8月10日，《科學(xué)》雜志在線刊發(fā)施一公團隊研究成果，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)，分辨率達到3.6 （埃，相當(dāng)于10-10米）。

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

15年后，該蛋白家族的精細結(jié)構(gòu)終于解出，完成“忘年問答”。識得該蛋白家族的“廬山真面目”難在多囊蛋白1擁有4302個氨基酸，包含11次跨膜螺旋，是一個超復(fù)雜的蛋白；同時多囊蛋白1與多囊蛋白2還會復(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報記者，“上鏡”前的準備工作耗時5年。

對于結(jié)構(gòu)生物學(xué)家來說，測試蛋白經(jīng)常在量上“捉襟見肘”。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。研究團隊通過已知的基因序列將基因在原核生物中（例如大腸桿菌）進行克隆，獲得大量基因拷貝后，通過病毒侵染的方法轉(zhuǎn)入到常用的工具細胞中進行表達，富集目標(biāo)蛋白質(zhì)。

為了讓外來基因在“新環(huán)境”中表達，研究組進行大量重復(fù)性工作，為目標(biāo)基因（PKD1和PKD2）尋找最優(yōu)的表達系統(tǒng)。“如通過基因編碼的優(yōu)化，可提高蛋白的表達量，從而拿到體外重組蛋白質(zhì)。”王廷亮說。

此時，目標(biāo)蛋白仍舊在細胞中，下一步是將目標(biāo)蛋白從復(fù)雜的細胞中“釣”出來。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“不錯殺一個、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?！?0升的細胞只能提取出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?！蓖跬⒘琳f。

螞蟻搬家，“反推”出高精度三維結(jié)構(gòu)

冷凍電鏡通過發(fā)射電子、并測定電子通過蛋白質(zhì)分子后軌跡變化的方式，達到蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)A級精度地呈現(xiàn)。其每次掃描的視域非常狹小。因此，蛋白“上鏡”后，需要長時間運轉(zhuǎn)和巨量信息處理。對于超大結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)來說，研究者將收集到倍數(shù)增加的大量數(shù)據(jù)，再通過計算進行結(jié)構(gòu)的再現(xiàn)。

整個蛋白質(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)對圖片數(shù)據(jù)進行計算和重構(gòu)，并通過可視化系統(tǒng)形成蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的示意圖。

通過冷凍電鏡掃描，施一公團隊獲得了多囊蛋白1和多囊蛋白2形成的獨特一比三復(fù)合物結(jié)構(gòu)，并對該結(jié)構(gòu)和生化數(shù)據(jù)進行了進一步分析。

“面目”清晰，提出多囊腎發(fā)病機制新觀點

蛋白復(fù)合物的清晰面目為假說給出了“鐵證”或“反證”。研究團隊發(fā)現(xiàn)了與當(dāng)下主流學(xué)術(shù)觀點相悖的多個現(xiàn)象。論文第一作者宿強解釋，“多囊腎研究領(lǐng)域內(nèi)對這兩個蛋白是否形成鈣離子通道一直存有爭議，解析結(jié)構(gòu)不支持復(fù)合物為鈣離子通道的假說。”

該復(fù)合物結(jié)構(gòu)也刷新了結(jié)構(gòu)生物學(xué)家對電壓門控離子通道類似折疊“長相”的認識。之前報道的大多數(shù)離子通道類似折疊結(jié)構(gòu)或者是同源四聚體，或者是單鏈的假四次對稱體，這個卻是兩個蛋白組成的一比三的復(fù)合物。

“有意思的是，其中一個蛋白自己單獨也能形成四聚體。這種獨特的結(jié)構(gòu)意味著不同的工作機理和調(diào)控方式，豐富了結(jié)構(gòu)生物學(xué)家對電壓門控離子通道類似折疊蛋白組裝的理解。”宿強說。

15年前“出題”的論文中猜測多囊蛋白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，給多囊腎病的機制研究帶來有益的參考。（記者 張佳星）