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Cell杂志同日刊登3篇中国学者论文,生命科学或迎来快速发展时代

 
导语:
 
Cell杂志是中国科学家较晚“攻克”的顶尖期刊。当然这可能是一种比喻的说法,但在发展中却是一个事实。1974年,Cell杂志创刊,正值分子生物学起飞的年代,而那时的中国科学还在寒冬期,因为分子生物学诞生的1953年到基因工程技术诞生的1973年,中国科学界几乎处于一个与世隔绝的环境,生物学的落后,相比于数学、物理、化学还要多。1980年,中国科学院微生物研究所发表了第一篇中国的Cell论文,而第二篇要等25年后的2005年,作者是以饶毅领衔的中国科学院和北京生命科学研究所的研究人员。那一年,中国共有三篇Cell文章,但并未出现稳定增长的局面。今年中国在Cell杂志论文发表的数量突飞猛进(截至9月,已有10余篇文章),未来这一趋势似乎还会延续下去。
 
整理 | 叶水送
责编 | 陈晓雪
 
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8月24日,Cell杂志同时刊登中国学者的三篇论文,离上次中国学者同一期发4篇文章不足一个月。在如此短暂的时间里,中国学者涌现出如此众多而又重要的科学发现,着实令人振奋。仅在生命科学领域,国内几乎每周都有一篇CNS(国际学术期刊Cell,Nature 和Science的简称)的文章出现。
 
中国生命科学的基础研究,正迎来快速发展的时代。一位业内人士表示,“这是一个好现象。中国现在在基础研究方面开始下本钱。日本那么多的诺奖,也是源自他们20多年前的国家布局。”
 
哈佛大学医学院教授施扬也曾表示,中国的生命科学发展突飞猛进,一开始只有几个点,现在已经开始铺开,在一些领域做出相当新颖的工作。这得益于在过去的5~10年间,中国经济快速发展,以及对科学的持续投入和人才的积累。
 
此次发表在Cell的三篇文章分别为: 清华大学杨茂君研究组发表有关“人源线粒体呼吸链超-超级复合物I2III2IV2的结构”、中科院生物物理研究所范祖森和王硕研究员共同发表有关“先天淋巴细胞调控先天性肠道炎症”研究,以及美国德克萨斯西南医学中心(UTSW)的徐剑教授和复旦大学生物医学研究院(IBS)周峰教授共同发表的有关“通过生物素化的dCas9蛋白原位捕捉染色质间的相互作用”。
 
一、解析超-超级复合物整体结构
在最新的这项研究中,杨茂君研究组成功地解析了人源呼吸链蛋白质复合物最高级的组织形式——超-超级复合物(MCI2III2IV2)中高分辨率三维结构,以及超级复合物(SCI1III2IV1)的原子分辨率结构,并第一次直接证明了高于呼吸体的呼吸链超-超级蛋白复合物的组织形式的存在,他们推论在线粒体呼吸链中四个电子传递链蛋白将组合成一个更大的超-超级复合物I2II2III2IV2来更高效的发挥功能。
 
值得一提的是,杨茂君依据结构信息提出了全新的线粒体呼吸链之间电子传递与质子转运的模型。该模型与目前占统治地位的、1975年由诺贝尔奖获得者彼得·米切尔(Peter Mitchell)提出的Q-循环(Q-Cycle)理论完全不同。
 
该项研究的审稿专家表示,这项研究为“理解线粒体呼吸链的结构和功能构成向前迈出的重要一步。”
 
杨茂君并未停止对这一领域的探索,他曾表示,“呼吸是最基本的生命活动,最为平常但却十分神秘。针对呼吸作用的结构生物学研究我们目前已经走在了世界前列,但是还有许多重要的细节仍在等待科学家们未来通过共同努力完成。”
 
二、发现ILCregs细胞及调控机制
 
天然淋巴细胞(ILCs)在炎症发生和调节中起着至关重要的作用,然而研究者目前并不清楚其在先天性肠道炎症中扮演怎样的角色。在这项研究中,中科院感染与免疫重点实验室副主任范祖森与生物物理研究所青年研究员王硕鉴定了一组天然淋巴细胞调节细胞(ILCregs),并发现了与天然淋巴细胞截然不同的表达调控基因。
具体的分子机理如下:在肠道炎症期间,ILCregs细胞能够通过分泌白介素-10(IL-10)抑制天然淋巴细胞ILC1s和ILC3s,从而对肠道进行保护。
 
除此之外,在先天性肠道炎症过程中,ILCregs细胞还可释放转化生长因子β1(TGF-β1),从而保持以及促进ILCregs细胞的表达,维持其功能。
 
三、开发基因组非编码序列的技术
 
由德克萨斯西南医学中心徐剑领导的这项研究,主要是一个技术上的突破,研究者设计出了一种可在原位进行捕获的捕捉染色质间相互作用的方法CAPTURE( CRISPR Affinity Purification in situ of Regulatory Elements),从而可以分析基因组的三维结构以及染色质的调控机制。
 
“这个项目大概做了3-4年。通过失活的dCas9,再设计特异性的sgRNA,从而靶向目标区域,对DNA非编码区域的蛋白、RNA以及基因组的三维结构进行研究,”徐剑表示,“我们主要是做技术以及生物学分析,复旦大学周峰教授主要做质谱仪的构建,以及蛋白分析等方面。我们正好可以做到互补,通过高灵敏度的质谱仪,我们可以开发更多的东西。”
 
这篇文章主要对几个顺式元件(CREs)进行分析,这些调控元件通常认为与疾病有关,研究者发现其与现有的染色质免疫共沉淀(CHIP)技术是一个很好的互补,基于dCas9的CAPTURE技术能够从更为微观的角度,发现基因组的结构以及序列变化对表达调控的影响。
 
在这项研究中,研究者不仅做了有关血液疾病方面的调控元件分析,同时还将干细胞分化作为一个研究模型,“有些表达序列是干细胞特有的,分化之后就没有了。我们通过这个技术,去发现这个转录元件为何在干细胞中表达,而在普通细胞中不表达。”徐剑表示。
 
在接受《知识分子》访谈时,徐剑还表示,“下一步的主要工作,有好几个方向,一是不断地优化这个方法,继续增加其灵敏度和通量,二是把它运用到几个疾病的模型中去,如肿瘤等疾病。”
 
相关文章
1.Guo RY, et al. Architecture of Human Mitochondrial Respiratory Megacomplex I2III2IV2. 2017.Cell. doi: 10.1016/j.cell.2017.07.050.
2.Wang S et al. Regulatory Innate Lymphoid Cells Control Innate Intestinal Inflammation. 2017. doi:10.1016/j.cell.2017.07.02.
3.Liu X, et al. In Situ Capture of Chromatin Interactions by Biotinylated dCas9. 2017. Cell. dio: 10.1016/j.cell.2017.08.003.
 
延伸阅读:
 
杨茂君在Cell杂志发表线粒体呼吸链领域重要成果        
 
2017年8月24日,清华大学生命科学学院杨茂君研究组在国际顶级期刊Cell杂志在线发表“人源线粒体呼吸链超-超级复合物I2III2IV2的结构”,成功地解析了人源呼吸链蛋白质复合物最高级的组织形式——超-超级复合物(MCI2III2IV2)中高分辨率三维结构,以及超级复合物(SCI1III2IV1)的原子分辨率结构。
 
这是继2016年9月和12月,杨茂君研究组分别在Nature杂志和Cell杂志发表研究长文,详细阐释了猪源呼吸链超级复合物I1III2IV1(呼吸体)的原子分辨率三维结构之后的又一项重大突破。
 
呼吸作用是生物体内最基础的能量代谢活动之一,是由位于线粒体内膜上的五种呼吸链蛋白复合物分步完成的。其中复合物I(NADH脱氢酶)、复合物II(琥珀酸脱氢酶)、复合物III(细胞色素c还原酶)和复合物IV(细胞色素c氧化酶)为呼吸链上的电子传递链系统,它们的主要功能是将NADH分子上所携带的高能电子通过其电子传递链传递到氧气分子上,同时驱动该复合物把基质中的质子转运到膜间隙中,为复合物V合成ATP提供能量。
 
100多年来,对线粒体呼吸链的研究一直都是国际生命科学领域的热点之一。彼得·米切尔曾因提出线粒体呼吸链的化学渗透假说而获得了1978年诺贝尔化学奖;1997年英国著名结构生物学家约翰·沃克(John Walker)因对线粒体复合物V(ATP合成酶)的结构生物学研究而获得诺贝尔化学奖。
 
在人类对线粒体能量产生机制的100多年的研究中,每一个单独的呼吸链复合物都对应着多个理论来描述它们传递电子以及转运质子的分子机制。由于缺少整体的结构信息,各呼吸链复合物之间是如何协同作用的并不清楚。越来越多的证据显示,这些复合物能够聚合形成多层次的呼吸链超级复合物乃至超超级复合物,获得更高的稳定性和更高的能量转换效率。
 
杨茂君研究组长期致力于线粒体呼吸链蛋白的结构与功能研究,此前曾于2012年在Nature杂志报道了II-型线粒体呼吸链复合物I(NDH2)的结构,揭示了其调控及电子传递机制,为设计针对NDH2为靶点的药物奠定了良好的基础4。2017年,研究组发现了NDH2的详细电子传递机制,同时开发了以疟原虫NDH2为靶标的针对耐药性疟原虫的新型抗疟疾药物前体分子,为开发新的治疗疟疾的药物打下了良好的基础。
 
2016年,杨茂君研究组终于攻克了哺乳动物线粒体呼吸链超级复合物的原子分辨率结构这一国际性难题。该复合物是由一个复合物I,两个复合物III和一个复合物IV构成。是包括44个膜蛋白在内的81个蛋白亚基(69种不同蛋白分子)所构成的超大分子机器。该系列研究揭示了复合物I各亚基之间细致的相互作用,鉴定出了各复合物蛋白亚基之间及复合物之间的结合方式,发现了磷脂分子在呼吸体结构中发挥的重要作用。
 
值得一提的是,杨茂君依据结构信息提出了全新的线粒体呼吸链之间电子传递与质子转运的模型。该模型与目前占统治地位的、1975年由诺贝尔奖获得者米切尔提出的Q-循环(Q-Cycle)理论完全不同。
 
在此次发表的论文中,研究组首次从体外培养的人源细胞中分离、纯化出高纯度的呼吸链蛋白复合物,解析了呼吸链超级和超-超级复合物的三维结构,从而第一次直接证明了高于呼吸体的呼吸链超-超级蛋白复合物的组织形式的存在。该研究是100多年以来人类针对线粒体呼吸链蛋白研究中在世界范围内首次获得的人源蛋白质复合物结构。 
 
在该论文中,杨茂君研究组首次阐述了人源线粒体复合物I(3.4-3.7Å),复合物III(3.4 Å),复合物IV(5.2 Å),超级复合物I1III2IV1(3.9 Å)和超-超级复合物I2III2IV2(17.4 Å)的结构。
 
此外,文章中重点报道了呼吸链超-超级复合物I2III2IV2近乎中心对称的环形结构。该结构由70种不同的蛋白亚基构成一个由140个蛋白亚基组成的环状二聚体,其中包含238条跨膜螺旋及120多个各种辅助分子。
 
有趣的是,在二聚的复合物III线粒体膜间隙一侧观测到了两个处于结合状态的细胞色素c蛋白亚基,该结构细节有力地证明了环形结构中心的两个复合物III的单体都是有活性的,否定了之前其他研究组提出的复合物III半失活理论。此结果进一步支持了杨茂君教授之前提出的全新的电子传递模型,而非长久以来占领学界的Q循环(Q-Cycle)模型。
 
此外,通过计算机模拟的方法,首次将复合物II的结构嵌入进呼吸链超级复合物的模型之中,由此可以推论在线粒体呼吸链中四个电子传递链蛋白将组合成一个更大的超-超级复合物I2II2III2IV2来更高效的发挥功能,从而将全部四个呼吸链电子传递链复合物在结构水平统一到了一起,巧妙地预测了呼吸链复合物全新的完整聚合形式,为之后的研究提供了一条新的思路。
 
线粒体几乎为机体所有细胞提供能量,人类线粒体呼吸链系统异常会导致如阿兹海默综合症、帕金森综合症、多发性硬化、少年脊髓型共济失调以及肌萎缩性脊髓侧索硬化症等多种疾病。由于人源线粒体呼吸链蛋白复合物的纯化条件极为苛刻、难度系数大,所以针对这些蛋白的药物筛选一直都很难开展。杨茂君研究组建立的一系列蛋白纯化方法和技术为今后的药物研发打下了良好的基础。其结构的解析不仅阐明了这些蛋白的作用方式及反应机理,也为人类攻克线粒体呼吸链系统异常所导致的疾病提供了一个良好的开端。
 
针对这篇文章,审稿人指出,“这一由140个亚基构成的环形结构令人印象深刻,为线粒体呼吸链复合物的组成形式提供了史无前例的视点,是理解线粒体呼吸链的结构和功能构成中向前迈出的重要一步。”
 
研究组今后将继续针对线粒体呼吸链进行更加深入的研究,希望获得处于不同反应中间态的呼吸链复合物群的更高分辨率的三维结构,并将致力于研发治疗线粒体异常疾病的新型靶向药物。
 
“生死只在呼吸之间”,杨茂君曾多次在公开演讲中提到,“呼吸是最基本的生命活动,最为平常但却十分神秘。针对呼吸作用的结构生物学研究我们目前已经走在了世界前列,但是还有许多重要的细节仍在等待科学家们未来通过共同的努力完成。希望我们以后的研究能为人类对呼吸这一生命基本现象的认知,做出更大的贡献。”
 
参考文献
1.Guo, R., Zong, S., Wu, M., Gu, J. & Yang, M. Architecture of Human Mitochondrial Respiratory Megacomplex I2III2IV2. Cell (2017).
2.Gu, J. et al. The architecture of the mammalian respirasome. Nature 537, 639-643, doi:10.1038/nature19359 (2016).
3.Wu, M., Gu, J., Guo, R., Huang, Y. & Yang, M. Structure of Mammalian Respiratory Supercomplex I1III2IV1. Cell 167, 1598-1609 e1510, doi:10.1016/j.cell.2016.11.012 (2016).
4.Feng, Y. et al. Structural insight into the type-II mitochondrial NADH dehydrogenases. Nature 491, 478-482, doi:10.1038/nature11541 (2012).
5.Wu, K. et al. Temperature-dependent ESR and computational studies on antiferromagnetic electron transfer in the yeast NADH dehydrogenase Ndi1. Phys Chem Chem Phys 19, 4849-4854, doi:10.1039/c6cp08107j (2017).
6.Yang, Y. et al. Target Elucidation by Cocrystal Structures of NADH-Ubiquinone Oxidoreductase of Plasmodium falciparum (PfNDH2) with Small Molecule To Eliminate Drug-Resistant Malaria. J Med Chem 60, 1994-2005, doi:10.1021/acs.jmedchem.6b01733 (2017).
7.Guo, R., Gu, J., Wu, M. & Yang, M. Amazing structure of respirasome: unveiling the secrets of cell respiration. Protein Cell 7, 854-865, doi:10.1007/s13238-016-0329-7 (2016).
 
 
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