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專業名詞背後有故事 生命科學十大進展其實不難懂

http://dailynews.sina.com   2020年01月14日 09:50   中國新聞網

  專業名詞背後有故事 生命科學十大進展其實不難懂

  1月10日,中國科協評選出2019年度“中國生命科學十大進展”,發表於頂級期刊併產生廣泛影響的科學發現入選。一如既往地,讀着諸如“破解硅藻光合膜蛋白超分子結構”“單鹼基基因編輯造成大量脫靶效應及其優化解決方法”等滿是專業名稱的專業用詞,很多人表示“很難懂”。但它們經過專家講解,中小學生們也能聽得津津有味。

  爲了便於理解,科技日報記者梳理了其中有特色的幾個,講述其蘊含的生命故事,打破生命科學重大進展難理解的形象。

  最陽光通透:硅藻“吃光機”結構被看清

  除了陸生植物,水下的藻類也能進行光合作用,“吃掉”陽光,轉變出有機物和氧氣。其中最“成功”的浮游光合生物當屬海洋中的硅藻了。

  當選十大的“破解硅藻光合膜蛋白超分子結構和功能之謎”正是解答了什麼精巧的結構,讓硅藻能夠“埋頭”在水裏還能進行光合作用。

  中國科學院植物研究所沈建仁、匡廷雲研究團隊在國際上首次解析了硅藻捕光天線膜蛋白,這“團”蛋白不僅能高效捕獲藍綠光、高效傳遞和轉化光能,還能夠起到光保護的作用。

  首先要說明這是一“團”蛋白,就好像工廠機器,是有組合和流水線的。因此很多人形象地稱生物體裏承擔某一生命互動功能地蛋白爲“蛋白工廠”,而學術上稱爲“蛋白複合體”,因爲複合體的組成很像樂高拼插,只不過零件是單個蛋白。

  此次解析是超高精度的解析,類似於用一個幾百萬倍的放大鏡把硅藻上的“吃光機”零部件一個齒輪一個齒輪地看清楚。

  “把蛋白質複合物提出來以後,我們用冷凍電鏡瞭解它的結構,它的結構非常複雜,包括70個蛋白質。”沈建仁說。這70個蛋白質“零件”卻與樂高零件完全不同,它不是規則的,而是枝枝杈杈的,電子雲團互相作用,互相協同,完成了吸收光能把水分解成氧氣、轉移電子、釋放能量等一系列任務。

  但要看清原子、電子之間的作用,冷凍電鏡只能看到個模糊的輪廓,就好像從千米高空俯視羣島輪廓,要看到有哪些港口、怎麼吞吐運送“貨物”(電子)還需要更高的精度。團隊隨後用蛋白結晶衍射法將蛋白質複合物的結構精度做到了1.8埃(10-10米)的高分辨率,原子直徑的數量級大約是1埃,在這個精度上每個原子清晰可見。

  爲什麼要對一個硅藻細胞膜上的蛋白質“團”大費周章呢?中國科學院院士匡廷雲給出答案:“光合作用是地球上最大規模的利用光能、化學能把二氧化碳和水變成有機物儲存在體內的生命活動。海洋生態系統的低等植物每年通過光合作用合成的幹物質是2200億噸,人類每年的耗能僅僅佔這一總量的1/10。硅藻的光合作用貢獻了地球上每年約20%的原初生產力。它們之所以能起這麼大的作用,主要跟硅藻光合膜蛋白的結構與功能密切相關。”

  據介紹,解析的巖藻黃素已經用在減肥藥品中,並在推進臨牀試驗。未來,這些看似遙遠的蛋白,究竟能在顯示生活中起到哪些作用,在人類體內又有哪些功效,期待更多的研究和驗證。

  最親近自然:那頭麋鹿有一雙抗癌的角

  提到鹿,人們總會想起它亭亭玉立,豎耳靜聽,一雙通靈般的眼睛警覺地望向前方,鹿角蜿蜒挺立頭頂。

  這幅靜美的圖畫裏,其實是旺盛而獨特的生命活動——

  “鹿科動物有一個特徵,它是癌症發生率最低的動物,但它角上的細胞卻具有比癌細胞還旺盛的繁殖能力,是唯一能夠完全再生的哺乳動物器官。”西北工業大學教授王文說,這個奇特現象背後的奧祕將和人類的健康息息相關。

  “我們進行的研究通過大尺度跨反芻動物的全部6個科、覆蓋大部分屬種的組學大數據分析,結合功能驗證,揭示了其中的奧祕。”王文說,“結果對於我們理解反芻動物的演化歷史,再生醫學、腫瘤生物學、睡眠紊亂和骨質疏鬆症等醫學研究,以及培育新品種家畜都有重要意義。”

  “鹿角每天可以長1—2釐米,幾個月時間就可長成一個10公斤的大傢伙,比任何腫瘤長得都快。”王文說,通過組學的研究,他們發現鹿角細胞激活了大量的癌症基因,從而促進了自身的生長。

  癌症基因被激活了,卻僅僅被“截留”在鹿角部位,不會擴散也不會引起其他癌症症狀,這又是爲什麼呢?通過組學大數據的分析,研究第一次把鹿科動物低癌的現象和很強的再生能力聯繫起來。大量的抑癌基因,如p53通路的基因受到了強烈的自然選擇,可能與鹿科動物癌症發生率很低有關。這表明,鹿角再生能力和鹿的抗癌能力源於同一通路調控,瞭解這一機制,將會爲再生醫學和癌症研究帶來新的思路。

  聖誕老人的座駕馴鹿,生活在北極,那裏晝夜不規律也沒有陽光。“這和當代一些‘年輕宅’們的生活環境有着很高的相似度,可它們爲什麼沒有精神壓力方面的問題,也沒有維生素D缺乏引起的骨發育問題呢?”王文說,大尺度組學對比研究發現,馴鹿與晝夜節律相關的基因發生了突變,控制維生素D代謝的基因在自然選擇作用下,兩個關鍵酶活性遠高於其它動物,因此保障了其在低光照條件下依然能夠高效進行鈣代謝,促進鹿角的生長。

  最具攻擊力:擊破結核桿菌緻密胞壁

  一種曾經上市銷售的減肥藥被發現是結核桿菌的“毒藥”——

  “利莫那班(該減肥藥名稱)原來是針對人源大麻素受體CB1的拮抗劑,起到減肥作用,很難想象靶向人類蛋白受體的藥物也可以殺死結核桿菌。”上海科技大學免疫化學研究所副研究員張兵說。

  那麼結核桿菌上什麼樣的“命門”被抓住了呢?膜蛋白“MmpL3”負責把細菌在細胞內合成的分枝菌酸前體轉運到細胞膜外,扮演着“傳送機”的角色,而這臺傳送機的動力來源於從膜外向膜內流動的質子流。

  由上海科技大學免疫化學研究所特聘教授饒子和院士率領的科研團隊首次成功解析了這一關鍵蛋白MmpL3以及“藥靶─藥物”複合物的三維空間結構,揭示了創新藥物殺死細菌的全新分子機制。他們還解析了利莫那班與MmpL3蛋白複合物的三維結構,從而證實了利莫那班會神奇地堵住MmpL3的質子內流通道,這種“封堵”與已知的結合模式大相徑庭。

  全世界目前有約1/4的人口被結核桿菌感染,由於艾滋病與結核病的交叉感染以及藥物的不合理使用,已經產生了嚴重的耐藥結核病,針對結核桿菌的新藥靶點的發現以及新藥研發迫在眉睫。新機制的發現爲新型抗生素的研發、解決全球日趨嚴重的抗生素耐藥問題開闢了一條全新途徑。

  研究發現,抑制劑小分子都靶向MmpL3蛋白的跨膜區,直接“封閉”該蛋白的質子內流通道,破壞MmpL3工作時的能量供給,造成這臺傳送機“癱瘓”。爲了設計更有效的抑制劑,研究團隊還利用計算機“虛擬篩選”技術,對成藥庫的藥物分子進行了篩選。這才發現減肥藥也是結核桿菌的“毒藥”。

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