混合方法演奏结构交响乐

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1、主编： 赵路编辑： 冯丽妃校对： 王心怡 E-mail押国际INTERNATIONAL32016 年 8 月 31 日星期三 Tel：（010） 超过 1200 名南非教师警告， 由于连续多年经 费不足， 该国高校系统正处于崩溃的临界点。 来自南非 18 所大学的研究人员在写给总统 Jacob Zuma、高等教育和培训部长 Blade Nzi- mande 以及财政部长 Pravin Gordhan 的一封公开 信上签名。 这封信于 8 月 11 日发出，并于 8 月 15 日发 表于 邮卫报 上， 它呼吁政府解决高等教育的 “资 金危机” 。 “大学的核心功能受到了威胁。” 该公开信写 道，

2、“我们已经走到了极限。我们简直难以预测任 何进一步的经费削减会让大学教育处于怎样的危 险之中。” 这封信发表的背景是学生抗议学费不断上 涨、紧张的大学资源以及政府对免费本科教育的 探究 （批评人士认为这是南非负担不起的） 。该国 现处于财政紧缩状态， 今年经济增长预测为 0%。 因为学生抗议学费增长 6.3%的提议，已经导 致夸祖鲁纳塔尔大学和马古苏托理工大学在本 月初修课。 “我们正处于一个临界点上。 如果现有轨迹持 续下去， 而国家不加以干涉， 那么我们将会看到一 段时期的经费紧缩，这将会破坏我们的公立大 学。”约翰内斯堡金山大学历史学家 Noor Nief- tagodien 说。 作为

3、对学校经费削减的回应，他和该校社会 科学院的同事 Kelly Gillespie 协调了这封公开信， 他们希望得到更广泛的学界人士响应。 “学术人员 倾向于以他们的机构为基础对这些问题作出回 应， 我们希望可以不分机构、 地区和学科， 让尽可 能多的学术人员参与其中。” 南非的大学系统由政府津贴、 学生学费、 研究 合同以及投资共同资助。最新数据表明，其 2014 年的花费为 606 亿兰特， 相当于 43 亿美元。 但是政府资助的部分 10 年来却在稳步下滑， 而学生人数在过去 22 年间却从 360250 人增长到 983698 人， 为原来的 3 倍。2000 年， 政府拨款覆盖 了大约

4、 49%的高校收入， 但在 2009 年却下降到了 40%。（冯维维）人类世亟需一颗 “金钉子” 原子弹和油气依赖预示地球新时代与其他结构生物学家一样， Eva Nogales 赶 上了好时机。这位美国加州大学伯克利分校的 教员现在可以利用新工具，解决几年前根本无 法解答的细胞分子机制问题。 最近， Nogales 和同事、分子生物学家、 CRISPR-Cas9 的联合发明人 Jennifer Doudna 的合作项目正是个好例子。她们都对 R 环十分 感兴趣。 很多情况下， 在 DNA 被 CRISPR-Cas9 剪切前，细胞内会形成一个由核苷酸构成的 R 环。 Nogales 等人对化脓性

5、链球菌中的 R 环进行 了成像， 得到了近原子分辨率的结构图像， 提示 了 Cas9 酶在特定位点如何打开 DNA，并使其 可用于 CRISPR 的分子剪刀。 这项工作最突出的是科学家能快速地将 功能与结构联系起来，而且他们能把成像方 法结合起来。一个多世纪以来， 结构生物学的 首选方法一直是 X 射线晶体衍射法。但有些 生物分子太大或太小， 难以结晶， 因此不能采 用 X 射线法。而且， 一些分子在发挥功能时， 会发生形态或朝向的变化，而结晶法无法捕 捉这些变化。 现在， 科学家拥有一个庞大的成像工具库。 低温电子显微镜或化学家的核磁共振 （NMR） 成像等方法， 都能在不结晶的情况下， 获

6、得接近 原子分辨率的结构图像， 从而揭示分子的形状、 大小和方向。但并非所有方法对活细胞内的全 部蛋白质、 核酸都有用。 经验证明，没有一个单一的方法足以探 讨细胞中发生的动态行为和复杂的相互作 用。最好的解决办法是整合来自多个工具的 图像。 这种方法得到了诸多追随者。斯坦福大学 结构生物学家 Roger Kornberg 指出，每个方法 都能提供一些重要信息，结合起来，就能实现 1+12 的效果。由于在揭示基因转录机制方面 的贡献， Kornberg 于 2006 年获得了诺贝尔化学 奖。对于这一突破性研究， 他使用的是 X 射线 晶体衍射法。现在， 和其他晶体学家一样， 他开 始使用多种方

7、法的结合。 Kornberg 继续分析 RNA 聚合酶 II， 但现在 他把冷冻电镜和晶体学技术结合起来。与晶体 技术相比，冷冻电镜可用于不易结晶的生物分 子， 并且能解析较大的分子， 但目前分辨率则稍 逊一筹。Kornberg 实验室还使用化学交联和质 谱法，揭示邻近蛋白质之间的关系以及利用已 知蛋白质信息进行同源性建模。 同时， Nogales 和 Doudna 团队也使用混合 方法研究 R 环。Nogales 表示，“高分辨率的 X 射线晶体法无法解析完整的 R 环结构。” 所以 他们用冷冻电镜在低分辨率上对完整的环结构 进行解析。 只有把两者结合起来， 研究人员才能 真正揭示 CRIS

8、PR-Cas9 中 R 环的作用。 这种混合或综合性方法有助于研究人员 深入研究基础科学问题，对药物开发者也非 常有用。细胞膜上的大蛋白质往往是治疗靶 标，高分辨率混合方法能揭示药物与受体相 互作用的原子细节。同样， 展示艾滋病病毒、 埃博拉病毒和其他病原体的包膜蛋白与免疫 细胞相互作用机制有助于疫苗发展。纳什维 尔范德堡大学结构生物学家 Jens Meiler 表示，这些结构对人们理解免疫系统的工作机制非 常重要。 Noglaes 总结道：“这是混合方法的黄金时 代。”梦想成真德国欧洲分子生物学实验室 （EMBL） 细胞 生物和生物物理部主任 Jan Ellenberg 表示， 这个 时代对

9、很多生命科学家来说是梦想成真的时 代。这个梦想是从原子层面无缝衔接到细胞层 面。针对细胞大分子的深入理解自然能解答结 构生物学的首要问题：一个分子的结构是怎么 和其功能联系在一起的？ 结构生物学家工具箱中的每种技术都提供 了不同的视角。 生物学家相信， 使用混合方法构 建的模型可以准确地反映分子或复合体在细胞 中的行为。Meiler 说：“你需要把这些技术结合 起来， 才能得到全面答案。” X 射线晶体衍射一直是确定蛋白质原子结 构的标准方法。 在成立于 1971 年的蛋白质数据 银行拥有的大约 12 万个模型中， 约有 90%来自 晶体学研究。 不过， 对于结构生物学家而言， 该技术虽然 分

10、辨率高， 但也有局限性。首先， 样品要高度纯 化， 以产生有序的晶体。 科学家通过分析原子如 何散射光确定分子结构。该技术需要有足够的 原子， 以产生可测量的衍射图案， 并且每一个晶 体必须是静态的。 因此， 该方法不能揭示一个分 子是如何运动以及如何起作用的，也不能揭示它如何与其他系统互动。 德国复杂系统研究所计算结构生物学小 组组长 Gunnar Schroder 指出，蛋白质不仅仅 是一个单一的静态结构，“通常情况下，你想 看到的是整个蛋白质如何工作” 。Schroder 使 用混合方法理解蛋白的行为和彼此间的联 系。晶体技术能提供蛋白在脱离正常环境时 的快照。但结构生物学家需要其他方法

11、补充 晶体结构信息，并提高他们对蛋白质形态和 功能的理解。 此外， 许多蛋白质， 例如细胞膜上的药物靶 点， 是灵活而不稳定的。 为了让这些蛋白质形成 晶体， 研究人员经常要在某种程度上改变它们。 Meiler 指出，改变样本可能无法准确反映分子 的原生态及其在细胞内的排布方式。他把实验 和计算方法结合，以便更好地理解分子结构。 “晶体法是很好的初始方法， 但这个方法不足以 提供功能方面的信息。” 他说。帮个小忙Nogales 等人使用的混合策略达到了 10 埃 的整体分辨率， 相比于以往分析的 30 埃分辨率 是极大的进步。 分辨率的提高带来了新视角， 正 如 Nogales 所说，“我们可

12、以看到氨基酸与 DNA 的相互作用” 。 但冷冻电镜要求标本被冰冻。 这并不理想， 因为冷冻的样本远远脱离了自身动态、天然的 状态。而核磁共振光谱可以解决这个问题。 Schroder 表示，“核磁共振有一个很大的优势，你可以在室温下观察样本，获得蛋白质的动态 信息。 ” 他的实验室通过整合 NMR、 冷冻电镜和 晶体学数据建立了实验模型。 NMR 于 20 世纪 40 年代被首次应用到实 验中。研究人员在外部磁场中激发原子得到大 分子结构。 当原子恢复后， 其内部磁场的变化可 以被检测到，从而反映出分子的原子结构。然 而，核磁共振光谱只适用于相对较小的大分子 或复合体。 结构生物学家也使用混合

13、方法解析超大复 合体这是过去无法完成的任务。Kornberg 最新的成果进一步拓展了其对 RNA 聚合酶 II 的研究， 并使用混合方法描述了一个由 50 多个 蛋白质和转录因子组成的巨大复合体。 “通过多 个方法的结合， 他们首次看到了整个复合体。每 个方法的贡献同样大。” 他说。仍有缺点虽然不同的方法能带来更多信息，但混合 也会造成错误的叠加。 因此， 混合方法的一个潜 在问题是，多个错误来源造成的误差增加。 Meiler 指出：“我关注的是如何在整合方法的同 时减小误差， 保证得到的模型具有准确性、 精度 和可靠性。” 另一个障碍是多类数据集的共享和利用。 任何一个技术都能得到丰富的信息

14、， 因此信息 共享是个挑战。 冷冻电镜生产商 FEI 公司的首 席科学家 Jeffrey Lengyel 表示，“每天都能生成 百万兆字节的数据” 。他希望， 结构生物学领 域可以向高通量的遗传生物学领域学习处理 数据超载的方法。虽然有能灵活结合高分辨 率晶体结构数据和冷冻电镜图的软件，但其 他方法得到的数据无法简单地混合。例如， 电 子顺磁共振光谱测量高分子的距离和方向， 而冷冻电镜产生密度图。虽然这两种数据结 合在一起非常有用，但这两种数据语言并不 相同。Meiler 提出疑问，“我如何整合这些数 据， 如何分享？” 为了探讨数据组织、共享和使用的最佳方 式，几十名结构生物学家于 2014

15、 年 10 月齐聚 英国欧洲生物信息研究所。 Schroder 表示， 目前， PDB 存储单个蛋白结构的数据，并应该增加蛋 白质所有方面的数据。 细节越丰富， 越有助于全 面解析蛋白和大分子功能。 学界已经作出了一些努力：目前已建立二 维电子显微镜图像档案库和三维的 EMData- Bank。 这些档案库由 EMBL 等机构提供资金， 其 中包含的数据可以共享、 归档和分发。 另一个可能阻碍该领域的威胁是专业知 识。Meiler 指出，“技术需要投资， 但在培训科学 家方面进行投入也非常重要。” 他建议， 结构生 物学领域的学生都去学习每一种方法的优缺 点， 并至少精通一种方法。 “我们需要

16、培养新一 代科学家理解如何整合这些不同的技术。” 最后， 结构生物学家必须学会提问题， 提出 新的、 复杂的、 以前被认为不可能的生物问题。 Ellenberg 还表示，多亏混合方法，“很多 5 年前 我甚至以为直到退休都没法探索的问题已能解 决了” 。（张章）“混合方法” 演奏结构 “交响乐”生物学家用新方法了解细胞动态与功能第二次世界大战结束后，随着原子弹热潮冷 却， 人类对煤炭和石油的渴望已经发展到完全 “成 瘾” 的地步， 地球随之进入了人类世人类造 成的环境效应在全球沉积层留下标记的一个新 地质时期。 这是人类世工作组的主要结论， 该工 作组的研究人员在过去 7 年默默研究了这个流 行词汇是否应被提交为地质时期上的一个正式 跨度。 经过 8 月份的计数投票，该工作组已经决 定提议将 20 世纪 40 年代末期和 50 年代早期 的战后繁荣作为人类世的开端。该工作组将向 监管地质年代的机构国际地层委员会 （ICS） 提出申请， 将人类世认证为一个时代的系 列地层， 就像在此