近期科研成果扫描

近期，清华大学提供总体技术的公共安全服务系统为厄瓜多尔提供重要安全保障，物理系王向斌小组为400公里抗黑客攻击量子密钥分发做出重要贡献，生命学院柴继杰研究组在《细胞研究》发文揭示十字花科植物自交不亲和反应分子机制，信息国家实验室张奇伟课题组等为超分辨显微技术引入偏振新维度，生命学院刘万里课题组在《实验医学杂志》发文报道与红斑狼疮相关的FcγRIIB-T232之抑制功能缺失的新型分子机制。

公共安全研究院

清华大学提供总体技术的公共安全服务系统

为厄瓜多尔提供重要安全保障

11月16日，习近平主席在对厄瓜多尔进行国事访问前在厄瓜多尔《电讯报》发表题为《搭建中厄友好合作的新桥》的署名文章，特别提到：“我高兴地得知，在这次抗震救灾中，中国提供设备技术并负责建设的厄瓜多尔公共安全服务系统发挥了重要作用。作为指挥中枢，厄瓜多尔公共安全服务系统高效处理了大量信息，及时发出一道道指令，挽救了许多生命，降低了灾害带来的损失。”文中所说的公共安全服务系统，正是由清华大学公共安全研究院提供总体技术支持，清华控股旗下北京辰安科技股份有限公司研发的厄瓜多尔国家安全指挥控制系统（ECU911）。

国家安全指挥控制系统（ECU911）地区指挥中心外观。

该指挥控制系统（ECU911）由16个指挥中心组成，整合了警察、交通、消防、医疗、灾害应急等部门的资源，实现对应急事件跨部门、跨地域联合处置，被厄瓜多尔政府评为“综合集成度最高、技术水平最先进、规模最大的应急指控系统之一”。

2012年12月，国家安全指挥控制系统（ECU911）第一个指挥中心上线，总统科雷亚莅临现场。

从2012年12月-2015年5月，厄瓜多尔总统科雷亚出席了16个指挥中心的每一个落成仪式。2015年1月7日，科雷亚总统在清华大学发表演讲，对中国“把最先进的技术带入拉美”表示感谢。中国驻厄瓜多尔大使王玉林在当地接受新华社记者采访时表示：“ECU911系统启用以后，厄瓜多尔的犯罪率下降了接近30%。”

震后的瓜亚基尔（Guayaquil）国家中心，ECU911的软件系统仍在正常运转。

2016年4月，厄瓜多尔西部沿海地区发生里氏7.8级地震，造成大量人员伤亡和财产损失。厄瓜多尔总统科雷亚、副总统格拉斯利用国家安全指挥控制系统（ECU911）进行指挥调度，挽救了众多生命，减少了人员财产损失。系统在灾后重建中也发挥了极大作用。

ECU911系统中的公共安全科技，来源于清华大学公共安全研究院。研究院自2003年成立以来，在985二期“公共安全科技创新重大平台项目”的支持下，承担了科技部“十一五”科技支撑计划国家应急平台关键技术研究项目，并牵头实施国家自然科学基金委重大研究计划非常规突发事件应急管理集成项目，经过长期持续创新研究，成功实现了成果产业化。2008年北京奥运会前，国务院应急平台系统成功上线并在全国推广。在国内广泛应用的基础上，整体技术和系统成功进入了国际市场。

2011年初，清华大学公共安全研究院科研人员组成技术团队，赴厄瓜多尔开展现场调研。经过两个多月紧锣密鼓的工作，完成了厄瓜多尔国家安全指挥控制系统的总体设计，并在接下来的3年中为系统建设持续提供总体技术支持。

研发过程中，公共安全研究院科研人员与辰安科技公司一起攻克了多项关键技术，仅用4个月时间就完成了系统第一个指挥中心的上线运行。科雷亚总统在中心落成仪式上激动地表示，中国企业成功完成了“不可能完成的任务”。

截至2016年10月，厄瓜多尔国家安全指挥控制系统已累计接警4000多万起，挽救了上万个生命，为“赤道之国”提供了前所未有的安全保障。

物理系

清华大学物理系王向斌小组

为400公里抗黑客攻击量子密钥分发做出重要贡献

近日，由中国科学技术大学潘建伟院士及同事张强、陈腾云与清华大学、中科院微系统所、济南量子技术研究院等单位科研人员组成的联合团队，采用清华大学王向斌小组提出的4强度优化理论方法（optimized four-intensity decoy-state method），在国际上首次实现超过400公里抵御量子黑客攻击的测量设备无关量子密钥分发，极大地推动了兼顾安全和实用的远距离光纤量子通信的发展。

抗黑客攻击量子密钥分发示意图。[PhysRevLett.117.190501]

本次实验采用4强度优化理论方法，将量子密钥分发安全传输记录拓展至404公里超低损耗光纤（康宁公司提供）和311公里普通光纤距离，创造了量子密钥分发光纤传输距离新的世界纪录。特别值得指出的是，在相同现实条件下，即使利用完美单光子源，原始BB84协议也不能在这么长的传输距离上得以实现。

11月2日，该成果以“在404公里光纤上实现测量设备无关量子密钥分发”（Measurement-Device-Independent Quantum Key Distribution Over a 404 km Optical Fiber）为题发表在国际物理学权威学术期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，并入选当期“编辑推荐”。美国著名科学新闻媒体《物理》杂志以量子密钥传输距离翻番为焦点及时做出报道。审稿人评价“该实验为量子密钥分发和量子通信最远传输记录”“是一个杰出的成就”“打破BB84协议下单光子源的传输终极极限”。清华大学物理系王向斌教授是该论文的共同通讯作者，其小组成员于宗文和博士生周逸恒均被列入该论文的共同作者名单。

测量设备无关量子密钥分发（MDIQKD）可抵御所有量子黑客的探测器攻击。自潘建伟团队于2013年完成国际上首个MDIQKD实验并于2014年将传输距离延伸到200公里以来，该技术在国际上受到高度关注。然而，在现有实验技术条件下，MDIQKD的原始理论模型能给出的安全成码率较低，严重限制了该量子通信技术的实际应用。如何在现有实验技术条件下提高其安全成码率，是提高量子保密通信使用价值的关键问题之一。清华大学王向斌教授与博士生周逸恒及课题组成员于宗文于今年年初发表的理论论文中，提出了4强度优化理论方法，通过理论分析表明该方法在采用现有实验技术和典型实验条件下，可以将成码率提高近两个数量级，从而大幅度提高安全成码率和安全传输距离，极大提升MDIQKD技术的实用价值。

相比2014年的200公里传输实验，本次实验在207公里处的安全成码率提高了500多倍，其中50多倍的提高来自4强度优化理论方法，另有10倍的提高是来自实验技术自身的改进。此外，该实验在102公里的安全成码率已经足以保证安全的语音通话，从而充分验证了MDIQKD技术具有很大的实用价值。

该研究工作得到了中科院、基金委、科技部、教育部量子信息与量子科技前沿协同创新中心以及山东省和济南高新区的支持。4强度优化理论方法的研究还得到了清华大学低维量子物理国家重点实验室开放课题的支持。

论文链接：

生命学院

柴继杰研究组在《细胞研究》发表论文

揭示十字花科植物自交不亲和反应分子机制

日前，清华大学生命学院柴继杰课题组在《细胞研究》（Cell research）期刊在线发表题为“十字花科植物自交不亲和反应的结构生物学研究”（Structural basis for specific self-incompatibility response in Brassica）的论文，首次在原子层面揭示了十字花科植物自交不亲和反应的分子机制。

植物固着生长无法移动，由于雌雄同花植物雄蕊和雌蕊在空间上的接近，导致其自花授粉的概率远大于异花授粉。但是自交不利于维持后代基因的多样性，而且容易导致隐形致病基因在后代发生纯和而引发自交退化。为了避免这些不良后果的发生，高等植物进化出了多种自交不亲和机制来防止自交的发生。1876年，达尔文在其著作曾对植物自交不亲和现象做了详细描述，并称其为“最令人吃惊的生物学现象之一”。在许多自交不亲和植物中，自体和异花花粉的识别是由一个具有高度多态性的复等位基因位点——S位点控制，如果花粉和花柱的S基因型一样则产生自交不亲和反应。近年来，分子生物学研究表明S位点可以编码决定植物自交不亲和性的雌性及雄性决定因子，它们二者作为一个基因簇构成了不同的S单倍型在遗传中紧密连锁。

油菜、甘蓝等十字花科植物的自交不亲和性的雌雄决定因子分别是表达于花柱的S结构域受体激酶SRK与表达于花粉的富含半胱氨酸小肽SCR，其S单倍型数量经预测达上百种之多。研究表明十字花科植物自交不亲反应是通过来自不同S单倍型的SRK与SCR间精确的一一识别所实现的。目前，这一精确配对背后的分子机制仍不明确。

十字花科植物自交不亲和分子机理。

柴继杰研究组通过生化实验发现SCR9可以诱导eSRK9形成同源二聚体。在随后解析的晶体结构中，eSRK9与SCR9构成分子数为2:2的四元复合物，通过结合生物化学及生物信息学等手段，他们最终揭示了不同SRK与SCR间精确配对的分子机制。这项研究为将来利用杂交优势对作物进行分子育种提供了分子基础。

eSRK9-SCR9复合物结构展示。

论文的通讯作者为生命学院柴继杰教授，主要工作由生命学院2010级博士生马瑞完成。生命学院博士韩志富，博士后胡泽汗，博士生林光忠和张贺桥参与了课题的相关部分。中国人民大学龚新奇副教授，康奈尔大学茱儿·纳斯鲁拉（June B Nasrallah）教授为论文的顺利完成提供了必要帮助。上海同步辐射光源BL17U1 (SSRF)为数据收集提供了及时有效的支持。本研究工作得到国家自然科学基金委及科技部的大力资助。

论文链接：

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信息国家实验室 自动化系

清华张奇伟课题组等

为超分辨显微技术引入偏振新维度

近日，清华信息国家实验室的张奇伟教授课题组及北京大学、澳大利亚悉尼科技大学的合作者，共同提出了一种新的基于偏振反解调的超分辨偶极子取向解析技术（Super-Resolution Dipole Orientation Mapping via Polarization Demodulation），不仅为超分辨提供了一种全新的维度，而且为本领域近期的一个热点争论提供了解答。这一工作于2016年10月21日发表在自然出版集团（Nature）旗下的《光：科学与应用》期刊（Light：Science & Application，影响因子13.6），并在10月31日被《自然方法》（Nature Methods）作为研究亮点（Research Highlights）进行报道，同时该工作荣登科学网论文频道一周（10月31日至11月6日）最受关注论文的排行榜冠军。

荧光的偏振特性（Fluorescence Polarization）早在1926年就被发现。在超分辨成像中，荧光的其他特性如强度、光谱、荧光寿命等均有很好的应用，然而对于荧光偶极子的方向（偏振）则很少关注。2014年，德国马普所瓦拉（Walla）课题组在《自然方法》上发表文章，通过对激光进行偏振调制实现稀疏重构的超分辨成像。但2016年初，德国科学家凯勒（Keller）等在《自然方法》发表针对上述研究的评论，对此提出质疑，表示利用荧光偏振不能获得进一步的超分辨。瓦拉课题组从宽场的角度论证，偏振调制带来的周期性变化的信号差异，可以区分衍射极限水平下无法分开的点，说明偏振对超分辨的获取确实起到了作用。

然而，由于瓦拉课题组和凯勒课题组都从传统的荧光强度来看待这一问题，偏振调制对超分辨能力的提升是否有效以及如何提供更多信息，依然没有定论。清华大学张奇伟教授课题组及其合作者发现，荧光偏振性是否对超分辨成像有提升，关键在于能否解析出超分辨偶极子取向信息，因此从荧光强度和荧光各向异性来考虑，解析出超分辨荧光偶极子取向，并提出了一种叫SDOM（Super-resolution Dipole Orientation Mapping，图1）的新的超分辨技术，从而很好地回答了这一争论。

偶极子受到偏振激发释放出余弦周期信号，在显微成像过程受到衍射作用和相机采样误差的影响。事实上，光学显微成像是一个以点扩散函数为核的卷积和泊松采样的过程，进一步考虑短时间内恒定噪声的因素，张奇伟教授课题组及其合作者完成了成像的统计建模。基于相机采集的光子数信息，估计荧光分子的位置和强度。课题组采取贝叶斯估计的思路，利用极大后验将图像重构过程转化为稀疏约束的凸优化问题。快速迭代收敛阈值算法实现了优化模型求解，使得偏振调制信号得到恢复。对恢复信号进行三角函数拟合提取出超衍射极限的偶极子取向，最终在实现强度超分辨重建的基础上实现了角度超分辨信息的解析，拓宽了超分辨成像的认知视角。

图1: SDOM的原理示意图。SDOM不仅带来了分辨率的提升，且能够为超分辨提供一个全新的荧光偶极子的维度，能够更清晰地认识其标记的蛋白结构。

传统的荧光各向异性显微成像技术往往只能够观察简单样本的荧光偏振。对于复杂样本，荧光的偏振由于阿贝衍射极限的存在会受到众多荧光团的影响，从而只能观察到平均效果。SDOM技术不仅提升了成像的空间分辨率，也提升了探测荧光团偶极子方向的精度。同时，SDOM技术具有很快的成像速度（最快可达每秒5帧超分辨），对激发光功率要求很低（毫瓦量级），非常适用于活细胞观察。

偶极子取向的超分辨解析，使得通过强度无法看到的结构细节能够被角度信息反映出来。课题组对瓦拉文章中的海马神经元图像重新进行了分析，经SDOM重建后（图2 c下）发现偶极子取向的异质性分布，揭示了树突棘的不同膜边界结构，而这一信息在瓦拉的工作中并不能获得（图2c）。

图2:瓦拉的SPoD超分辨成像（a图左）和SDOM成像解析（a图右）的对比。

为进一步展示该方法的有效性，研究者把该技术首先应用在哺乳动物细胞的actin（肌动蛋白）成像中，超分辨偶极子取向信息提供了更多的结构细节。之后，作者将该技术应用于活体酵母细胞中的septin（氯苄乙胺）蛋白成像观测，同样得到了更加精细的结构信息。由于基因组三维结构目前在世界上掀起一轮新的研究热潮，同时也是张奇伟课题组的重点研究方向，而且NPC(核孔复合体)对于染色体在细胞核内的定位及基因组的三维结构也非常重要。基于此考虑，研究者也利用该技术对NPC进行了SDOM成像，得到了核孔的第一张偏振超分辨图像。综合看，SDOM对超分辨水平下偶极子取向的解析非常有效，对活细胞结构动力学的研究有良好的应用前景。

本工作的参与者来自于清华大学、北京大学和澳大利亚悉尼技术大学，清华大学自动化系博士生陈龙和北京大学工学院博士生张昊是论文共同第一作者，清华大学张奇伟课题组高军涛副研究员、北京大学席鹏教授、澳大利亚悉尼技术大学金大勇教授是该论文的共同通讯作者。

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生命学院

清华生命学院刘万里课题组在《实验医学杂志》发文

报道与红斑狼疮相关的FcγRIIB-T232之抑制功能缺失的新型分子机制

11月1日，清华大学生命科学学院刘万里课题组在红斑狼疮疾病发病机制研究领域取得重要进展，在国际权威生物医学期刊《实验医学杂志》（Journal of Experimental Medicine）发表了名为“狼疮相关的单核苷酸多态性FcγRIIB-T232穿膜区构象变化导致其侧向布朗运动速率降低、进而导致其抑制性功能丧失的新机制 （Impairment on the lateral mobility induced by structural changes underlies the functional deficiency of the lupus-associated polymorphism FcγRIIB-T232）的论文，提出了与红斑狼疮相关的单核苷酸多态性FcγRIIB-T232的单次穿膜螺旋在细胞膜内倾斜角增大，导致其侧向布朗运动（二维扩散速率）降低，而无法有效发挥其抑制功能的新机制。

系统性红斑狼疮在中国的发病率为30~70/10万，对患者的生存质量及寿命造成严重影响。FcγRIIB穿膜区的单核苷酸多态性I232T与系统性红斑狼疮的易感性呈正相关，且此单核苷酸多态性的次等位基因出现频率在中国人群中高达21.5%-26.9%。刘万里课题组2014年在《免疫学杂志》（Journal of Immunology）的工作揭示当B淋巴细胞被抗原-抗体复合物刺激时，FcγRIIB-T232丧失阻止B细胞受体（BCR）微簇体与CD19微簇体在免疫突触中共定位的能力，因而无法发挥抑制作用，但是具体的分子机制未知。

在这项新的研究中，其团队综合利用细胞生物学、生物化学和生物物理学等不同学科的交叉优势，运用单分子成像示踪、超分辨率成像、分子模拟及核磁共振等技术，从FcγRIIB的穿膜区单次穿膜螺旋拓扑构象及其在细胞质膜上的侧向分子扩散速率的新层面提出了I232T的单核苷酸多态性导致FcγRIIB-T232抑制功能缺失的新机制。该论文发现FcγRIIB-T232在细胞质膜表面的扩散速率显著低于FcγRIIB-I232，导致FcγRIIB-T232在免疫活化之启动阶段，无法快速有效的扩散至被BCR捕捉的抗原抗体复合物微簇体中与抗体Fc区结合（图一）。分子模拟及核磁共振的结果表明FcγRIIB-T232穿膜区在磷脂双层中呈现更加倾斜的拓扑构象，进而在分子水平解释FcγRIIB-T232扩散速率为何变慢。该研究通过检测FcγRIIB-T232穿膜区物理性质的改变为其抑制功能缺失提供了新机制。

图1.FcγRIIB-I232和FcγRIIB-T232在细胞质膜的差异性侧向分子扩散速率影响其生物功能。

这一研究成果为微观分子物理性质对其宏观病理的发生发展提供了新思路，并为FcγRIIB-T232与系统性红斑性狼疮易感性正相关提供了一定的理论解释，对系统性红斑狼疮疾病的个性化治疗，疾病进展判断及预后提供了参考依据。

刘万里课题组博士后徐利玲博士是本文的第一作者，共同第一包括：清华大学生命科学学院博士生夏梦蝶、中科院上海生命科学研究院生化与细胞生物学研究所博士生郭俊、北京大学人民医院副研究员孙晓麟。刘万里研究员为本文的通讯作者，共同通讯作者包括：清华大学生命科学学院龚海鹏研究员、中科院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所许琛琦研究员与北京大学人民医院栗占国教授。

刘万里研究员于2011年12月从美国国立卫生研究院完成博士后训练后到清华大学生命科学学院组建独立实验室。其课题组一直致力于使用新型的高速高分辨率的活细胞单分子荧光成像技术结合传统的免疫学、生物化学和生物物理学研究手段，对B淋巴细胞的免疫活化及相关疾病的分子机制进行研究。继2013年和2014年两度在《免疫学杂志》，2015年在《生命杂志》（eLife），2015年在《自然通讯》（Nature Communications）和2016年在《美国科学院院刊》（PNAS）发表相关研究研究后，这一新成果是他对该领域的又一重要贡献。该研究由国家自然科学基金委、科技部、青年千人计划、清华大学免疫学研究所、清华-北大生命科学联合中心和国家博士后基金提供经费支持。