「大國重器-中科院重大科技基礎設施」國家蛋白質科學研究(上海)設施

綜述及基本情況

設施概述

國家蛋白質科學研究(上海)設施(以下簡稱「蛋白質設施」)是國家「十一五」規劃建設的重大科技基礎設施,是全球生命科學領域首個綜合性的大科學裝置。蛋白質設施包含海科路園區技術系統和位於上海光源內的蛋白質結構與動態分析系統(俗稱「五線六站」,即複合物、微晶體、高通量晶體結構分析線站和X射線小角散射、時間分辨紅外譜學、紅外顯微譜學與成像蛋白質動態分析線站)2 個部分,主體建築面積約為 3.3 萬平方米。蛋白質設施於 2015 年 7 月通過國家驗收後正式開放運行。2017 年 9 月蛋白質設施正式加入張江實驗室。張江實驗室的建設是中國科學院和上海市政府認真貫徹落實習近平總書記關於建設具有全球影響力科創中心重大決策的切實舉措,是院市雙方站在國家科技創新總體布局高度,面向全球科技創新發展態勢作出的一項重大部署。2018 年是蛋白質設施實現轉折跨越的關鍵一年,在張江實驗室的帶領下,蛋白質設施始終牢記責任,主動抓機遇、迎挑戰,凝心聚力推創新,為建設張江實驗室及具有全球影響力的科創中心提供強有力的科技支撐。

蛋白質設施按功能劃分為 9 大技術系統,包括自主研製的規模化蛋白質製備系統、蛋白質結構與動態分析系統、900 m 核磁為主兼顧液態和固體樣品的蛋白質核磁共振分析系統、300 kV 電鏡為主的集成化電鏡分析系統、分析蛋白質修飾與相互作用的質譜系統、超高解析度顯微鏡等組成的複合雷射顯微鏡系統、生物型原子力顯微鏡和光鑷檢測儀等組成的分子影像系統和資料庫與計算分析系統等 9 個研究系統。通過 9 大系統間的研究技術結合與互補,構成實現蛋白質科學研究的一站式科研及服務平臺。

總體目標與學術方向

蛋白質設施的科學目標是依託第三代同步輻射裝置「上海光源」開展蛋白質結構生物學相關研究,分析蛋白質修飾和相互作用,研究蛋白質的分子活體成像,闡釋蛋白質與化學小分子之間的相互作用;開展蛋白質相關的計算生物學與系統生物學研究;大力發展蛋白質研究的新方法和新技術;以新藥物靶點的發現為突破口,結合創新藥物的發展,研究蛋白質藥物新靶標功能活動的結構特徵,形成國際一流的蛋白質科學研究體系和我國蛋白質科學及技術的重要創新基地。

蛋白質設施將圍繞細胞與蛋白質結構功能解析、新技術新方法研究以及蛋白質設計與應用等方向開展深入的研究,為生物醫藥和類腦智能提供堅實的實驗技術支撐。蛋白質設施的技術人員將繼續為用戶提供一流的技術服務和實驗方案,為用戶的實驗設計及結果分析提供優質的服務。

研究進展與成果

發現並闡明了伊波拉病毒入侵人體的一種新機制

伊波拉病毒是引起人和靈長類動物發病且致死率很高的生物安全四級烈性病毒。據世界衛生組織統計,自 1976 年首次被發現至今,伊波拉病毒已在非洲肆虐了近 40 年。2014 年 3 月開始的一場薩伊型伊波拉病毒疫情,共導致了 28 000 多人感染,死亡人數接近 11 000 人。2016 年 1 月,中國科學院微生物研究所、中國疾病預防控制中心高福研究團隊,利用國家蛋白質科學研究(上海)設施,率先解析出了 NPC1 分子的腔內結構域 C 的三維結構和激活態糖蛋白與腔內結構域 C 的複合物三維結構,從而在分子水平上闡釋了一種新的病毒膜融合激發機制(第 5 種機制)。這種新型機制與之前已知的 4 種病毒膜融合激發機制都大為不同,成為近年來國際病毒學領域的一大突破。該研究加深了人們對伊波拉病毒入侵機制的認識,為應對伊波拉病毒病疫情及防控提供重要的理論基礎,也為抗病毒藥物設計提供了新靶點。相關成果發表於國際權威學術期刊 Cell。

首次闡明了酵母剪接體激活的分子機制

由於真核生物中的基因編碼區中存在不翻譯成蛋白質的序列(稱為內含子),染色體 DNA 轉錄出來的前體 mRNA 需要先將其中的內含子片段去除,才能進入核糖體進行蛋白質合成。內含子的去除需要由一個龐大、複雜而動態的分子機器——剪接體通過兩步轉酯反應來實現。獲取剪接體在組裝、激活、催化反應過程中各個狀態的結構是最基礎也是最富挑戰性的結構生物學難題之一。2016 年 7 月 22 日,施一公研究組首次報導了釀酒酵母剪接體分別處於激活狀態和第一步催化反應後的近原子解析度的剪接體結構,首次完整地展示了第一步轉酯反應前後前體 mRNA 和其中起催化作用的 snRNA 的反應狀態,以及剪接體內部蛋白組分的組裝情況。2016 年 12 月,施一公研究組捕獲了性質良好的釀酒酵母剪接體樣品,並利用先進的單顆粒冷凍電鏡技術和高效的數據分類方法,重構出了總體解析度分別為 4.0 Å 的冷凍電鏡結構,再次率先報導了酵母第二步催化激活狀態下的剪接體結構。該結構的解析,進一步補充了 mRNA 剪接過程的關鍵信息,描述了從第一步轉酯反應到第二步轉酯反應過程中剪接體催化反應活性中心內部組分的變化,以及關鍵蛋白的參與情況,為理解第二步反應所需的剪接位點是如何進入活性位點提供了重要的結構基礎。相關成果發表於國際權威學術期刊 Science。

破解結核病致病菌奧秘

清華大學饒子和院士團隊基於分枝桿菌能量代謝系統呼吸鏈超級複合物高解析度(3.5×10−10 m)冷凍電鏡結構的研究,揭示了生命體內一種新的醌氧化與氧還原相偶聯的電子傳遞機制。也是首次通過結構生物學研究,發現超氧化物歧化酶(SOD)直接參與呼吸鏈系統氧化還原酶超級複合物的組裝,並協同工作的現象。該項工作對於「摸清」致病菌的能量代謝路徑至關重要,此項研究破解了結核分枝桿菌能量代謝的奧秘,為抗擊耐藥結核的新藥研發奠定了重要基礎。

設施質譜系統通過高解析度質譜定性分析準確地解析出並確證了複合物中各個亞基組成(特別是對於低豐度亞基的確證),利用非標相對定量技術對於各個亞基的摩爾比作出了相應的推斷,從而證實了用於結構解析複合物的正確性和完整性,是蛋白質複合物正確結構解析的第一道保障;同時,通過高覆蓋率和高精度的蛋白質測序技術很好地區分了內源性亞基和外源性亞基的區別,保證了複合物解析的準確性。規模化蛋白質製備系統和電鏡系統分別為研究工作的電鏡樣品製備和 300 kV 高解析度數據收集提供了有力支持。該研究在 Science 以研究論文的形式在線發表。(中國科學院院刊供稿)