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专业名词背后有故事 生命科学十大进展其实不难懂

来源:科技日报2020-01-15 09:18

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  1月10日,中国科协评选出2019年度“中国生命科学十大进展”,发表于顶级期刊并产生广泛影响的科学发现入选。一如既往地,读着诸如“破解硅藻光合膜蛋白超分子结构”“单碱基基因编辑造成大量脱靶效应及其优化解决方法”等满是专业名称的专业用词,很多人表示“很难懂”。但它们经过专家讲解,中小学生们也能听得津津有味。

  “在去年举办的进展交流会暨青少年科普报告会上,很多孩子提出的问题说明动了脑筋,也消化了这些理论,很有思想,让科学家们都很惊诧。”中国科协生命科学学会联合体秘书长王小宁表示,实际上,这些成果不仅是学术上的重大进展,也为我们揭示了很多生命科学的奥秘,理解它们并不难。

  为了便于理解,科技日报记者梳理了其中有特色的几个,讲述其蕴含的生命故事,打破生命科学重大进展难理解的形象。

  最阳光通透:硅藻“吃光机”结构被看清

  除了陆生植物,水下的藻类也能进行光合作用,“吃掉”阳光,转变出有机物和氧气。其中最“成功”的浮游光合生物当属海洋中的硅藻了。

  当选十大的“破解硅藻光合膜蛋白超分子结构和功能之谜”正是解答了什么精巧的结构,让硅藻能够“埋头”在水里还能进行光合作用。

  中国科学院植物研究所沈建仁、匡廷云研究团队在国际上首次解析了硅藻捕光天线膜蛋白,这“团”蛋白不仅能高效捕获蓝绿光、高效传递和转化光能,还能够起到光保护的作用。

  首先要说明这是一“团”蛋白,就好像工厂机器,是有组合和流水线的。因此很多人形象地称生物体里承担某一生命互动功能地蛋白为“蛋白工厂”,而学术上称为“蛋白复合体”,因为复合体的组成很像乐高拼插,只不过零件是单个蛋白。

  此次解析是超高精度的解析,类似于用一个几百万倍的放大镜把硅藻上的“吃光机”零部件一个齿轮一个齿轮地看清楚。

  “把蛋白质复合物提出来以后,我们用冷冻电镜了解它的结构,它的结构非常复杂,包括70个蛋白质。”沈建仁说。这70个蛋白质“零件”却与乐高零件完全不同,它不是规则的,而是枝枝杈杈的,电子云团互相作用,互相协同,完成了吸收光能把水分解成氧气、转移电子、释放能量等一系列任务。

  但要看清原子、电子之间的作用,冷冻电镜只能看到个模糊的轮廓,就好像从千米高空俯视群岛轮廓,要看到有哪些港口、怎么吞吐运送“货物”(电子)还需要更高的精度。团队随后用蛋白结晶衍射法将蛋白质复合物的结构精度做到了1.8埃(10-10米)的高分辨率,原子直径的数量级大约是1埃,在这个精度上每个原子清晰可见。

  为什么要对一个硅藻细胞膜上的蛋白质“团”大费周章呢?中国科学院院士匡廷云给出答案:“光合作用是地球上最大规模的利用光能、化学能把二氧化碳和水变成有机物储存在体内的生命活动。海洋生态系统的低等植物每年通过光合作用合成的干物质是2200亿吨,人类每年的耗能仅仅占这一总量的1/10。硅藻的光合作用贡献了地球上每年约20%的原初生产力。它们之所以能起这么大的作用,主要跟硅藻光合膜蛋白的结构与功能密切相关。”

  据介绍,解析的岩藻黄素已经用在减肥药品中,并在推进临床试验。未来,这些看似遥远的蛋白,究竟能在显示生活中起到哪些作用,在人类体内又有哪些功效,期待更多的研究和验证。

  最亲近自然:那头麋鹿有一双抗癌的角

  提到鹿,人们总会想起它亭亭玉立,竖耳静听,一双通灵般的眼睛警觉地望向前方,鹿角蜿蜒挺立头顶。

  这幅静美的图画里,其实是旺盛而独特的生命活动——

  “鹿科动物有一个特征,它是癌症发生率最低的动物,但它角上的细胞却具有比癌细胞还旺盛的繁殖能力,是唯一能够完全再生的哺乳动物器官。”西北工业大学教授王文说,这个奇特现象背后的奥秘将和人类的健康息息相关。

  “我们进行的研究通过大尺度跨反刍动物的全部6个科、覆盖大部分属种的组学大数据分析,结合功能验证,揭示了其中的奥秘。”王文说,“结果对于我们理解反刍动物的演化历史,再生医学、肿瘤生物学、睡眠紊乱和骨质疏松症等医学研究,以及培育新品种家畜都有重要意义。”

  “鹿角每天可以长1—2厘米,几个月时间就可长成一个10公斤的大家伙,比任何肿瘤长得都快。”王文说,通过组学的研究,他们发现鹿角细胞激活了大量的癌症基因,从而促进了自身的生长。

  癌症基因被激活了,却仅仅被“截留”在鹿角部位,不会扩散也不会引起其他癌症症状,这又是为什么呢?通过组学大数据的分析,研究第一次把鹿科动物低癌的现象和很强的再生能力联系起来。大量的抑癌基因,如p53通路的基因受到了强烈的自然选择,可能与鹿科动物癌症发生率很低有关。这表明,鹿角再生能力和鹿的抗癌能力源于同一通路调控,了解这一机制,将会为再生医学和癌症研究带来新的思路。

  圣诞老人的座驾驯鹿,生活在北极,那里昼夜不规律也没有阳光。“这和当代一些‘年轻宅’们的生活环境有着很高的相似度,可它们为什么没有精神压力方面的问题,也没有维生素D缺乏引起的骨发育问题呢?”王文说,大尺度组学对比研究发现,驯鹿与昼夜节律相关的基因发生了突变,控制维生素D代谢的基因在自然选择作用下,两个关键酶活性远高于其它动物,因此保障了其在低光照条件下依然能够高效进行钙代谢,促进鹿角的生长。

  最具攻击力:击破结核杆菌致密胞壁

  一种曾经上市销售的减肥药被发现是结核杆菌的“毒药”——

  “利莫那班(该减肥药名称)原来是针对人源大麻素受体CB1的拮抗剂,起到减肥作用,很难想象靶向人类蛋白受体的药物也可以杀死结核杆菌。”上海科技大学免疫化学研究所副研究员张兵说。

  那么结核杆菌上什么样的“命门”被抓住了呢?膜蛋白“MmpL3”负责把细菌在细胞内合成的分枝菌酸前体转运到细胞膜外,扮演着“传送机”的角色,而这台传送机的动力来源于从膜外向膜内流动的质子流。

  由上海科技大学免疫化学研究所特聘教授饶子和院士率领的科研团队首次成功解析了这一关键蛋白MmpL3以及“药靶─药物”复合物的三维空间结构,揭示了创新药物杀死细菌的全新分子机制。他们还解析了利莫那班与MmpL3蛋白复合物的三维结构,从而证实了利莫那班会神奇地堵住MmpL3的质子内流通道,这种“封堵”与已知的结合模式大相径庭。

  全世界目前有约1/4的人口被结核杆菌感染,由于艾滋病与结核病的交叉感染以及药物的不合理使用,已经产生了严重的耐药结核病,针对结核杆菌的新药靶点的发现以及新药研发迫在眉睫。新机制的发现为新型抗生素的研发、解决全球日趋严重的抗生素耐药问题开辟了一条全新途径。

  研究发现,抑制剂小分子都靶向MmpL3蛋白的跨膜区,直接“封闭”该蛋白的质子内流通道,破坏MmpL3工作时的能量供给,造成这台传送机“瘫痪”。为了设计更有效的抑制剂,研究团队还利用计算机“虚拟筛选”技术,对成药库的药物分子进行了筛选。这才发现减肥药也是结核杆菌的“毒药”。(张佳星)

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