馬普所中國博士生首次解析出伴肌動(dòng)蛋白的三維結(jié)構(gòu)圖，或可幫助準(zhǔn)父母預(yù)測(cè)后代患病可能性

“審稿人看完非常開心和激動(dòng)，認(rèn)為該工作解決了領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)比較重要的問題，方法也非常完善，很適合在 Science 發(fā)表?！钡聡R克斯-普朗克分子生理學(xué)研究所斯特凡·勞恩瑟（Stefan Raunser）組的博士生王浙鑫表示。

圖 | 王浙鑫（左）和共同作者邁克爾·格蘭奇（Michael Grange）（右）（來源：王浙鑫）

2 月 18 日，他在 Science 發(fā)表了一篇共同一作論文，題為《完整肌原纖維中的結(jié)構(gòu)揭示伴肌動(dòng)蛋白調(diào)節(jié)細(xì)肌絲的機(jī)制》（Structures from intact myofibrils reveal mechanism of thin filament regulation through nebulin）[1]。

圖 | 相關(guān)論文（來源：Science）

既突破生物難題，也突破方法難題

該研究主要有兩個(gè)方向的突破。其一，它解決了生物學(xué)上的基本問題，肌肉研究領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)是伴肌動(dòng)蛋白，它和肌原纖維中的細(xì)肌絲緊密相關(guān)，也是肌肉中重要的組成部分。而王浙鑫等人不僅解析了伴肌動(dòng)蛋白的結(jié)構(gòu)，并理解了它的功能。

其二，該工作也是電子顯微鏡方法學(xué)上的突破。研究主要使用了兩個(gè)方法：一個(gè)是冷凍斷層掃描，另一個(gè)是聚焦離子束切割。此前，人們可通過斷層掃描觀察到原位狀態(tài)下的蛋白質(zhì)。但是，該方法始終對(duì)樣品厚度有要求，必須是非常薄的樣品才能用這種方法成像。

（來源：Science）

而此次運(yùn)用的冷凍聚焦離子束切割方法，擴(kuò)展了斷層掃描方法的廣泛性，即通過切割可得到任意厚度的樣品，使得斷層掃描基本可用于所有生物樣品。但問題在于，作為一種新方法，它的效率比較低，且積累的用戶比較少。

而本次研究結(jié)合以上兩種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了目前最高的分辨率，借此可以建立蛋白的結(jié)構(gòu)模型。簡(jiǎn)而言之，這兩種方法結(jié)合之后，可作為一種獨(dú)立方法去研究蛋白質(zhì)在原位狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)。

（來源：Science）

據(jù)王浙鑫介紹，該研究是 2021 年他的一篇 Cell 論文的延續(xù)[2]。上次工作也采用了類似方法，也就是使用冷凍斷層成像和聚焦離子束，去觀測(cè)骨骼肌的肌小節(jié)的三維影像。不過上次主要關(guān)注肌小節(jié)整體的圖像，這次則觀察了具體的蛋白。

據(jù)悉，其所在的斯特凡·勞恩瑟團(tuán)隊(duì)之前的主要研究方向是單顆粒冷凍電鏡，一般研究過程是把蛋白質(zhì)純化和分離出來，然后解結(jié)構(gòu)以便達(dá)到高分辨率。但是，始終有一些問題無法得到回答，比如這些蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)是不是真實(shí)環(huán)境下所展現(xiàn)的狀態(tài)？

（來源：Science）

說到這里王浙鑫說：“我們的關(guān)注重點(diǎn)是肌肉，但是一直都不知道蛋白質(zhì)分離出來與在肌肉中的狀態(tài)是否一樣。其次，有一些蛋白質(zhì)沒有辦法分離出來，或者分離出來之后，與分離前的狀態(tài)完全不一樣。因此要想辦法弄清楚蛋白質(zhì)的位置、結(jié)構(gòu)和功能?！?/span>

課題一開始，王浙鑫和導(dǎo)師斯特凡·勞恩瑟決定要回歸生物環(huán)境，即直接在肌肉中去研究想看到的蛋白質(zhì)，因此他從單顆粒冷凍電鏡轉(zhuǎn)向冷凍斷層掃描技術(shù)。雖然二者都是用電子顯微鏡這一設(shè)備，但是冷凍斷層掃描技術(shù)還需要一些其他設(shè)備和數(shù)據(jù)處理上的技術(shù)，但在起初他們都沒有。

剛開始，王浙鑫的導(dǎo)師負(fù)責(zé)購買設(shè)備，他主要負(fù)責(zé)學(xué)習(xí)相關(guān)技術(shù)，然后和其他同事完善技術(shù)和流程，最后收集大量數(shù)據(jù)、并進(jìn)行處理和分析，直至完整的論文成型。

（來源：Science）

王浙鑫說，一直以來他覺得科學(xué)研究要么“上書架”，要么“上貨架”，此次研究便屬于后者，其主要意義是加深對(duì)肌肉的理解。

可幫助準(zhǔn)父母預(yù)測(cè)未來孩子是否存在患病可能

雖然說是基礎(chǔ)研究，但也有不錯(cuò)的應(yīng)用前景。例如，他所研究的伴肌動(dòng)蛋白，與桿狀體肌病緊密相關(guān)，即伴肌動(dòng)蛋白的基因突變會(huì)導(dǎo)致該疾病的發(fā)生。然而，也有很多突變不會(huì)導(dǎo)致該疾病。因此，如果沒有相關(guān)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，就無法判斷某一突變究竟重不重要、或者會(huì)不會(huì)致病。

而本次成果誕生后，即可通過測(cè)序進(jìn)行線狀體肌病的早期診斷，以及一些變異體攜帶者的遺傳疾病咨詢。準(zhǔn)父母?jìng)兙湍軗?jù)此推測(cè)將來的孩子是否會(huì)患病，這也是一種直接的價(jià)值。

長遠(yuǎn)來說，此次提出的方法有助于開發(fā)肌肉疾病療法，或者延緩肌肉的衰老。不僅如此，未來還可借此研究不同的****物對(duì)肌肉的影響，尤其是在與心臟和生命相關(guān)的疾病中。

總的來說，目前該研究只涉及到伴肌動(dòng)蛋白，接下來王浙鑫所在團(tuán)隊(duì)打算將該方法拓展到其他蛋白上。肌肉內(nèi)有很多類似的、但卻功能各異的蛋白，如果把該方法擴(kuò)展到更廣泛的蛋白質(zhì)上，就可幫助理解更多疾病的分子機(jī)理。

同時(shí)，還可觀測(cè)衰老的肌肉中不同蛋白質(zhì)的狀態(tài)，借此了解肌肉衰老的機(jī)制，從而幫助開發(fā)一些延緩肌肉衰老的****物。對(duì)于一些基于分子層面開發(fā)的****物，可以利用這一手段觀測(cè)整個(gè)肌肉中蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，以判斷這些****物對(duì)于整體肌肉的影響。

（來源：Science）

畢業(yè)后去劍橋做博后，學(xué)術(shù)伉儷即將團(tuán)聚

王浙鑫表示：“研究后半段基本上處于新冠期間，沒想到新冠會(huì)持續(xù)這么長時(shí)間。雖然大部分時(shí)間都是分析數(shù)據(jù)和寫文章，但是由于缺少交流，對(duì)生活的影響是特別大的。另外，我在這段時(shí)間也結(jié)識(shí)了我的女朋友，她陪伴著我，也給了我很多幫助?！?/span>

在科研方面，比較有意思的算是前段時(shí)間 AlphaFold2 的公布。他表示：“目前來看，AlphaFold2 對(duì)于伴肌動(dòng)蛋白的整體預(yù)測(cè)是不準(zhǔn)確的。但是，AlphaFold2 在局部的預(yù)測(cè)可以給我們很多靈感。比較遺憾的是，AlphaFold2 發(fā)布的時(shí)候，我已經(jīng)完成了結(jié)構(gòu)模型，否則這個(gè)人工智能程序其實(shí)可以減少我的一部分精力。”

（來源：Science）

至于后續(xù)計(jì)劃，如前所述肌肉中還有很多蛋白，它們的結(jié)構(gòu)都是未知的。此次方法也將逐步應(yīng)用在各種蛋白上。

“這也將是我們組的大方向，主要是研究其他的蛋白質(zhì)在肌肉中，以及不同的蛋白質(zhì)在不同的肌肉狀態(tài)下是什么樣的。最終的目的是為了開發(fā)出肌肉疾病的療法并延緩肌肉的衰老，也就是說，我們會(huì)繼續(xù)研究疾病狀態(tài)下的肌肉以及衰老狀態(tài)下的肌肉?！彼硎尽?/span>

據(jù)悉，王浙鑫是山東人，其本碩均就讀于帝國理工學(xué)院。后來到德國多特蒙德的馬克思普朗克分子生理學(xué)研究所讀博，預(yù)計(jì) 2022 年夏畢業(yè)。

對(duì)于所選擇的結(jié)構(gòu)生物學(xué)專業(yè)，他說結(jié)構(gòu)生物學(xué)相當(dāng)于一個(gè)基石，自然界中各種過程都和蛋白質(zhì)相關(guān)，相關(guān)科研人員要做的第一件事就是弄清楚蛋白質(zhì)的模樣。如果不知道蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)就去研究，其實(shí)會(huì)很盲目。所以，他一直都覺得解析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)很重要。

但是，他對(duì)電子顯微鏡更感興趣，可以“所見即所得”。借助顯微鏡能直接看到蛋白質(zhì)的樣子，而非通過技術(shù)手段算出來，前者能讓他感受到自然的美感，通過蛋白質(zhì)可以看到自然界許多年的進(jìn)化演變，以及每個(gè)蛋白質(zhì)在特定位置形成的特有形狀。

圖 | 王浙鑫和女友（來源：王浙鑫）

對(duì)于后續(xù)計(jì)劃，他說：“我已經(jīng)定下來去劍橋分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室做博后，運(yùn)用類似的方法解決不同的生物問題，因?yàn)?/span>我女朋友也在那邊。她是醫(yī)生，也會(huì)做一部分科研。將來我們的計(jì)劃肯定是回國，但具體什么時(shí)候還是需要合適的時(shí)機(jī)。”

-End-

參考：

1、Wang, Z., Grange, M., Pospich, S., Wagner, T., Kho, A. L., Gautel, M., & Raunser, S. (2022). Structures from intact myofibrils reveal mechanism of thin filament regulation through nebulin. Science, 375(6582), eabn1934.

2、Wang, Z., Grange, M., Wagner, T., Kho, A. L., Gautel, M., & Raunser, S. (2021). The molecular basis for sarcomere organization in vertebrate skeletal sarcomere. Cell, 184, 2135-2150.e13.