孙 玉 娜 1 饶 子 和 1,2,3 2014 国 际 晶 体 学 年 专 题 中 国 的 X 射 线 晶 体 学 与 结 构 生 物 学 (1 中 国 科 学 院 生 物 物 理 研 究 所 100101;2 清 华 大 学 100083;3 南 开 大 学 300071) X 射 线 晶 体 学 是 一 门 利 用 X 射 线 来 研 究 物 质 结 构 的 学 科 利 用 电 子 对 X 射 线 的 散 射 作 用,X 射 线 晶 体 学 可 以 获 得 晶 体 中 电 子 密 度 的 分 布 情 况, 再 从 中 分 析 获 得 晶 体 内 部 分 子 的 结 构 信 息 近 几 十 年 来,X 射 线 晶 体 学 与 生 命 科 学 充 分 融 合, 并 且 充 分 吸 收 包 括 核 磁 共 振 (NMR) 电 镜 技 术 等 在 内 的 各 种 研 究 生 物 结 构 的 技 术 方 法, 形 成 了 以 X 射 线 晶 体 学 为 核 心 的 结 构 生 物 学, 为 认 识 生 物 分 子 的 三 维 结 构 和 功 能 机 制, 提 供 了 关 键 的 信 息, 也 因 此 而 成 为 国 际 生 命 科 学 领 域 的 热 点 研 究 方 向 特 别 是 近 年 来, 包 括 三 代 同 步 辐 射 光 源 X 射 线 自 由 电 子 激 光 (XFEL) 新 一 代 电 镜 技 术 在 内 的 各 种 前 沿 技 术 的 发 展,X 射 线 晶 体 学 和 结 构 生 物 学 都 迈 向 了 一 个 新 的 历 史 发 展 阶 段 中 国 的 X 射 线 晶 体 学 和 结 构 生 物 学, 在 老 一 辈 科 学 家 艰 苦 努 力 下, 和 国 际 相 关 领 域 同 时 起 步 同 时 发 展 近 年 来 国 家 对 基 础 科 学 领 域 投 入 不 断 加 强, 国 家 自 然 科 学 基 金 973 计 划 863 计 划 蛋 白 质 研 究 纳 米 科 学 等 国 家 重 大 基 础 研 究 计 划 给 予 大 量 的 资 助, 使 得 我 国 的 X 射 线 晶 体 学 和 结 构 生 物 学 不 断 飞 速 发 展 本 文 将 主 要 回 顾 和 介 绍 中 国 X 射 线 晶 体 学 和 结 构 生 物 学 的 历 史 沿 革, 并 对 发 展 趋 势 进 行 展 望 1. 中 国 的 X 射 线 晶 体 学 中 国 的 X 射 线 晶 体 学 研 究 的 发 展 已 经 有 近 一 个 世 纪 的 历 史, 其 中 X 射 线 晶 体 学 的 发 展 可 以 追 溯 到 20 世 纪 30 年 代 郑 建 宣 先 生 陆 学 善 先 生 和 余 瑞 璜 先 生 等 几 位 前 辈 是 我 国 第 一 代 X 射 线 晶 体 学 家, 他 们 师 从 英 国 曼 彻 斯 特 大 学 诺 贝 尔 奖 得 主 威 廉 劳 伦 斯 布 拉 格 (W. L. Bragg) 学 习 X 射 线 晶 体 学, 相 继 学 成 回 国 并 开 辟 了 我 国 X 射 线 晶 体 学 研 究 这 一 全 新 的 科 学 领 域, 他 们 的 研 究 成 果 在 当 时 均 获 得 国 际 同 行 的 高 度 赞 扬 郑 建 宣 先 生 在 英 国 留 学 期 间, 用 X 射 线 衍 射 技 术 首 次 测 定 了 Co 2 AIS 的 晶 体 结 构, 发 现 其 结 构 是 一 种 全 新 的 结 构 类 型, 该 项 研 究 成 果 在 德 国 结 晶 学 杂 志 上 发 表, 在 当 时 引 起 了 学 术 界 的 高 度 重 视, 至 今 一 直 被 国 际 晶 体 学 界 公 认 和 引 用 陆 学 善 先 生 在 英 国 留 学 期 间 完 成 了 对 Cr-AI 二 元 合 金 系 的 全 面 深 入 研 究, 发 表 了 Cr-AI 系 相 的 X 射 线 研 究 及 Cr 2 AI 和 Cr 5 AI 8 的 晶 体 结 构 的 论 文, 对 Cr-AI 合 金 系 相 图 的 测 定 等 方 法 是 晶 体 学 领 域 的 重 要 进 展, 至 今 仍 被 国 内 外 晶 体 学 家 所 沿 用 余 瑞 璜 先 生 留 学 期 间 在 Nature 上 发 表 了 Ni(NO 3 ) 2 6NH 3 的 单 晶 结 构, 其 论 文 列 入 麻 省 理 工 学 院 (MIT) 晶 体 结 构 分 析 教 材, 获 得 了 国 际 同 行 的 高 度 评 价, 奠 定 了 他 作 为 世 界 一 流 晶 体 学 家 的 地 位 我 国 早 期 晶 体 学 的 重 要 人 物 还 包 括 卢 嘉 锡 先 生 唐 有 祺 先 生 和 梁 栋 材 先 生 等 老 一 辈 科 学 家 卢 嘉 锡 先 生 在 早 年 留 学 期 间 就 设 计 出 等 倾 角 魏 森 堡 单 晶 X 射 线 衍 射 照 相 的 LP 因 子 倒 数 图, 载 入 国 际 X 射 线 晶 体 学 手 册, 称 为 卢 氏 图, 被 普 遍 应 用 数 十 载, 直 至 近 年 被 电 子 计 算 机 取 代 卢 先 生 留 学 归 国 后 在 新 技 术 晶 体 材 料 科 学 物 理 化 学 结 构 化 学 等 多 学 科 领 域 中 都 作 出 了 重 要 贡 献, 提 出 固 氮 酶 活 性 中 心 的 结 构 模 型, 大 大 地 推 动 了 中 国 原 子 簇 化 学 的 发 展 化 学 模 拟 生 物 固 氮 是 20 世 纪 70 年 代 开 始 引 起 注 意 的 科 学 前 沿 课 题 1972 年, 在 中 国 科 学 院 的 主 持 下, 卢 嘉 锡 蔡 启 瑞 唐 敖 庆 三 位 教 授 联 袂 参 加 共 囊 化 学 模 拟 生 物 固 氮 的 研 究 方 略 1976 年, 蔡 启 瑞 在 中 国 科 学 第 4 期 上 发 表 了 著 名 论 文 固 氮 酶 的 活 性 中 心 模 型 和 催 化 作 用 机 理 ; 卢 嘉 锡 结 合 固 氮 酶 生 化 研 究 成 果, 从 结 构 化 学 的 角 度 提 出 固 氮 酶 活 性 中 介 结 构 模 型 他 们 的 研 究 成 果, 是 我 国 早 期 结 构 化 学 研 究 应 用 领 域 中 取 得 的 重 要 突 破 唐 有 祺 先 生 是 我 国 结 晶 化 学 的 奠 基 人 之 一 早 年 在 美 国 加 州 理 工 学 院 深 造, 师 从 化 学 界 泰 斗 诺 贝 尔 奖 获 得 者 鲍 林 (Linus Pauling) 教 授, 在 留 学 期 间 曾 涉 足 血 红 蛋 白 的 晶 体 结 构 研 究 解 放 初 期, 唐 有 祺 先 11 26 卷 第 5 期 ( 总 155 期 )
生 回 到 清 华 大 学 后 因 院 系 调 整 到 北 京 大 学, 作 为 我 国 结 晶 化 学 和 结 构 化 学 的 前 辈, 培 养 了 一 批 从 事 结 晶 化 学 研 究 的 人 才, 如 邵 美 成 周 公 度 谢 有 畅 林 炳 雄 林 政 炯 等, 对 我 国 早 期 的 结 晶 化 学 研 究 作 出 了 重 要 贡 献 新 中 国 成 立 早 期, 梁 栋 材 先 生 被 选 派 到 苏 联 科 学 院 留 学, 攻 学 X 射 线 晶 体 结 构 分 析 专 业 回 国 后, 在 中 科 院 物 理 所 作 为 课 题 组 长 领 导 一 支 团 队, 投 身 于 我 国 有 机 化 合 物 X 射 线 晶 体 结 构 的 研 究 工 作, 并 与 中 科 院 计 算 技 术 研 究 所 的 科 研 人 员 共 同 建 立 了 我 国 第 一 套 用 于 X 射 线 晶 体 结 构 分 析 的 程 序 库 1965 年 底, 梁 先 生 赴 英 国 牛 津 大 学 师 从 英 国 女 化 学 家 诺 贝 尔 奖 得 主 多 萝 西 霍 奇 金 开 展 生 物 大 分 子 晶 体 结 构 研 究 工 作 1967 年 初 回 到 国 内, 立 即 加 入 了 北 京 胰 岛 素 晶 体 结 构 研 究 组, 带 领 一 批 青 年 研 究 人 员 从 事 三 方 二 锌 猪 胰 岛 素 的 晶 体 结 构 研 究 2. 中 国 的 结 构 生 物 学 在 X 射 线 晶 体 学 发 展 的 同 时, 以 研 究 生 物 大 分 子 结 构 为 目 的 的 结 构 生 物 学 在 蓬 勃 的 发 展 蛋 白 质 分 子 是 一 切 生 命 活 动 的 最 终 执 行 者, 核 酸 分 子 是 生 物 信 息 遗 传 和 指 导 生 命 过 程 的 媒 介, 利 用 包 括 X 射 线 晶 体 学 内 在 的 多 种 技 术 手 段, 对 生 物 大 分 子 的 结 构 信 息 进 行 研 究, 是 20 世 纪 后 半 期 生 物 学 领 域 所 关 注 的 热 点 方 向 可 以 说 以 梁 栋 材 先 生 林 政 炯 先 生 等 为 代 表 的 北 京 胰 岛 素 结 构 研 究 组 开 创 了 中 国 的 X 射 线 结 构 生 物 学, 并 在 逐 步 的 发 展 过 程 中 形 成 了 中 国 结 构 生 物 学 的 主 流 研 究 方 向 我 国 X 射 线 晶 体 学 及 结 构 生 物 学 研 究 发 展 过 程 中 的 几 个 里 程 碑 式 的 大 事 记 包 括 如 下 : 2.1 猪 胰 岛 素 晶 体 结 构 测 定 如 果 说 固 氮 酶 活 性 中 心 的 作 用 机 制 研 究 是 我 国 早 期 结 构 生 物 学 研 究 的 雏 形, 那 么 我 国 真 正 意 义 上 的 结 构 生 物 学 研 究 是 从 人 工 合 成 胰 岛 素 之 后 开 展 起 来 的 在 王 应 睐 曹 天 钦 的 指 导 下, 钮 经 义 邹 承 鲁 龚 岳 亭 汪 猷 邢 其 毅 等 众 多 老 一 辈 科 学 家 的 联 合 攻 关 下, 经 过 七 年 艰 苦 卓 绝 的 努 力, 于 1965 年 成 功 获 得 了 人 工 合 成 的 牛 胰 岛 素 这 是 世 界 上 第 一 次 人 工 合 成 的 有 生 物 活 性 的 结 晶 蛋 白 质, 在 当 时 的 科 学 界 引 起 了 轰 动 1966 年 人 民 日 报 头 版 头 条 报 道 我 国 在 世 界 上 第 一 次 人 工 合 成 结 晶 胰 岛 素, 这 项 成 果 一 直 是 中 国 科 学 界 的 骄 傲 英 国 女 化 学 家 多 萝 西 霍 奇 金 在 20 世 纪 30 年 代 初 通 过 X 射 线 发 现 胃 蛋 白 酶 拥 有 完 美 的 晶 体 衍 射 图 案, 这 个 里 程 碑 式 的 发 现 开 启 了 生 物 结 晶 学 研 究 的 时 代 霍 奇 金 1949 年 测 定 出 了 青 霉 素 的 结 构,1957 年 又 测 定 出 了 维 生 素 B 12 的 结 构, 并 因 此 获 得 1964 年 诺 贝 尔 化 学 奖 霍 奇 金 长 期 从 事 胰 岛 素 晶 体 结 构 研 究, 她 的 研 究 组 于 1969 年 首 先 报 道 了 牛 胰 岛 素 的 晶 体 结 构 早 在 20 世 纪 初 期, 我 国 在 国 外 做 过 X 射 线 研 究 的 胡 刚 复 叶 企 孙 和 吴 有 训 等 几 位 杰 出 的 物 理 学 家 就 已 经 认 识 到 X 射 线 晶 体 学 的 重 要 性 在 我 国 成 功 合 成 牛 胰 岛 素 之 后, 在 北 京 大 学 唐 有 祺 等 学 者 的 倡 议 下, 中 国 科 学 院 和 教 育 部 决 定 以 此 为 契 机, 在 我 国 开 展 蛋 白 质 晶 体 学 研 究 当 时 中 科 院 物 理 所 的 梁 栋 材 李 鹏 飞 范 海 福 戴 金 壁 常 文 瑞 等, 中 科 院 生 物 物 理 所 的 林 正 炯 王 家 槐 王 大 成 毕 汝 昌 等 以 及 北 京 大 学 顾 孝 诚 等 一 批 科 学 工 作 者 先 后 参 加 到 联 合 攻 关 工 作, 于 1970 年 1971 年 和 1973 年 分 别 得 到 分 辨 率 为 4Å 2.5Å 和 1.8Å( 图 1) 的 晶 体 结 构 研 究 论 文 发 表 在 1972 年 和 1974 年 的 中 国 科 学 杂 志 上 这 是 我 国 第 一 个 蛋 白 质 晶 体 结 构, 也 是 国 际 上 为 数 不 多 的 高 分 辨 率 的 晶 体 结 构 之 一 霍 奇 金 首 先 在 国 际 上 宣 传 中 国 科 学 家 解 析 出 牛 胰 岛 素 结 构,1972 年 她 在 日 本 东 京 举 行 的 国 际 晶 体 学 大 会 上 宣 布 : 中 国 蛋 白 质 晶 体 学 研 究 水 平 和 世 界 发 达 国 家 一 样 高! 胰 岛 素 晶 体 最 好 的 电 子 密 度 图 在 北 京, 不 在 牛 津 1975 年, 她 在 英 国 Nature 杂 志 上 发 表 了 一 篇 题 为 中 国 的 胰 岛 素 研 究 的 文 章 ( 图 2), 文 中 写 道 : 北 京 小 组 这 张 分 辨 率 为 1.8Å 的 图 是 迄 今 为 止 最 精 确 的 今 后 可 能 长 时 图 1 1.8Å 分 辨 率 的 胰 岛 素 晶 体 结 构 模 型 纪 念 邮 票 现 代 物 理 知 识 12
碑 意 义 的 成 果, 比 如 胰 岛 素 晶 体 结 构 天 花 粉 蛋 白 晶 体 结 构 及 蚓 激 酶 结 构 等 在 此 基 础 上 培 养 了 一 代 又 一 代 结 构 生 物 学 研 究 的 人 才, 至 今 活 跃 在 国 际 及 国 内 结 构 生 物 学 研 究 的 领 域 2.3 天 花 粉 蛋 白 质 晶 体 结 构 测 定 和 其 他 早 期 结 构 图 2 1975 年 5 月, 霍 奇 金 在 Nature 上 发 表 的 文 章 图 3 霍 奇 金 与 梁 栋 材 先 生 间 一 直 如 此 在 她 的 积 极 推 动 下, 中 国 国 家 晶 体 学 会 在 1978 年 加 入 国 际 晶 体 学 会 在 此 之 后, 梁 栋 材 主 持 了 1.2Å 分 辨 率 的 胰 岛 素 晶 体 结 构 研 究 工 作, 并 测 定 了 一 系 列 活 性 敏 感 的 胰 岛 素 类 似 物 的 结 构, 为 我 国 的 胰 岛 素 三 维 结 构 与 功 能 研 究 能 继 续 占 领 并 保 持 在 国 际 学 术 舞 台 的 一 席 之 地 做 出 了 重 要 贡 献 2.2 中 国 科 学 院 生 物 物 理 研 究 所 第 七 研 究 室 中 国 科 学 院 生 物 物 理 研 究 所 第 七 研 究 室 是 中 国 结 构 生 物 学 的 基 地, 也 是 近 30 年 来 中 国 结 构 生 物 学 发 展 的 领 头 羊, 可 以 说 中 国 结 构 生 物 学 发 展 中 的 若 干 重 大 事 件 是 与 中 科 院 生 物 物 理 研 究 所 第 七 研 究 室 密 不 可 分 的 第 七 研 究 室 是 以 北 京 胰 岛 素 结 构 研 究 组 为 前 身 成 立 的, 梁 栋 材 先 生 作 为 第 七 研 究 室 的 创 始 主 任 为 研 究 室 的 组 建 及 发 展 作 出 了 重 要 的 贡 献 20 世 纪 70 年 代 末, 经 过 整 合 及 方 向 调 整 后, 第 七 研 究 室 定 名 为 蛋 白 质 晶 体 学 研 究 室, 成 立 了 五 个 研 究 组 (1) 胰 岛 素 结 构 研 究 组 (2) 天 花 粉 结 构 研 究 组 (3) 蛇 毒 结 构 研 究 组 (4) 小 分 子 结 构 研 究 组 (5) 仪 器 组, 这 也 是 中 国 的 第 一 个 以 X 射 线 蛋 白 质 晶 体 学 研 究 为 目 标 的 研 究 室, 确 定 了 以 生 物 大 分 子 三 维 结 构 与 功 能 关 系 为 其 研 究 方 向, 在 之 后 的 发 展 中 逐 步 裁 掉 小 分 子 研 究 组 第 七 研 究 室 作 为 中 国 生 物 大 分 子 三 维 结 构 与 功 能 研 究 的 基 地, 是 出 成 果 出 人 才 的 地 方, 在 其 早 期 就 做 出 了 一 批 里 程 生 物 学 研 究 继 胰 岛 素 晶 体 结 构 成 功 解 析 之 后, 中 国 科 学 院 着 手 对 天 花 粉 蛋 白 质 晶 体 结 构 进 行 研 究 天 花 粉 是 我 国 一 种 宝 贵 的 医 药 财 富, 传 统 中 医 用 于 妊 娠 引 产 及 宫 外 孕 葡 萄 胎 腹 腔 妊 娠 等 疾 病 的 治 疗 由 卢 嘉 锡 汪 猷 和 梁 栋 材 三 位 先 生 亲 自 出 面, 精 心 组 织, 由 中 科 院 生 物 物 理 所 福 建 物 质 结 构 研 究 所 和 上 海 有 机 化 学 研 究 所 三 个 单 位 的 科 研 工 作 者, 包 括 潘 克 桢 夏 宗 乡 董 贻 诚 王 家 槐 张 凯 等 攻 关 合 作, 在 1978 年 5 月 完 成 低 分 辨 率 和 2.6Å 分 辨 率 的 天 花 粉 晶 体 结 构 测 定, 建 立 了 国 际 上 第 一 个 核 糖 体 失 活 蛋 白 分 子 模 型 1994 年, 英 国 化 学 家 沃 克 (John E. Walker) 教 授 研 究 组 在 Nature 上 发 表 了 2.8Å 牛 心 线 粒 体 F1-ATP 酶 的 晶 体 结 构, 证 实 了 之 前 提 出 的 ATP 酶 催 化 机 制 的 假 说 沃 克 也 因 此 与 另 外 两 位 科 学 家 获 得 1997 年 诺 贝 尔 化 学 奖 事 实 上,F1-ATP 酶 的 晶 体 及 其 X 射 线 衍 射 图 最 早 是 由 中 科 院 生 物 物 理 研 究 所 梁 栋 材 研 究 组 获 得 的, 在 当 时, 梁 先 生 研 究 组 与 林 治 焕 先 生 合 作 开 展 F1-ATP 酶 的 晶 体 结 构 的 研 究 工 作, 并 于 1986 年 在 世 界 上 首 次 获 得 了 高 质 量 的 F1-ATP 酶 的 晶 体 和 X 射 线 衍 射 图, 但 苦 于 当 时 国 内 数 据 收 集 技 术 条 件 的 限 制, 而 未 能 抢 先 解 析 出 其 晶 体 结 构 20 世 纪 90 年 代 初 期, 中 国 科 技 大 学 牛 立 文 教 授 开 展 了 蛇 毒 蛋 白 的 结 构 生 物 学 研 究, 解 析 了 若 干 蛇 毒 蛋 白 的 三 维 晶 体 结 构, 为 人 们 理 解 功 能 多 样 化 的 蛇 毒 蛋 白 提 供 了 空 间 结 构 基 础, 有 助 于 天 然 蛇 毒 在 基 础 研 究 及 药 物 设 计 等 方 面 的 应 用 同 时, 这 些 研 究 成 果 也 丰 富 了 当 时 的 结 构 生 物 学 研 究 2.4 光 合 作 用 膜 蛋 白 晶 体 结 构 研 究 光 合 作 用 是 光 合 生 物 的 特 殊 功 能, 光 合 生 物 进 行 光 反 应 的 第 一 步 是 捕 捉 光 子, 然 后 将 光 子 传 递 到 光 反 应 中 心, 因 而 对 光 合 生 物 的 捕 光 系 统 和 光 合 作 用 反 应 中 心 的 三 维 结 构 的 研 究 具 有 重 要 意 义 继 1988 年 紫 菌 光 合 反 应 中 心 的 三 维 结 构 获 得 诺 贝 尔 化 学 奖 之 后, 13 26 卷 第 5 期 ( 总 155 期 )
人 们 对 于 光 合 作 用 机 理 的 研 究 热 点 开 始 转 向 更 高 级 别 的 光 合 生 物 藻 类 和 高 等 植 物 20 世 纪 90 年 代 初, 汤 佩 松 梁 栋 材 和 匡 廷 云 三 位 老 先 生 组 织 了 光 合 作 用 膜 蛋 白 的 晶 体 结 构 与 功 能 研 究 的 联 合 攻 关 与 中 科 院 感 光 化 学 所 中 科 院 植 物 研 究 所 合 作, 中 科 院 生 物 物 理 研 究 所 梁 栋 材 研 究 组 常 文 瑞 研 究 组 长 期 在 此 领 域 攻 坚 先 后 解 析 了 一 批 藻 类 捕 光 系 统 相 关 蛋 白 质 的 三 维 晶 体 结 构, 为 我 国 有 关 藻 类 光 合 作 用 机 制 的 研 究 打 下 了 重 要 的 基 础 2004 年, 历 经 多 年 艰 苦 努 力, 常 文 瑞 带 领 的 团 队 在 世 界 上 首 次 发 表 了 菠 菜 主 要 捕 光 蛋 白 复 合 物 LHC- Ⅱ 的 高 分 辨 率 晶 体 结 构, 该 项 成 果 被 国 际 权 威 学 术 期 刊 Nature 作 为 封 面 主 题 论 文 发 表 LHC- Ⅱ 蛋 白 是 高 等 植 物 光 合 作 用 体 系 中 负 责 光 能 捕 获 的 主 要 捕 光 天 线 复 合 物, 具 有 光 合 状 态 转 换 以 及 光 能 捕 获 等 多 种 重 要 的 生 物 学 功 能 LHC- Ⅱ 蛋 白 的 结 构 与 功 能 研 究 一 直 是 膜 蛋 白 结 构 生 物 学 研 究 领 域 的 热 点 和 难 点 这 项 研 究 成 果 将 人 们 关 于 光 合 作 用 中 所 涉 及 的 光 能 收 集 和 能 量 转 移 过 程 的 认 识 提 高 到 原 子 分 辨 率 水 平, 在 膜 蛋 白 结 构 生 物 学 和 光 合 作 用 捕 光 及 光 保 护 机 制 的 研 究 领 域 均 产 生 了 重 要 影 响, 也 标 志 着 我 国 结 构 生 物 学 研 究 进 入 了 快 速 发 展 期 2.5 线 粒 体 呼 吸 链 膜 蛋 白 复 合 物 Ⅱ 的 晶 体 结 构 在 中 国 的 结 构 生 物 学 发 展 历 程 中, 另 一 个 标 志 性 的 成 果 是 线 粒 体 呼 吸 链 膜 蛋 白 复 合 物 Ⅱ 晶 体 结 构 的 成 功 解 析 线 粒 体 是 细 胞 的 动 力 工 厂, 主 要 功 能 是 进 行 能 量 转 换 从 而 为 细 胞 活 动 提 供 能 量 线 粒 体 呼 吸 链 膜 蛋 白 复 合 物 包 括 四 种 成 分, 即 复 合 物 Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ 和 Ⅳ 线 粒 体 复 合 物 Ⅱ 又 称 为 琥 珀 酸 泛 醌 氧 化 还 原 酶 ( 线 粒 体 SQR), 人 类 有 很 多 疾 病 诸 如 嗜 铬 细 胞 瘤, 副 神 经 节 瘤 和 李 氏 症 等 均 与 线 粒 体 复 合 物 Ⅱ 的 翻 译 提 前 中 止 或 氨 基 酸 突 变 相 关, 因 此 对 于 线 粒 体 复 合 物 Ⅱ 的 结 构 与 功 能 研 究 具 有 重 要 而 深 远 的 意 义 饶 子 和 所 在 的 清 华 大 学 - 中 科 院 生 物 物 理 研 究 所 结 构 生 物 学 联 合 研 究 小 组 历 时 3 年 的 时 间, 终 于 获 得 了 线 粒 体 复 合 物 Ⅱ 这 一 膜 蛋 白 复 合 物 2.4Å 的 结 构 以 及 其 与 抑 制 剂 3- 硝 基 丙 酸 盐 (NPA),2- 噻 吩 甲 酰 三 氟 丙 酮 (2-TTFA) 的 复 合 体 3.5Å 的 结 构, 填 补 了 线 粒 体 呼 吸 链 结 构 生 物 学 研 究 的 一 个 空 白, 研 究 成 果 发 表 在 国 际 顶 尖 学 术 杂 志 Cell 上, 这 也 是 中 国 本 土 论 文 25 年 来 首 登 Cell 杂 志 线 粒 体 膜 蛋 白 复 合 物 Ⅱ 是 世 界 上 获 得 的 为 数 不 多 的 膜 蛋 白 结 构 中 的 一 员, 也 是 我 国 继 2004 年 生 物 物 理 所 获 得 的 菠 菜 捕 光 蛋 白 复 合 物 Ⅱ 之 后 的 第 二 个 膜 蛋 白 结 构, 这 标 志 着 我 国 结 构 生 物 学 的 研 究 跨 入 了 世 界 前 列 2.6 中 国 现 代 结 构 生 物 学 发 展 中 的 新 生 代 力 量 近 几 年, 在 国 家 各 项 科 研 政 策 的 大 力 支 持 下, 我 国 的 结 构 生 物 学 领 域 涌 现 了 一 大 批 新 秀, 形 成 了 以 北 京 的 中 科 院 生 物 物 理 研 究 所 以 千 人 计 划 许 瑞 明 为 代 表 的 清 华 大 学 以 千 人 计 划 施 一 公 为 代 表 和 在 上 海 的 中 科 院 研 究 所 以 千 人 计 划 雷 鸣 为 代 表 的 三 个 主 要 的 结 构 生 物 学 研 究 中 心 中 科 院 生 物 物 理 所 的 张 凯 研 究 员 江 涛 研 究 员 孙 飞 研 究 员 黄 亿 华 研 究 员 朱 平 研 究 员 王 艳 丽 研 究 员 等, 清 华 大 学 的 柴 继 杰 教 授 颜 宁 教 授 王 宏 伟 教 授 李 海 涛 教 授 杨 茂 君 教 授 娄 智 勇 教 授 等, 中 科 院 上 海 生 科 院 的 丁 建 平 研 究 员 张 荣 光 研 究 员, 上 海 药 物 所 的 吴 蓓 丽 研 究 员 赵 强 研 究 员, 复 旦 大 学 的 徐 彦 辉 教 授, 浙 江 大 学 的 叶 升 教 授, 福 建 物 构 所 的 黄 明 东 教 授, 以 及 厦 门 大 学 的 林 天 伟 教 授 等 均 在 结 构 生 物 学 研 究 中 取 得 了 杰 出 的 成 绩, 为 我 国 的 结 构 生 物 学 发 展 做 出 了 一 定 的 贡 献 如 今, 我 国 的 结 构 生 物 学 队 伍 已 经 由 早 期 的 北 京 胰 岛 素 结 构 研 究 组 发 展 到 拥 有 上 百 家 实 验 室 的 庞 大 队 伍 3. 中 国 X 射 线 晶 体 学 和 结 构 生 物 学 研 究 相 关 技 术 方 法 的 发 展 X 射 线 晶 体 学 和 结 构 生 物 学 的 发 展, 需 要 紧 密 地 依 赖 于 硬 件 设 施 的 技 术 发 展 特 别 是 近 年 来 以 新 一 代 的 同 步 辐 射 技 术 XFEL 技 术 和 电 镜 技 术 为 核 心 的 技 术 突 破, 给 世 界 范 围 内 的 X 射 线 晶 体 学 和 结 构 生 物 学 提 供 了 重 要 的 契 机, 推 动 相 关 领 域 进 入 了 一 个 全 新 的 历 史 时 期 3.1 同 步 辐 射 技 术 的 发 展 高 质 量 的 衍 射 数 据 收 集 是 生 物 大 分 子 结 构 解 析 中 的 主 要 瓶 颈 之 一 同 步 辐 射 是 具 有 高 质 量 ( 单 色 ) 高 强 度 的 光 源, 可 以 提 供 可 变 波 长 的 X 光 用 于 单 / 多 波 长 反 常 散 射 方 法 (MAD) 的 结 构 解 析, 配 备 具 有 低 温 冷 却 的 同 步 辐 射 光 源 基 本 可 以 解 决 蛋 白 质 晶 体 的 辐 射 损 伤 同 步 辐 射 光 源 的 优 越 性 不 仅 显 著 地 提 高 了 收 集 数 据 的 质 量, 并 可 以 大 大 扩 充 样 品 的 范 围, 因 此 同 现 代 物 理 知 识 14
步 辐 射 成 为 结 构 生 物 学 广 泛 使 用 的 技 术 手 段 同 步 辐 射 光 源 自 20 世 纪 40 年 代 末 诞 生 以 来, 经 历 了 三 代 快 速 发 展 阶 段 在 我 国, 第 一 代 同 步 辐 射 光 源 是 北 京 同 步 辐 射 装 置 (BSRF), 第 二 代 光 源 是 合 肥 国 家 同 步 辐 射 实 验 室, 第 三 代 光 源 是 上 海 光 源 国 家 同 步 辐 射 实 验 室 (NSRL) 20 世 纪 70 年 代 末, 中 国 科 学 技 术 大 学 在 国 内 率 先 提 出 建 设 电 子 同 步 辐 射 加 速 器 国 家 同 步 辐 射 实 验 室 一 期 工 程 1984 年 11 月 20 日 破 土 动 工,1989 年 建 成 出 光,1991 年 12 月 通 过 国 家 验 收 1999 年 国 家 又 投 资 启 动 国 家 同 步 辐 射 实 验 室 二 期 工 程 建 设,2004 年 12 月 二 期 工 程 通 过 国 家 验 收 NSRL 经 几 次 升 级 改 造 后 运 行 稳 定 可 靠, 成 为 向 国 内 外 用 户 提 供 优 质 服 务 的 国 家 级 科 研 平 台, 新 建 的 高 空 间 分 辨 X 射 线 成 像 光 束 线 及 实 验 站 空 间 分 辨 率 达 到 世 界 先 进 水 平 近 年 来 此 装 置 在 基 础 研 究 和 应 用 研 究 方 面 取 得 了 一 系 列 重 要 成 果 北 京 同 步 辐 射 装 置 (BSRF) 北 京 同 步 辐 射 装 置 于 1991 年 建 成, 是 中 国 大 陆 第 一 个 运 行 的 硬 X 射 线 同 步 辐 射 装 置 2003 年, BSRF 成 功 建 成 了 我 国 第 一 条 基 于 多 波 长 反 常 散 射 方 法 的 生 物 大 分 子 晶 体 学 光 束 线 盒 实 验 站,2006 年 第 二 条 新 的 生 物 大 分 子 晶 体 学 实 验 站 也 建 成 并 投 入 使 用 这 两 条 光 束 线 盒 实 验 站 为 我 国 结 构 生 物 学 的 研 究 提 供 了 重 要 的 实 验 基 地, 在 蛋 白 质 结 构 解 析 方 法 蛋 白 质 结 构 和 功 能 研 究 等 方 面 取 得 了 一 系 列 的 研 究 成 果, 大 大 推 动 了 我 国 结 构 生 物 学 的 发 展 上 海 同 步 辐 射 装 置 (BSRF) 上 海 同 步 辐 射 装 置 是 世 界 上 先 进 的 第 三 代 同 步 辐 射 光 源, 是 我 国 迄 今 最 大 的 大 科 学 装 置, 其 亮 度 居 于 世 界 前 列 上 海 光 源 是 面 向 国 内 外 用 户 开 放 的 大 型 科 学 研 究 平 台, 能 同 时 产 生 从 红 外 可 见 光 紫 外, 到 软 X 射 线 硬 X 射 线 的 同 步 辐 射 光, 在 生 命 科 学 和 医 药 学 材 料 科 学 微 电 子 机 械 系 统 以 及 石 化 和 化 学 工 业 中 有 着 广 泛 的 应 用 价 值 国 家 蛋 白 质 科 学 设 施 国 家 蛋 白 质 科 学 基 础 设 施 是 国 务 院 十 一 五 期 间 批 准 设 立 的 重 大 科 技 基 础 设 施 之 一, 是 迄 今 我 国 生 命 科 学 领 域 第 一 个 国 家 级 大 科 学 工 程 项 目 分 为 上 海 基 地 和 北 京 基 地,2008 年 11 月 经 国 家 发 改 委 批 准 立 项 国 家 蛋 白 质 科 学 中 心 ( 上 海 ) 依 托 上 海 生 科 院, 拥 有 国 际 一 流 的 蛋 白 质 科 学 设 施 平 台 以 保 障 国 内 外 科 研 用 户 对 高 效 实 验 平 台 及 高 质 量 科 研 设 施 的 需 求, 与 上 海 光 源 上 海 高 等 研 究 院 新 药 创 制 研 发 基 地 上 海 科 技 大 学 等 在 中 科 院 浦 东 科 技 园 形 成 国 家 级 科 技 基 础 设 施 与 研 究 集 群, 将 成 为 我 国 蛋 白 质 科 学 和 技 术 的 重 要 创 新 基 地 北 京 基 地 ( 凤 凰 工 程 ) 由 军 事 医 学 科 学 院 负 责 在 中 关 村 生 命 科 学 园 建 设 总 部 和 主 体 设 施, 以 蛋 白 质 组 研 究 为 核 心, 集 成 功 能 分 析 系 统 和 辅 助 支 撑 系 统, 清 华 大 学 和 北 京 大 学 在 各 自 校 内 建 设 辅 助 设 施, 其 中 清 华 大 学 以 电 镜 为 主, 北 京 大 学 以 核 磁 为 主, 同 时 吸 纳 中 科 院 生 物 物 理 所 现 有 蛋 白 质 相 关 研 究 设 施, 是 我 国 开 展 大 规 模 蛋 白 质 科 学 研 究 与 产 品 开 发 的 核 心 基 地, 是 我 国 抢 占 世 界 生 命 科 学 研 究 战 略 前 沿 的 重 要 基 础 3.2 核 磁 共 振 技 术 尽 管 在 结 构 生 物 学 研 究 中,X 射 线 晶 体 衍 射 技 术 占 据 了 主 导 作 用, 但 核 磁 共 振 技 术 在 生 物 大 分 子 的 结 构 测 定 中 也 具 有 一 些 独 特 的 优 势, 比 如, 它 可 以 得 到 多 个 时 间 尺 度 范 围 内 蛋 白 质 内 部 运 动 的 动 力 学 信 息 以 及 与 配 体 结 合 的 性 质 核 磁 共 振 技 术 自 发 明 以 来 不 断 获 得 改 进 和 创 新, 已 发 展 出 一 系 列 具 有 特 殊 用 途 的 核 磁 共 振 新 技 术 其 在 结 构 生 物 学 中 的 应 用 主 要 包 括 : (1) 研 究 生 物 大 分 子 及 其 复 合 物 在 溶 液 中 的 三 维 结 构 和 功 能 ;(2) 研 究 生 物 大 分 子 之 间 以 及 与 其 配 体 的 相 互 作 用 ;(3) 研 究 生 物 大 分 子 的 动 力 学 特 性 ;(4) 研 究 膜 蛋 白 的 结 构 与 功 能 ;(5) 研 究 蛋 白 质 的 折 叠 特 性 3.3 电 子 显 微 学 技 术 科 学 家 泰 勒 (K. Taylor) 和 格 莱 塞 (R. M. Glaeser) 在 20 世 纪 70 年 代 开 创 了 冷 冻 电 子 显 微 技 术 (Cryo-EM), 从 此 生 物 电 子 显 微 学 进 入 一 个 快 速 发 展 时 期 经 过 几 十 年 的 发 展, 冷 冻 电 镜 技 术 已 成 为 解 析 生 物 大 分 子 结 构 的 强 有 力 的 手 段 近 期,Cryo- EM 在 生 物 大 分 子 的 结 构 测 定 中 取 得 了 突 破 性 进 展 2013 年, 英 国 剑 桥 大 学 MRC 分 子 生 物 学 实 验 室 发 表 的 4.5Å 酿 酒 酵 母 80S 核 糖 体 的 结 构, 这 项 研 究 成 果 将 单 颗 粒 冷 冻 电 镜 的 分 辨 率 提 高 到 接 近 预 言 极 限 接 15 26 卷 第 5 期 ( 总 155 期 )
下 来, 美 国 加 州 大 学 旧 金 山 分 校 的 程 一 凡 博 士 ( 毕 业 于 中 科 院 物 理 所, 师 从 李 方 华 院 士 ) 与 尤 利 乌 斯 (David Julius) 教 授 合 作 解 析 了 在 疼 痛 和 热 直 觉 中 起 中 心 作 用 的 蛋 白 质 TRPV1 的 3.4Å 分 辨 率 的 Cryo-EM 结 构, 文 章 发 表 在 国 际 著 名 杂 志 Nature methods 上, 这 也 是 结 构 生 物 学 领 域 的 分 水 岭, 在 这 之 前, 大 家 很 难 想 象 冷 冻 电 镜 技 术 以 这 么 高 分 辨 率 解 析 这 么 小 的 蛋 白 质 结 构 我 国 电 镜 技 术 的 研 究 是 从 中 科 院 物 理 所 郭 可 信 先 生 于 二 十 世 纪 五 六 十 年 代 创 立 电 子 显 微 镜 实 验 室 开 始 的, 叶 恒 强 院 士 张 泽 于 院 士 以 及 李 方 华 院 士 等 均 在 电 镜 技 术 的 发 展 中 做 出 了 重 要 的 贡 献 中 科 院 生 物 物 理 所 清 华 大 学 中 国 科 技 大 学 等 研 究 单 位 紧 跟 世 界 电 镜 领 域 的 发 展 步 伐, 安 装 了 国 际 上 先 进 的 冷 冻 电 镜 装 置 并 取 得 了 一 些 有 影 响 力 的 成 果 3.4 自 由 电 子 激 光 X 射 线 自 由 电 子 激 光 (XFEL) 是 国 际 光 子 科 学 领 域 竞 相 发 展 的 重 大 科 研 方 向, 其 产 生 的 X 射 线, 不 但 亮 度 较 传 统 同 步 辐 射 光 源 大 幅 度 提 升 脉 冲 时 间 显 著 缩 短, 同 时 还 具 有 与 激 光 一 样 的 相 干 性, 因 而 也 成 为 材 料 生 物 物 理 化 学 等 众 多 前 沿 学 科 取 得 新 突 破 的 重 要 基 础 设 施 保 障 特 别 是 在 生 物 学, 尤 其 是 结 构 生 物 学 领 域 的 发 展 中, 在 过 去 的 几 年 内,XFEL 带 来 一 系 列 颠 覆 性 的 变 革 2011 年, 查 普 曼 (H. Chapman) 利 用 软 XFEL ( 脉 冲 时 间 80 fs, 单 次 脉 冲 能 量 2 mj), 实 现 了 photosystem I 纳 米 晶 体 的 衍 射, 并 结 合 同 步 辐 射 的 实 验 数 据, 证 明 了 photosystem I 在 自 由 电 子 激 光 上 获 得 的 8.5 Å 衍 射 数 据 的 准 确 性 虽 然 由 于 XFEL 波 长 的 限 制, 该 结 构 的 分 辨 率 还 较 低, 但 是 与 以 往 利 用 传 统 蛋 白 质 晶 体 学 解 析 的 结 构 相 比, 整 体 结 构 已 完 全 相 同 2012 年, 布 泰 (S. Boutet) 等 又 进 一 步 利 用 更 高 能 量 的 硬 XFEL, 对 溶 菌 酶 的 晶 体 进 行 衍 射, 利 用 分 子 置 换 的 方 法, 解 析 了 1.9 Å 高 分 辨 率 的 三 维 结 构, 并 通 过 与 传 统 同 步 辐 射 光 源 收 集 的 衍 射 数 据 解 析 的 结 构 的 对 比, 证 明 XFEL 解 析 的 结 构 与 传 统 同 步 辐 射 解 析 结 构 是 完 全 相 同 的 2013 年, 巴 伦 德 (T. Barends) 利 用 XFEL, 首 次 通 过 浸 泡 引 入 重 原 子 的 手 段, 实 现 了 利 用 反 常 散 射 的 方 法 解 析 晶 体 结 构, 这 一 工 作 使 得 XFEL 广 泛 用 于 蛋 白 质 结 构 研 究 成 为 可 能 除 了 上 述 的 进 展 以 外,XFEL 一 项 非 常 诱 人 的 前 景 是 能 够 对 溶 液 状 态 的 单 个 蛋 白 质 分 子 进 行 成 像 2006 年, 塞 伯 特 (M. M. Seibert) 首 次 利 用 XFEL 实 现 了 单 个 mimivirus 颗 粒 的 成 像 虽 然 这 个 工 作 展 示 的 单 颗 粒 成 像 分 辨 率 还 较 低, 但 是 为 最 终 不 用 结 晶 而 完 成 蛋 白 质 分 子 的 结 构 研 究, 提 供 了 理 论 和 实 验 方 面 的 依 据 目 前 国 际 上 仅 有 位 于 美 国 斯 坦 福 直 线 加 速 器 中 心 的 直 线 加 速 器 相 干 光 源 (LCLS) 和 日 本 SPring8 SACLA 已 经 建 成 并 投 入 试 运 行 德 国 瑞 士 等 国 也 都 在 进 行 XFEL 设 施 的 建 设 工 作 相 对 而 言, 我 国 虽 然 较 早 提 出 了 XFEL 的 学 科 构 想, 但 是 在 这 方 面 的 研 究 工 作 已 经 落 在 了 后 面 为 了 紧 跟 XFEL 在 生 物 学 领 域 的 研 究 前 沿, 我 国 生 物 学 家, 特 别 是 结 构 生 物 学 家, 一 直 都 非 常 关 注 XFEL 的 相 关 发 展, 积 极 参 与 国 际 相 关 的 合 作 研 究 工 作, 并 召 开 了 以 硬 X 射 线 自 由 电 子 激 光 : 现 状 与 对 策 (432 次 ) 和 以 X 射 线 自 由 电 子 激 光 在 结 构 生 物 学 中 应 用 的 突 破 性 进 展 (474 次 ) 等 为 主 题 的 香 山 科 学 会 议, 以 战 略 的 眼 光 预 估 将 来 的 发 展 趋 势, 制 定 预 期 目 标, 为 今 后 学 科 发 展 奠 定 基 础 4. 结 语 当 代 中 国 的 结 构 生 物 学 是 以 梁 栋 材 先 生 林 正 炯 先 生 等 为 代 表 的 北 京 胰 岛 素 结 构 研 究 组 ( 即 中 科 院 生 物 物 理 研 究 所 第 七 研 究 室 的 前 身 ) 开 创 的 近 年 来, 国 家 对 基 础 研 究 的 大 量 资 助, 使 得 我 国 的 X 射 线 晶 体 学 和 结 构 生 物 学 不 断 飞 速 发 展, 处 在 一 个 历 史 上 最 好 的 发 展 阶 段 在 此 背 景 下, 中 国 的 科 学 家 取 得 了 一 大 批 令 世 界 瞩 目 的 科 学 研 究 成 果 随 着 XFEL 技 术 和 新 一 代 电 镜 技 术 等 前 沿 技 术 的 发 展,X 射 线 晶 体 学 和 结 构 生 物 学 都 迈 向 了 一 个 新 的 历 史 发 展 阶 段, 中 国 也 非 常 有 必 要 在 这 些 领 域 加 快 发 展, 紧 紧 把 握 住 难 得 的 机 遇, 推 动 我 国 相 关 研 究 领 域 的 继 续 发 展 20 世 纪 80 年 代 初, 梁 栋 材 先 生 曾 提 出, 当 时 的 结 构 生 物 学 的 定 义 是 分 子 结 构 生 物 学, 指 明 当 时 的 技 术 水 平 主 要 是 从 分 子 层 面 研 究 生 物 大 分 子 的 结 构 与 功 能 随 着 XFEL 和 电 镜 等 结 构 生 物 学 技 术 的 迅 猛 发 展, 对 生 物 大 分 子 的 认 识 正 在 逐 步 从 静 态 的 单 一 结 构, 向 时 间 尺 度 的 动 态 过 程 和 空 间 尺 度 的 超 大 分 子 机 器 演 进, 我 们 正 在 迎 接 细 胞 结 构 生 物 学 时 代 的 到 来! 致 谢 感 谢 梁 栋 材 先 生 对 于 本 文 给 出 的 宝 贵 意 见 与 建 议 本 文 内 容, 有 参 考 文 献, 由 于 篇 幅 所 限, 未 能 一 一 列 出 现 代 物 理 知 识 16