2025年是“十四五”收官和“十五五”謀劃的關(guān)鍵之年，北京大學(xué)把年度工作主題確定為“科技創(chuàng)新年”。學(xué)校將堅(jiān)決落實(shí)黨中央關(guān)于教育、科技、人才、文化等領(lǐng)域的新部署，準(zhǔn)確把握新形勢新任務(wù)，主動(dòng)融入國家戰(zhàn)略，當(dāng)好基礎(chǔ)研究的主力軍、重大科技突破的策源地和文化傳承創(chuàng)新的主陣地。今天起，北大官微推出全新欄目#北大科技創(chuàng)新年，聚焦"從0到1"的原始創(chuàng)新，記錄"頂天立地"的成果轉(zhuǎn)化；展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室里的思想激蕩，追蹤全球創(chuàng)新版圖中的北大坐標(biāo)。在這里，和我們一起見證北大科技創(chuàng)新的無限可能。

微觀世界，粒粒皆奇。無論是在DNA、蛋白質(zhì)等生命大分子中，還是在更細(xì)微的原子、量子水平上，新的突破和進(jìn)展不斷涌現(xiàn)。

今天凌晨，Nature官網(wǎng)發(fā)布多篇論文。北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院何愛彬團(tuán)隊(duì)、北京大學(xué)物理學(xué)院孫慶豐團(tuán)隊(duì)同一時(shí)間在Nature分別發(fā)文，從不同的研究視角揭示粒子的秘密。

全新技術(shù)實(shí)現(xiàn)胚胎發(fā)育譜系追蹤

北京大學(xué)何愛彬團(tuán)隊(duì)《胚胎譜系追蹤的基因組覆蓋單細(xì)胞組蛋白修飾》一文發(fā)表于Nature

2月26日，北京大學(xué)何愛彬團(tuán)隊(duì)在《自然》（Nature）雜志在線發(fā)表了題為“Genome-coverage single-cell histone modifications for embryo lineage tracing ”（胚胎譜系追蹤的基因組覆蓋單細(xì)胞組蛋白修飾）的文章。該研究開發(fā)了具有全基因組覆蓋度的單細(xì)胞組蛋白修飾檢測新技術(shù)TACIT和CoTACIT，首次構(gòu)建了小鼠胚胎植入前連續(xù)時(shí)間多維組蛋白修飾圖譜，建立了表觀細(xì)胞譜系樹。

“太極生兩儀，兩儀生四象”

恰似胚胎發(fā)育細(xì)胞命運(yùn)決定：從單一受精卵起始，經(jīng)歷二細(xì)胞期、四細(xì)胞期的有序分裂，最終形成譜系分明的生命藍(lán)圖。在這個(gè)精妙的生物學(xué)“太極分化”過程中，表觀遺傳重編程之手，精密控制合子基因組激活（ZGA）、全能性維持與失去、細(xì)胞命運(yùn)異質(zhì)化、第一次細(xì)胞命運(yùn)決定和細(xì)胞譜系形成等進(jìn)程。

雖然此前之前已有研究利用少量細(xì)胞ChIP-seq技術(shù)揭示了哺乳動(dòng)物著床前胚胎細(xì)胞發(fā)生劇烈染色質(zhì)狀態(tài)——組蛋白修飾重編程。但能否突破傳統(tǒng)遺傳譜系示蹤和單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組等手段不足之處，建立時(shí)間分辨的單細(xì)胞全基因組精度、多模態(tài)組蛋白修飾以解析胚胎發(fā)育細(xì)胞譜系與關(guān)鍵表觀基因組調(diào)控仍尚未可知。

在新研究中，何愛彬團(tuán)隊(duì)闡明了胚胎從合子到囊胚階段單細(xì)胞分辨率的表觀基因組控制機(jī)制，精準(zhǔn)確定全能性定義的特征組蛋白修飾與調(diào)控元件，并鑒定了調(diào)控全能性退出和第一次細(xì)胞命運(yùn)預(yù)決定的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子及轉(zhuǎn)座元件，為理解早期胚胎發(fā)育分子與細(xì)胞調(diào)控提供了全景表觀新視角。

技術(shù)瓶頸新突破

傳統(tǒng)單細(xì)胞組蛋白修飾檢測技術(shù)受限于起始樣本量和分辨率，難以應(yīng)用于低起始量的早期胚胎樣本。何愛彬團(tuán)隊(duì)開發(fā)的TACIT（Target Chromatin Indexing and Tagmentation）技術(shù)，通過系列優(yōu)化，包括甲醇固定、提高Protein A-Tn5轉(zhuǎn)座酶活、單管反應(yīng)防止細(xì)胞與DNA丟失，從而將單細(xì)胞有效讀段數(shù)提升近50倍,實(shí)現(xiàn)早期胚胎單個(gè)細(xì)胞捕獲讀段數(shù)的中位數(shù)達(dá)492,556。且該技術(shù)可適配低至20個(gè)細(xì)胞的起始量，信號(hào)噪聲比顯著優(yōu)于現(xiàn)有方法（包括團(tuán)隊(duì)之前開發(fā)的itChIP-seq和CoBATCH，以及Cut&Tag類似方法）。團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步開發(fā)了單細(xì)胞表觀多組學(xué)技術(shù)CoTACIT（Combined assay of Target Chromatin Indexed and Tagmented），實(shí)現(xiàn)著床前胚胎同一細(xì)胞中多種組蛋白修飾聯(lián)合檢測。

通過TACIT和CoTACIT技術(shù)，研究者繪制了小鼠著床前胚胎3,749個(gè)細(xì)胞的全基因組六種組蛋白修飾（H3K4me1、H3K4me3、H3K27ac、H3K36me3、H3K27me3和H3K9me3）和一種組蛋白變體H2A.Z的動(dòng)態(tài)染色質(zhì)修飾圖譜，捕獲了包含啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、基因體、異染色質(zhì)和組蛋白變體的幾乎所有功能調(diào)控元件。研究者進(jìn)一步以scRNA-seq數(shù)據(jù)為紐帶整合了多模態(tài)組蛋白修飾數(shù)據(jù)，借助ChromHMM分析框架，構(gòu)建了小鼠早期胚胎染色質(zhì)狀態(tài)動(dòng)態(tài)景觀。

多模態(tài)整合分析流程圖

世界上沒有兩片相同的葉子

同樣，“世界上也沒有兩個(gè)完全相同的細(xì)胞”。即便在形態(tài)均質(zhì)的二細(xì)胞胚胎階段，表觀遺傳異質(zhì)性已啟動(dòng)細(xì)胞命運(yùn)決定的"分水嶺"。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在二細(xì)胞胚胎中H3K27ac等活性修飾已呈現(xiàn)顯著細(xì)胞間異質(zhì)性。通過胚胎條形碼TACIT技術(shù)追蹤同一胚胎內(nèi)兩個(gè)細(xì)胞的表觀特征，證實(shí)約31%-45%的二細(xì)胞胚胎存在胚胎內(nèi)表觀差異。且這種異質(zhì)性與ZGA激活程度密切相關(guān)。多模態(tài)分析結(jié)果顯示，受精卵和ZGA激活程度低的二細(xì)胞（2cell_1）基因組中含有多價(jià)態(tài)染色質(zhì)狀態(tài)（同時(shí)結(jié)合六種組蛋白修飾），而ZGA激活程度高的二細(xì)胞（2cell_2）中不存在。

TACIT檢測胚胎內(nèi)異質(zhì)性 胚胎條形碼

進(jìn)一步地，研究者用多模態(tài)整合后的染色質(zhì)狀態(tài)信息定義細(xì)胞類型，以探究細(xì)胞命運(yùn)的表觀貢獻(xiàn)。研究者利用機(jī)器學(xué)習(xí)鑒定了2,583個(gè)全能性特征基因組區(qū)域，其中31%與已知全能性基因重疊，41%富含轉(zhuǎn)座元件（如MERVL），而后他們分析這些全能性特征基因組區(qū)域富集的轉(zhuǎn)錄因子基序，并通過CRISPRa實(shí)驗(yàn)證實(shí)，新發(fā)現(xiàn)CEBPG、LBX1和ESR1等轉(zhuǎn)錄因子可誘導(dǎo)胚胎干細(xì)胞向全能性狀態(tài)轉(zhuǎn)化。

除此之外，研究者鑒定了ICM和TE特化相關(guān)的表觀基因組調(diào)控區(qū)域，并成功預(yù)測了囊胚階段前細(xì)胞的ICM和TE譜系分化傾向性（圖3）。siRNA實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證篩選出之前未報(bào)道與ICM和TE特化相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子：YY2、CEBPB、SMAD2和HNF4A調(diào)控ICM特征，而KLF6和HIF1A驅(qū)動(dòng)TE分化。有趣的是，研究者發(fā)現(xiàn)早期胚胎在四細(xì)胞時(shí)期就具有明顯的譜系傾向。

譜系相關(guān)調(diào)控區(qū)域和轉(zhuǎn)錄因子

該研究通過新技術(shù)整合繪制了小鼠從合子到囊胚發(fā)育過程中包含六種組蛋白修飾的時(shí)間分辨率的單細(xì)胞表觀譜系樹，揭示了胚胎內(nèi)部細(xì)胞異質(zhì)性產(chǎn)生以及第一次命運(yùn)預(yù)決定的表觀機(jī)制，為胚胎發(fā)育與細(xì)胞命運(yùn)調(diào)控研究提供了一個(gè)新范式。

該研究不僅為早期胚胎發(fā)育機(jī)制提供了全新認(rèn)知，相關(guān)研究思路還可拓展至人類疾病（如腫瘤異質(zhì)性產(chǎn)生的表觀機(jī)制）和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院博士生劉敏、陳旭斌以及吉林大學(xué)第一醫(yī)院岳晏竹教授為論文共同第一作者。北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院，北京大學(xué)-清華大學(xué)生命科學(xué)聯(lián)合中心，北京大學(xué)成都前沿交叉生物技術(shù)研究院和北京大學(xué)腫瘤醫(yī)院何愛彬教授為本文通訊作者。清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院張強(qiáng)鋒教授和團(tuán)隊(duì)博士研究生田康和李雨哲對(duì)本研究提供了支持和幫助。該研究獲得了科技部干細(xì)胞專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金委的和生命科學(xué)聯(lián)合中心的支持。

人造原子的軌道雜化

北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心孫慶豐教授課題組《石墨烯人造原子中的軌道雜》一文發(fā)表于Nature

同一天，北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心孫慶豐教授課題組與北京師范大學(xué)物理與天文學(xué)院何林教授課題組緊密合作，在《自然》（Nature）雜志發(fā)表以“Orbital hybridization in graphene-based artificial atoms”（石墨烯人造原子中的軌道雜化）為題的文章，首次在人造原子中實(shí)現(xiàn)了軌道雜化。

人造世界的原子建筑師

自然界中的物質(zhì)是由原子組成。在原子結(jié)合構(gòu)成物質(zhì)時(shí)，有兩個(gè)至關(guān)重要過程：一是原子內(nèi)發(fā)生軌道雜化，二是原子間化學(xué)鍵形成。量子點(diǎn)也被稱作人造原子，其由于受限效應(yīng)而形成不同軌道的束縛態(tài)，與真實(shí)原子的軌道十分相似，被研究人員用來模擬真實(shí)原子的特征。

目前，人造原子（即量子點(diǎn)）已經(jīng)很好地模擬出真實(shí)原子間的化學(xué)鍵形成。包括孫慶豐課題組和何林課題組在內(nèi)，研究人員通過量子點(diǎn)之間的耦合，已經(jīng)在各種體系的量子點(diǎn)中實(shí)現(xiàn)了成鍵態(tài)、反鍵態(tài)等真實(shí)鍵態(tài)的對(duì)應(yīng)。

近年來，孫慶豐課題組和何林課題組合作，在受限石墨烯體系取得了一系列重要成果：在雙層石墨烯量子點(diǎn)中，通過施加磁場誘導(dǎo)貝里相位連續(xù)變化和實(shí)現(xiàn)谷自由度的調(diào)控。在單層石墨烯中，通過應(yīng)力引起的贗磁場和真磁場共同作用實(shí)現(xiàn)受限谷態(tài)調(diào)控。通過旋轉(zhuǎn)非對(duì)稱受限勢引起不同角動(dòng)量態(tài)間的散射，并結(jié)合貝里相位，實(shí)現(xiàn)谷間散射波前位錯(cuò)的單、雙調(diào)控。在單層石墨烯量子點(diǎn)中發(fā)現(xiàn)了原子塌縮態(tài)和回音壁態(tài)的共存；更進(jìn)一步，通過耦合兩個(gè)量子點(diǎn)，提出和實(shí)現(xiàn)原子塌縮態(tài)、分子塌縮態(tài)、到回音壁態(tài)的相互演化；以及連續(xù)調(diào)控兩個(gè)量子點(diǎn)間的距離，從而系統(tǒng)地給出分子態(tài)特性。另外，在單個(gè)量子點(diǎn)中通過引入勢壘也實(shí)現(xiàn)了分子態(tài)。

然而，原子構(gòu)成物質(zhì)的另一個(gè)關(guān)鍵過程——軌道雜化卻未曾被人造原子模擬出來。

人造原子軌道雜化的第一步

針對(duì)這一空白，孫慶豐教授組發(fā)展了人造原子中軌道雜化的理論，提出人造原子的各向異性勢可以讓其能量相近的不同軌道受限態(tài)之間發(fā)生雜化。他們具體地指出，如果在石墨烯量子點(diǎn)中將圓形勢場變形為橢圓形勢場，軌道量子數(shù)m=0的s軌道和軌道量子數(shù)m=2的d軌道之間將會(huì)發(fā)生雜化，重新組合成兩個(gè)新的雜化態(tài)。

上半部分：真實(shí)原子中的（a）未雜化的軌道和（b）sp2軌道雜化示意圖

下半部分：人造原子中的（c）圓形勢場和（d）橢圓形勢場示意圖

孫慶豐教授課題組從解析推導(dǎo)和數(shù)值計(jì)算兩方面得到了雜化態(tài)的形狀（θ形和倒θ形）。何林教授課題組在實(shí)驗(yàn)上對(duì)各種橢圓形量子點(diǎn)中的受限態(tài)進(jìn)行探測，直接觀測到軌道雜化特征。

實(shí)驗(yàn)和理論相互印證，共同證實(shí)了橢圓形石墨烯量子點(diǎn)中確實(shí)發(fā)生了軌道雜化。這種雜化是原子塌縮態(tài)和回音壁態(tài)之間的重組，雜化后的態(tài)同時(shí)包含原子塌縮態(tài)和回音壁態(tài)的成分。

盡管原子塌縮現(xiàn)象是量子電動(dòng)力學(xué)中預(yù)測的重要現(xiàn)象，而回音壁效應(yīng)是聲學(xué)中的效應(yīng)，二者被認(rèn)為有完全不同的物理機(jī)理，但是這一工作揭示了兩者之間的深刻聯(lián)系。此外，隨著量子點(diǎn)的形變逐漸增強(qiáng)，雜化強(qiáng)度逐漸提高，于是兩個(gè)雜化態(tài)的能量逐漸劈開。這點(diǎn)從實(shí)驗(yàn)測量和理論計(jì)算方面都得到了證實(shí)。

（a,b）數(shù)值計(jì)算的雜化態(tài)（θ形和倒θ形）

（c,d）實(shí)驗(yàn)觀測到的雜化態(tài)

（e）雜化態(tài)隨量子點(diǎn)形變?cè)鰪?qiáng)而發(fā)生能量劈裂

北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心2020級(jí)博士研究生毛岳、北京師范大學(xué)博士研究生任慧瑩和周嘯峰為文章的共同第一作者。北京大學(xué)孫慶豐教授、北京師范大學(xué)何林教授和北京師范大學(xué)博士后任雅寧為文章的共同通訊作者。該工作的合作者還有北京大學(xué)博雅博士后莊鈺晨、北京師范大學(xué)研究生盛浩和肖云浩。該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金會(huì)以及北京師范大學(xué)的經(jīng)費(fèi)支持。