【顶刊前沿】武汉大学发表Nature，中科院金属所发表Science

　　导读

　　11月11日，武汉大学生命科学学院宋保亮教授课题组在Nature发表论文，揭示了进食诱导胆固醇合成增加的调控机制。11月13日，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心李秀艳、卢柯研究员等人发表Science论文，在极细多晶体铜中发现一种新型亚稳固态—受限晶体结构。

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　　武汉大学宋保亮课题组Nature发文揭示胆固醇合成调控新机制

　　11月11日，武汉大学生命科学学院宋保亮教授课题组在国际顶级期刊Nature（《自然》）发表论文，揭示了进食诱导胆固醇合成增加的调控机制。这项研究有助于认识人体胆固醇代谢的规律，并为治疗高脂血症、肥胖、脂肪肝和糖尿病等代谢性疾病奠定基础。

　　论文题为“Feeding induces cholesterol biosynthesis via the mTORC1-USP20-HMGCR axis”（《进食通过mTORC1-USP20-HMGCR通路诱导胆固醇合成》）。武汉大学生命科学学院博士研究生芦小艺、副教授史熊杰、博士研究生胡傲和王菊琼为共同第一作者，宋保亮为通讯作者。武汉大学生命科学学院博士研究生丁一、博士蒋威、博士研究生孙铭、副教授赵晓璐和罗婕，以及上海科技大学戚炜教授为共同作者。

　　宋保亮课题组成员合影

　　胆固醇是细胞膜的关键组成成分，但浓度过高容易导致心脑血管疾病。人体可以从肉、蛋等食物中摄取胆固醇，然而，在以碳水化合物为主要食物的情况下，胆固醇主要依赖自身合成。胆固醇合成需要消耗很多营养与能量，因此经过长期进化，哺乳动物只在进食后才明显上调胆固醇合成，而在饥饿状态下则抑制合成，这其中的调控机制一直不为人知。

　　宋保亮课题组研究发现，胆固醇合成途径中的限速酶--羟甲基戊二酰辅酶A还原酶（HMGCR）在进食后显著上调。他们利用巧妙设计的体外生化实验结合表达筛选和动物模型，证明进食后升高的葡萄糖和胰岛素导致USP20蛋白磷酸化修蚀，后者稳定HMGCR，促使机体将吸收的营养物质转变为胆固醇，供生命活动所必需。

　　进食后胰岛素和葡萄糖通过mTORC1-USP20-HMGCR通路上调胆固醇合成

　　随后，研究人员发现，在长期高糖高脂饮食条件下，抑制USP20活性，可以显著降低胆固醇、甘油三酯水平，减轻体重、降低体脂及提高胰岛素敏感性；抑制USP20后还会引起琥珀酸增多，增加产热。而这些代谢指标的改善均有助于治疗那些代谢性疾病。

　　该项工作得到了国家自然科学基金委“糖脂代谢的时空网络调控重大研究计划”、国家科技部和腾讯基金首届“科学探索奖”的资助。

　　论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2928-y

　　
中科院金属所Science：在极细多晶体铜中发现一种新型亚稳固态—受限晶体结构

　　金属通常以多晶体形式存在，即许多金属原子按一定规则整齐排列在一起形成一个有序区域，称为晶粒，晶粒与晶粒之间由几个原子层厚的界面相连接，在三维空间中构成了宏观金属固体。由于晶粒之间存在晶体学取向差，晶界中原子的排列往往杂乱无序，这种无序晶界的存在使多晶体的稳定性远低于完整晶体（单晶体）。例如，当把多晶体金属加热到不足熔点一半时，晶界便开始失稳迁移导致晶粒长大，材料性能变化（如软化）。在受力时晶界也会发生迁移使多晶体结构失稳。

　　晶粒尺寸越小晶界上原子比越多，多晶体的稳定性就越强，当晶粒尺寸降为纳米尺度时，有些金属在室温下便会出现晶粒长大。对于某些金属合金，当晶粒尺寸减小到足够小时（通常为几纳米），整个多晶体结构失稳，形成一种亚稳的非晶态固体（或称为玻璃态）。非晶固体在受热或力的作用下会进一步向更稳定的晶体转变。通常认为，完整单晶体和亚稳非晶固态是金属固体的两个极端状态，多晶体结构是一种介于这两者之间的不稳定结构。然而，非晶固态只有在有限的合金成分范围内才能形成，对于绝大多数合金和纯金属，无论晶粒多么细小也无法形成非晶固态。所以，材料科学和凝聚态物理领域长期以来存在一个重要的基础性问题：在多晶体晶粒尺寸不断减小接近某极限值（如原子尺寸）前是否存还在别的亚稳态结构？11月13日出版的Science周刊报道了关于这问题研究的一个重大突破。

　　图1 左上：纯铜中受限晶体的TEM明场像；右上：高分辨透射电镜观察显示受限晶体显示出近截角八面体特征；下：MD模拟显示受限晶体特征。

　　中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心纳米金属科学家工作室李秀艳, 卢柯研究员，周鑫特别研究助理与上海交通大学金朝晖教授合作，利用大量精细实验并结合模拟计算发现，当晶粒尺寸降低的几纳米时，纯金属铜多晶体会形成一种新型亚稳结构 --- Schwarz crystal（受限晶体）结构，这种具有极小界面（minimalinterface）的三维结构表现出极高的热稳定性和力学稳定性，在纯铜的熔点以下不发生晶粒长大，其强度接近理论强度。这一重要发现表明除非晶固态外，在多晶体金属在晶粒极细时还存在另外一种亚稳固体状态，其稳定性甚至远高于非晶固体。

　　研究者利用两步低温塑性变形技术，成功地将纯铜薄片的晶粒尺寸降低到10 nm以下。显微结构观察发现，这种极细的多晶体中呈现出典型的类似水油不互溶双连续相中常见的流形结构，经系统表征纳米晶粒的尺寸、形态、取向及分布等，许多的极小晶粒具有规则的Kelvin截角八面体形态，并且存在相当数量的低能界面（如孪晶界和重位点阵界面），结合这些结构特征和分子动力学模拟计算，发现这种极细晶粒之间的界面具有一种极小界面结构特征，这种被称为Schwarz-D界面的平均曲率为零，结构稳定性很强。同时，极细晶粒中大量低能孪晶界又进一步约束了这种极小界面，使其稳定性更高。因此，这种具有受限极小界面结构的多晶体（简称为“受限晶体”）能够表现出极高的热稳定性和力学稳定性。

　　图2 A 晶粒尺寸分别为10nm，25nm，50nm的纯铜晶粒尺寸随退火温度的变化情况；B 纯铜受限晶体加热到接近熔点温度（1348K）晶粒尺寸没有明显变化；C 和D分别为纯铜中晶粒粗化温度与强度随晶粒尺寸的变化图，受限晶体呈现出接近熔点的超高稳定性和接近理想强度的高强度。

　　受限晶体结构的发现为探索固态物质结构基本特征及其新性能开辟的一个全新空间，也为研发高稳定性金属材料及制造工艺提供了新的机遇与挑战。

　　本研究得到国家重点研发计划和中国科学院科学家工作室计划的资助。

　　论文链接：https://science.sciencemag.org/content/370/6518/831/tab-figures-data

　　来源：武汉大学新闻网、沈阳材料科学国家研究中心.