8月10日，《科學(xué)》雜志在線刊發(fā)施一公團(tuán)隊(duì)研究成果,，首次解析了人源多囊蛋白1與多囊蛋白2形成的復(fù)合物的結(jié)構(gòu),，分辨率達(dá)到3.6 （埃，相當(dāng)于10-10米）,。

人體內(nèi)多囊蛋白的突變會(huì)引發(fā)多囊腎病,，每千人中大約有1—2.5人患病，算比較常見(jiàn),。2003年一篇題為《常染色體顯性遺傳性多囊腎病研究的熱點(diǎn)問(wèn)題》的論文中顯示,，該病的研究熱點(diǎn)在于致病基因表達(dá)產(chǎn)物，即多囊蛋白1和多囊蛋白2的結(jié)構(gòu)與功能,、亞細(xì)胞定位等,，這樣可闡明多囊腎病的分子發(fā)病機(jī)制，有望實(shí)現(xiàn)臨床徹底治愈,。

15年后,，該蛋白家族的精細(xì)結(jié)構(gòu)終于解出，完成“忘年問(wèn)答”。識(shí)得該蛋白家族的“廬山真面目”難在多囊蛋白1擁有4302個(gè)氨基酸,，包含11次跨膜螺旋,，是一個(gè)超復(fù)雜的蛋白；同時(shí)多囊蛋白1與多囊蛋白2還會(huì)復(fù)合,，增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,。

系統(tǒng)摸索，獲得足夠的測(cè)試用量

“解析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的第一步是獲得足夠量且性質(zhì)均一的蛋白質(zhì),?！?月11日，論文作者之一的王廷亮博士告訴科技日?qǐng)?bào)記者,，“上鏡”前的準(zhǔn)備工作耗時(shí)5年,。

對(duì)于結(jié)構(gòu)生物學(xué)家來(lái)說(shuō)，測(cè)試蛋白經(jīng)常在量上“捉襟見(jiàn)肘”,。蛋白質(zhì)為人源蛋白，很難直接從人體組織中富集提取而出,。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)已知的基因序列將基因在原核生物中（例如大腸桿菌）進(jìn)行克隆,，獲得大量基因拷貝后，通過(guò)病毒侵染的方法轉(zhuǎn)入到常用的工具細(xì)胞中進(jìn)行表達(dá),，富集目標(biāo)蛋白質(zhì),。

為了讓外來(lái)基因在“新環(huán)境”中表達(dá)，研究組進(jìn)行大量重復(fù)性工作,，為目標(biāo)基因（PKD1和PKD2）尋找最優(yōu)的表達(dá)系統(tǒng),。“如通過(guò)基因編碼的優(yōu)化,，可提高蛋白的表達(dá)量,，從而拿到體外重組蛋白質(zhì)?！蓖跬⒘琳f(shuō),。

此時(shí)，目標(biāo)蛋白仍舊在細(xì)胞中,，下一步是將目標(biāo)蛋白從復(fù)雜的細(xì)胞中“釣”出來(lái),。大量的提取條件摸索，如嘗試和篩選了大量的去垢劑,、確定蛋白邊界等,，才能形成“不錯(cuò)殺一個(gè)、不漏網(wǎng)一千”的數(shù)量和質(zhì)量上的平衡,。最終,，課題組獲得了珍貴稀少的目標(biāo)蛋白。“50升的細(xì)胞只能提取出100微克左右蛋白,，只夠完成3—5次‘上鏡’制備,，符合電鏡數(shù)據(jù)收集要求的樣品往往只有1到2個(gè)?！蓖跬⒘琳f(shuō),。

螞蟻搬家，“反推”出高精度三維結(jié)構(gòu)

冷凍電鏡通過(guò)發(fā)射電子,、并測(cè)定電子通過(guò)蛋白質(zhì)分子后軌跡變化的方式,，達(dá)到蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)A級(jí)精度地呈現(xiàn)。其每次掃描的視域非常狹小,。因此,，蛋白“上鏡”后，需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)和巨量信息處理,。對(duì)于超大結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)來(lái)說(shuō),，研究者將收集到倍數(shù)增加的大量數(shù)據(jù)，再通過(guò)計(jì)算進(jìn)行結(jié)構(gòu)的再現(xiàn),。

整個(gè)蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的成型猶如螞蟻搬家,，在獲得大量多角度二維圖片后，由后期的三維重建系統(tǒng)對(duì)圖片數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和重構(gòu),，并通過(guò)可視化系統(tǒng)形成蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的示意圖,。

通過(guò)冷凍電鏡掃描，施一公團(tuán)隊(duì)獲得了多囊蛋白1和多囊蛋白2形成的獨(dú)特一比三復(fù)合物結(jié)構(gòu),，并對(duì)該結(jié)構(gòu)和生化數(shù)據(jù)進(jìn)行了進(jìn)一步分析,。

“面目”清晰，提出多囊腎發(fā)病機(jī)制新觀點(diǎn)

蛋白復(fù)合物的清晰面目為假說(shuō)給出了“鐵證”或“反證”,。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了與當(dāng)下主流學(xué)術(shù)觀點(diǎn)相悖的多個(gè)現(xiàn)象,。論文第一作者宿強(qiáng)解釋?zhuān)岸嗄夷I研究領(lǐng)域內(nèi)對(duì)這兩個(gè)蛋白是否形成鈣離子通道一直存有爭(zhēng)議，解析結(jié)構(gòu)不支持復(fù)合物為鈣離子通道的假說(shuō),?！?/p>

該復(fù)合物結(jié)構(gòu)也刷新了結(jié)構(gòu)生物學(xué)家對(duì)電壓門(mén)控離子通道類(lèi)似折疊“長(zhǎng)相”的認(rèn)識(shí)。之前報(bào)道的大多數(shù)離子通道類(lèi)似折疊結(jié)構(gòu)或者是同源四聚體,，或者是單鏈的假四次對(duì)稱(chēng)體,，這個(gè)卻是兩個(gè)蛋白組成的一比三的復(fù)合物。

“有意思的是,，其中一個(gè)蛋白自己?jiǎn)为?dú)也能形成四聚體,。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)意味著不同的工作機(jī)理和調(diào)控方式，豐富了結(jié)構(gòu)生物學(xué)家對(duì)電壓門(mén)控離子通道類(lèi)似折疊蛋白組裝的理解,?！彼迯?qiáng)說(shuō)。

15年前“出題”的論文中猜測(cè)多囊蛋白1和多囊蛋白2的“協(xié)作”模式有4種，隨著結(jié)構(gòu)的清晰,，這些假設(shè)將很快有明確答案,，給多囊腎病的機(jī)制研究帶來(lái)有益的參考。（記者 張佳星）