊極大推動該領域的進展，全球首次完全實現3D拓撲光子帶隙

在現代光子器件中，例如波導，激光器，非常需要將光子限制在有限體積內。幾十年前，這推動了光子晶體的研究和應用，光子晶體具有光子帶隙，禁止光在各個方向傳播。最近，受到拓撲絕緣體發現的啟發，已經在二維（2D）光子結構（稱為光子拓撲絕緣體）中證明了具有拓撲保護的光子限制，在拓撲激光器中有很好的應用。然而，尚未實現完全三維（3D）拓撲光子帶隙。在這里，浙江大學陳紅勝，新加坡南洋理工大學張柏樂及Gao Zheng共同通訊在Nature在線發表題為“Realization of a three-dimensional photonic topological insulator”的研究論文，該論文實驗證明了一種具有極寬（超過25％帶寬）3D拓撲帶隙的3D光子拓撲絕緣體。使用直接場測量，研究人員繪制出有間隙的體帶結構和光子表面態的狄拉克樣色散，并展示沿非平面表面的穩健光子傳播。該工作將3D拓撲絕緣體系列從費米子擴展到玻色子，并為三維幾何中的拓撲光子腔，電路和激光器的應用鋪平了道路。

光子帶隙材料，也稱為光子晶體，是能夠限制光子的工程材料，因為它們具有光子帶隙，禁止在所有方向上傳播電磁波（即，由經典麥克斯韋方程控制的光波）。盡管電子帶隙是一個歷史悠久的概念，但僅在20世紀80年代后期，光子帶隙材料才被理論上提出為半導體晶體的電磁模擬。然后，它們以3D光子晶體的形式實驗性地實現，在微波頻率下具有完全的帶隙。光子晶體的光子限制能力通常由其帶隙的寬度決定。

具有3D Dirac點和3D拓撲帶隙的光子結構設計

在過去的二十年中，凝聚態物理已經通過引入物質相的拓撲分類而發生了革命，包括2D和3D拓撲絕緣體。 2D拓撲絕緣體承載拓撲保護的單向邊緣狀態，而3D拓撲絕緣體表現出拓撲表面狀態。基于眾多不同設計原理的2D拓撲絕緣體的類似物已經在光子學中實現了，并且可以用于實現拓撲保護的激光器。然而，在這些2D系統中，在第三（面外）方向上的光子限制是通過諸如折射率引導的非拓撲手段來實現的。根據最新進展，尚未實現3D拓撲光子帶隙，其可以在所有三個空間方向上實現光子的拓撲限制。

樣品，實驗裝置和測量的3D光子拓撲絕緣體的體積分散

最近，有幾個理論建議用于實現3D拓撲光子帶隙。高折射率磁光材料可用于產生類似于“強”拓撲絕緣體（其具有奇數個表面狄拉克錐）的帶結構，盡管其具有不完全的帶隙;然而，這對于制造來說是具有挑戰性的。最近的另一項提議涉及光子“弱”拓撲絕緣體（其具有偶數個表面狄拉克錐）。從具有適當層間耦合的2D量子自旋霍爾絕緣體堆疊層出現弱拓撲絕緣體。盡管弱拓撲 - 絕緣體表面狀態最初被認為是不受保護的，但是最近的研究表明，只要時間反轉對稱性和帶隙的存在，它們就能抵抗紊亂。

二維拓撲光子系統的發現已經改變了我們對電磁波的傳播和散射的觀點，并且激發研究人員對三維類似狀態的探索。Alexey Slobozhanyuk 等人從理論上證明了，在全電介質平臺中設計對稱保護的三維拓撲狀態，并通過結構設計確保電場和磁場之間的電磁對偶性是可行的。磁電耦合起到形成規范場的作用，確定了具有完全三維光子帶隙的“絕緣”狀態的拓撲轉變。他們還揭示了具有錐形狄拉克色散和自旋鎖定的表面狀態的出現，并通過第一性原理研究證實了表面狀態沿著二維疇壁的傳播。他們提出的系統作為一個桌面平臺，能夠模擬大型狄拉克費米子的相對論動力學，并且表面狀態可以被解釋為受到具有相反質量粒子的界面分離域約束的 Jackiw-Rebbi 狀態。

三維光子拓撲絕緣子無間隙錐形Dirac狀拓撲表面態的實驗觀察

在這里，研究人員報告了3D光子拓撲絕緣體的實現，具有完整且極寬的拓撲帶隙。該論文實驗證明了一種具有極寬（超過25％帶寬）3D拓撲帶隙的3D光子拓撲絕緣體。使用直接場測量，研究人員繪制出有間隙的體帶結構和光子表面態的狄拉克樣色散，并展示沿非平面表面的穩健光子傳播。

光子拓撲表面態穩健性的實驗證明

因此，該工作展示了3D拓撲絕緣體的經典光子模擬。 3D拓撲光子帶隙的實現為各種拓撲光子器件打開了大門，例如拓撲光子激光器和先前難以接近的3D幾何結構中的電路。這也提供了研究超出2D的拓撲量子光學的機會，例如在完全3D拓撲腔中的自發發射。該工作將3D拓撲絕緣體系列從費米子擴展到玻色子，并為三維幾何中的拓撲光子腔，電路和激光器的應用鋪平了道路。

5Science：非均勻三維Weyl超材料中手性零模的觀察

由于Weyl節點的手性，Weyl系統可以在強磁場下支持單向手性零模，從而導致手性電流的非守恒-所謂的手征異常。雖然零手性體模在光學信息的魯棒傳輸方面有很好的應用前景，但在光子學中還沒有觀察到零手性體模。

在這里，研究人員設計了一種非均勻的Weyl超材料，在該材料中，通過對單個單元的工程，為Weyl節點產生一個規范場。我們實驗證實了規范場的存在，并通過單向傳播觀測了零階手性Landau能級。在不破壞時間反轉對稱性的情況下，我們的系統為設計三維光子Weyl系統中的人工磁場提供了一條途徑，并可能在光子學中有潛在的應用前景。

6Science：解決問題的雄性對雌性鸚鵡更有吸引力

達爾文提出，配偶選擇可能有助于認知能力的演變。 一個懸而未決的問題是，觀察個體的認知技能是否使其作為配偶更具吸引力。?

在這項研究中，研究人員證明了最初較不優選的雄性變得優先，因為雌性觀察到這些雄性，（不是最初優選的雄性）能夠解決覓食覓食問題。 在對照實驗中沒有發生這種偏好轉變，其中雌性性觀察到雄性可以自由獲取食物，或者雌性觀察到雌性競爭者解決這些覓食問題。

該研究結果表明，直接觀察解決問題的技能會增加雄的吸引力，這可能會促進這些技能背后的認知能力的演變。

————

編輯?∑Pluto

來源：中外學術情報

微信公眾號“算法數學之美”，由算法與數學之美團隊打造的另一個公眾號，歡迎大家掃碼關注！

更多精彩：

?如何向5歲小孩解釋什么是支持向量機（SVM）？

?自然底數e的意義是什么？

?費馬大定理，集驚險與武俠于一體

?簡單的解釋，讓你秒懂“最優化” 問題

?一分鐘看懂一維空間到十維空間

??本科、碩士和博士到底有什么區別？

?小波變換通俗解釋

?微積分必背公式

?影響計算機算法世界的十位大師

?數據挖掘之七種常用的方法

算法數學之美微信公眾號歡迎賜稿

稿件涉及數學、物理、算法、計算機、編程等相關領域，經采用我們將奉上稿酬。

投稿郵箱：math_alg@163.com

總結

以上是生活随笔為你收集整理的攻占CNS！4篇Science+2篇Nature+1篇Cell，2019年内地学者开门红的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。