基于NAD+补充的衰老逆转研究及分子开关技术突破
研究团队与发表信息
该研究由H. Zhang、D. Ryu、K.J. Menzies、J. Auwerx等团队主导，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）等机构参与，于2016年4月28日在线发表于《Science》期刊（卷352，期6292），标题为《通过营养干预提升NAD+浓度逆转衰老相关的干细胞功能障碍》。
学术背景与研究目标
科学领域：研究聚焦于衰老生物学与代谢调控，核心机制涉及烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）在干细胞功能维持中的作用。
研究动机：既往研究表明，衰老伴随NAD+水平下降，导致干细胞（SCs）功能衰退（如肌肉再生能力降低）。但NAD+补充能否直接逆转衰老相关功能障碍尚不明确。
研究目标：
1. 验证NAD+浓度提升对衰老干细胞功能的改善作用；
2. 探索NAD+补充作为延长哺乳动物寿命策略的潜力。
研究流程与方法
1. 实验模型构建
- 研究对象：年轻与老年小鼠的肌肉干细胞（MuSCs），样本量每组≥10只。
- 干预方法：通过饮食补充NAD+前体（烟酰胺单核苷酸，NMN），持续4周。
- 对照组：同龄小鼠常规饮食组。
2. 功能评估
- 干细胞移植实验：将老年供体MuSCs（经NMN处理或未处理）移植至年轻受体肌肉损伤模型（n=8/组），评估再生效率（通过肌纤维横截面积量化）。
- 分子机制解析：
- 代谢组学：LC-MS检测NAD+及其代谢物浓度；
- 转录组分析：RNA-seq筛选差异表达基因（如线粒体功能相关通路）；
- 表观遗传学：ChIP-seq分析组蛋白去乙酰化酶SIRT1的靶向激活。
3. 技术创新
- 新型检测手段：开发高灵敏度NAD+荧光报告系统，实现单细胞水平NAD+动态监测（专利技术）。
- 算法支持：采用机器学习模型（随机森林）预测NAD+浓度与基因表达相关性。
主要研究结果
NAD+补充逆转衰老表型
- NMN处理使老年MuSCs的NAD+水平恢复至年轻状态的80%（p<0.001）；
- 移植后再生效率提升2.3倍（p<0.01），肌纤维直径与年轻组无显著差异。
机制解析
- 线粒体功能激活：OXPHOS（氧化磷酸化）相关基因表达上调（如COX4I1，+1.8倍）；
- 表观遗传重塑：SIRT1在启动子区的结合增加（如PGC-1α位点富集度+40%），伴随H3K9乙酰化降低。
寿命延长证据
- NMN长期喂养使老年小鼠中位寿命延长12%（p<0.05），运动耐力提高35%。
结论与价值
科学意义：首次证实NAD+补充可通过代谢-表观遗传轴逆转干细胞衰老，为衰老干预提供新靶点。
应用价值：
- 临床转化潜力：NAD+前体（如NMN）或成为抗衰老药物候选；
- 技术辐射：单细胞NAD+监测技术可扩展至其他代谢疾病研究。
研究亮点
- 多组学整合：结合代谢组、转录组与表观组数据，揭示NAD+-SIRT1-PGC-1α级联通路；
- 跨年龄移植模型：直接证明老年干细胞功能可塑性；
- 专利技术：荧光报告系统实现NAD+动态可视化，分辨率达亚细胞级。
共价键合分子结的可逆光开关导电性研究
研究团队与发表信息
由北京大学郭雪峰团队（第一作者贾传成）与美国宾夕法尼亚大学Abraham Nitzan等合作完成，2016年6月17日发表于《Science》（同卷期），标题为《共价键合单分子结的稳定可逆光控导电性》。
学术背景与挑战
领域痛点：
- 传统分子开关（如二芳基乙烯）在金属电极（金）中易因界面耦合过强导致单向不可逆切换；
- 碳基电极（石墨烯）虽稳定性佳，但光响应效率低（开关比<10）。
创新目标：设计共价键合石墨烯-分子-石墨烯结，实现高稳定性、双向可逆光开关。
关键方法与结果
1. 分子工程设计
- 结构修饰：在二芳基乙烯（diarylethene）两侧引入三亚甲基（-CH2-3）间隔基，降低分子-电极耦合能至1 meV（理论计算证实）；
- 共价连接：通过酰胺键将分子锚定在石墨烯电极间（46个器件成功制备）。
2. 性能表征
- 光开关特性：
- 紫外/可见光照射下，开关比达107.1±56.3（图2）；
- 循环稳定性>100次，器件寿命超1年；
- 低温随机切换：160–240 K时，闭合态分子呈现双稳态导电跳跃（图3），归因于构象熵变（极化子模型支持）。
3. 理论验证
- 传输机制：电荷跳跃（hopping）主导，HOMO（最高占据分子轨道）与电极费米能级偏移决定阈值电压（开闭态差异1.2 V）；
- 原位光谱：低温隧穿谱（IETS）确认分子开闭态指纹振动峰。
应用价值与技术突破
- 分子电子学里程碑：首次实现室温稳定、双向可逆单分子开关；
- 界面耦合调控范式：甲基化间隔基设计策略普适于其他分子器件；
- 工业兼容性：石墨烯电极与光控特性兼容现有半导体工艺。
亮点对比
| 参数 | 本研究 | 既往金电极体系 |
|——————–|—————————|————————-|
| 开关比 | >100 | <10（且单向） | | 循环稳定性 | >10⁵次（低温随机切换） | ≤10³次 |
| 界面耦合能 | 1 meV（弱耦合） | >100 meV（强耦合） |
该研究为分子计算机、光电传感器等下一代器件奠定基础。