近年施一公院士组重大研究成果盘点

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施一公，中国科学院院士、结构生物学家、清华大学副校长、教授。这些荣誉和名称，相信很多人已经耳熟能详了。作为小编，也是对这位年年几篇CNS的大牛崇拜的五体投地。那么，今天小编就来带大家，一起回顾下施教授近几年的文章和工作。

  2015年11月5日 《Genes & Development》 IF=10.798

  程序性细胞死亡（细胞凋亡），对于多细胞生物发育和组织动态平衡，是必不可少的。细胞凋亡是由引发剂和效应物caspase的连续激活进行的。效应物caspase的主要功能--比如哺乳动物的caspase-3，是通过对维持生命的蛋白造成众多裂口而杀死细胞。另一方面，引发剂caspase的主要作用，是切割从而激活特异性效应物caspase。在正常的哺乳动物细胞中，Apaf-1作为一个ADP结合的自动抑制单体而存在。为了响应各种形式的内在细胞死亡刺激，CytC从线粒体释放到细胞质中，在那里CytC结合单体Apaf-1，并为齐聚反应做好准备。ADP通过dATP或ATP的替换，可导致显著的构象变化，从而使Apaf-1形成一个有活性的heptameric凋亡体。只有激活的凋亡体才能够促进caspase-9的自动催化激活。在这项研究中，研究人员通过单粒子的低温电子显微镜（cryo-EM），确定了一个完整的哺乳动物凋亡体的原子结构（3.8 ?分辨率）。结构分析连同结构引导的生化表征，揭示了细胞色素c如何通过与WD40重复的特异性相互作用，而解除Apaf-1的自动抑制。与自动抑制的Apaf-1的结构对比，揭示了dATP结合如何触发一系列的构象变化，从而导致凋亡体的形成。总而言之，这些研究结果，阐释了细胞色素c和dATP介导的Apaf-1激活的分子机制。
  2015年8月21日 《Science》 IF=33.611
  第一篇文章报道了通过单颗粒冷冻电子显微技术（冷冻电镜）解析的酵母剪接体近原子分辨率的三维结构，第二篇文章在此结构的基础上进行了详细分析，阐述了剪接体对前体信使RNA执行剪接的基本工作机理。这一研究成果具有极为重大的意义。自上世纪70年代后期RNA剪接的发现以来，科学家们一直在步履维艰地探索其中的分子奥秘，期待早日揭示这个复杂过程的分子机理。施一公院士研究组对剪接体近原子分辨率结构的解析，不仅初步解答了这一基础生命科学领域长期以来备受关注的核心问题，又为进一步揭示与剪接体相关疾病的发病机理提供了结构基础和理论指导。同时，由于剪接体在中心法则中的重要作用，该研究成果可能是诺奖级别的（因为在中心法则三步走，转录和翻译的作用元件的解析，都已经先后获得了诺贝尔奖，而剪接体相对于前两者，难度更大，对于高等生物作用更加重要，因此意义更加非凡）。
  2015年8月18日 《Nature》 IF=41.456
  阿尔茨海默氏症是最为严峻的老年神经退行性疾病之一，但其发病机理尚待揭示。目前研究已知β-淀粉样沉淀是该病的标志性症状之一。而β-淀粉样沉淀的产生是APP蛋白经过一系列蛋白酶切割产生的短肽聚集而来。在此切割过程中，最关键的蛋白酶是γ-分泌酶。γ-分泌酶由四个跨膜蛋白亚基组成，其中，编码Presenilin（PS1）蛋白的基因中有200多个突变与阿尔茨海默氏症病人相关。γ-分泌酶在阿尔茨海默氏症的发病中扮演着重要角色。研究人员通过收集更多的数据、大量的计算并升级分类方法，计算构建出3.4埃原子分辨率γ-分泌酶的三维结构，可以观察到绝大部分氨基酸的侧链以及胞外区部分糖基化修饰和结合的脂类分子。在高分辨结构的基础上，施一公研究组对PS1上的致病性突变体进行了研究，发现这些突变主要集中在两个较为集中的区域内。他们对于其中一些突变体进行了生化性质的研究，发现这些突变会影响γ-分泌酶对于底物APP的酶切活性，然而对切割活性的影响却有所不同。该研究首次在世界上展示了γ-分泌酶的原子分辨率结构，对于更进一步了解阿尔茨海默氏症的发病机理具有极为重大的意义，也为开发潜在的高效治疗药物提供了重要的分子基础。
  2014年12月5日 《Nature》 IF=41.456
  Ryanodine受体（RyR）是细胞内一种高度导电的钙离子通道，在肌肉的兴奋-收缩偶联中起到了关键性的作用。哺乳动物共有三种RyR（RyR1、RyR2和RyR3），这三种RyR共享70%的序列。其中RyR1和RyR2主要在骨骼肌和心肌表达，而RyR3是在大脑中发现的。RyR是已知最大的例子通道，这个同源四聚体的每个原体(protomer)含有差不多五千个残基。RyR主要分为细胞质区域和跨膜区域，四个相同的跨膜片段围出了核心通道，而细胞质区域负责感知多种配体，包括离子和蛋白（钙离子是RyR的主要调节子）。在此基础上，RyR可以应答不同刺激的复杂调控。研究人员鉴定了三个新结构域（central、handle和helical结构域），这些结构域和氨基末端结构域为配体结合和构象改变奠定了基础。研究显示，RyR1的通道区域表现出了电压门控离子通道超家族的明显特征。文章指出，通道区域和细胞质区域的分辨率达到了近原子水平，足以从头建立原子模型。这项研究有助于人们进一步理解RyR的结构、功能及其通道活性的别构调节。
  2014年8月18日 《PNAS》 IF=9.674
  诸如大肠杆菌、沙门氏菌和鼠疫杆菌一类的肠致病菌，都是依赖于复杂的耐酸性系统（acid-resistance systems, ARs）在胃极端酸性的环境中生存。在三种已知的ARs中，AR2和AR3的分子机制得到了更深入地解析。在大肠杆菌中，AR2和AR3各自利用两个分子元件：一个嵌入膜中的氨基酸反向转运蛋白（antiporter）和一个胞质脱羧酶来排出细胞内的质子。AR3包含有一个氨基酸反向转运蛋白AdiC ，负责胞外L-精氨酸(Arg)与胞内胍基丁胺(Agm)的交换。一个精氨酸脱羧酶AdiA，通过移除Argα-羧酸基团上的一个二氧化碳分子将Arg转换为Agm。与AR3相似，AR2包含有一个反向转运蛋白GadC，负责细胞外L-谷氨酸(Glu)与细胞内γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid ，GABA)的交换。两个Glu脱羧酶GadA和GadB将Glu转变为GABA。AR2或AR3每一次转运和脱羧循环都可以将细胞质中的一个质子排出至细胞外环境中，由此提高细胞内pH，促进细菌在酸性环境下存活。氨基酸反向转运蛋白AdiC或GadC的转运活性都严格地依赖于pH值。两种转运蛋白都只在pH值6.0或以下时显示强大的转运活性。在中性或更高的pH值下，AdiC或GadC均没有显著的转运活性。尽管当前研究人员已获得了一些关于AdiC的结构信息，对于AdiC感知酸性pH的分子机制却仍不完全清楚。在这篇文章中，研究人员借助于丙氨酸扫描诱变(alanine-scanning mutagenesis)和体外基于蛋白脂质体的转运分析技术，确定了Tyr74是AdiC中一个至关重要的pH感应器。他们证实AdiC变异体体Y74A在所有检测的pH值上均显示强大的转运活性，并维持了对Arg:Agm严格的底物特异性。用苯丙氨酸（Phe）而非其他的氨基酸来替代Tyr74，可以维持pH依赖性的底物转运。结合这些观测结果与结构信心，研究人员确定了pH诱导AdiC激活的运作模型：质子之间的阳离子-π相互作用以及Tyr74的芳香族侧链打破了AdiC封闭的构象，使得AdiC能够感知pH值。鉴别出这一pH感应器以及pH感应机制将推动理解细菌的pH依赖性耐酸机制。
  2013年1月22日 《Cell Res》 IF=12.413
  食物传播性细菌对于全球健康构成威胁。1982年，大肠杆菌菌株O157:H7就引发了全球大流行。2011年，大肠杆菌菌株O104:H4导致了欧洲疫情爆发，造成18人死亡，每500人中有一人染病。为了能够通过pH值约为2的胃，以及在其他酸性环境中存活，大肠杆菌形成了精密的耐酸性系统(ARs)。在三种已知的ARs中，AR1的功能机制仍然不清楚。相比之下，AR2和AR3的分子机制得到了更深入地解析。AR2包含有一个氨基酸反向转运蛋白GadC，负责细胞外L-谷氨酸(Glu)与细胞内γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid ，GABA）的交换。两个Glu脱羧酶GadA和GadB将Glu转变为GABA。与AR2相似，AR3也具有两个组件：反向转运蛋白AdiC和精氨酸脱酸酶AdiA。AR2或AR3一次完整的循环可将细胞质中的质子排出至细胞外环境中，由此提高细胞内pH，促进细菌在酸性环境下存活。全面了解细菌AR对于有效的临床预防及治疗均有重要的意义。因为所有的食物传播性致病菌都必须通过极酸性胃，了解细菌在pH值为2-3的环境下的生存机制极其重要。当前，研究人员对于这些机制的了解还远远不够。在这项研究中，研究人员鉴别了一个新型大肠杆菌耐酸性系统，证实其依赖于谷氨酰胺酶YbaS和氨基酸反向转运蛋白GadC。这种YbaS和GadC可被酸性pH激活，且只在pH值小于等于6.0时才能适当发挥功能。通过吸收L-谷氨酰胺(Gln)，大肠杆菌利用YbaS将之转化为L-谷氨酸(Glu)，伴随释放气态氨。游离氨中和质子，导致酸性环境下细胞内pH增高。GadC则负责细胞外Gln 与细胞内Glu 交换。通过这一耐酸系统，确保了大肠杆菌在极酸性环境下生存。新研究对于了解细菌的生理学具有重要的意义，且为开发针对肠道致病菌的抗生素提供了新认识。
  Ps：近三年来，我们可以看到，施一公院士发表了很多高质量的文章，包括很多片CNS，甚至有几篇都是当期的封面文章。一方面，我们可以看到中国科研水平的逐步上升（不论是从个别突出的科学家，还是整体），另一方面，我们也需要看到自己的不足。具体而言，对于施一公院士来说，近三年，特别是今年的文章，让人目不暇接，叹为观止。在这其中，可以想象其所在团队近些年所付出的努力，同时近些年国际上兴起的生物结构学热潮，也是大家对分子结构解析的关注达到了顶峰。但是冷静思考一下，解析结构之后呢？无论是基础研究，还是转化医学，最终我们需要了解和应用的是其功能，而在有施一公院士带头下，国内结构科学的蓬勃发展，许许多多的科学家，是否也应该抓紧这个机遇，将已经解析的结构，进一步明确化作用和功能。而在往这方面努力的过程中，不知道我们还能不能出现一个像施一公院士一样的领头人？或许未来的几年，时间会给我们答案。