這是一顆小小的透明顆粒,盡管研究人員將它比作“水晶”、“鉆石”,但看起來,它還是更像一小粒白砂糖。
事實(shí)上,這!吧疤恰钡恼鎸(shí)身份,是一種名為“肌動(dòng)蛋白6”(MyosinVI)的蛋白質(zhì)形成的結(jié)晶體。已經(jīng)有研究證實(shí),這種蛋白質(zhì)的運(yùn)轉(zhuǎn)障礙,不僅可能導(dǎo)致先天性耳聾、眼盲,更與男性的前列腺癌和女性的卵巢癌、子宮癌密切相關(guān)。
有人正試圖揭開“砂糖”的秘密——8月12日,香港科技大學(xué)張明杰教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)在美國《細(xì)胞》雜志發(fā)表論文,宣布成功破解“肌動(dòng)蛋白6”的運(yùn)轉(zhuǎn)模式。
現(xiàn)在,已有樂觀的評論認(rèn)為,在此基礎(chǔ)上,對這種蛋白質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)障礙進(jìn)行修復(fù)將不再遙遠(yuǎn),而基因?qū)е碌亩@、眼盲,甚至部分癌癥的治愈都將指日可待。
這些令人憧憬的契機(jī),全部由這一粒!吧疤恰闭归_。
尋找兩條“腿”的證據(jù)
這些“砂糖”粒的前身,是一種包含著“肌動(dòng)蛋白6”的蛋白液。從這種透明的液體,到這些細(xì)小的“砂糖!,張明杰實(shí)驗(yàn)室的研究人員花費(fèi)了將近8年時(shí)間。而吸引科研人員耗費(fèi)這么久時(shí)間的,其實(shí)并不是“肌動(dòng)蛋白6”與癌癥的高相關(guān)性,而是這種蛋白質(zhì)在細(xì)胞運(yùn)行過程中的獨(dú)特地位。
在人體細(xì)胞中,蛋白質(zhì)包含著細(xì)胞所需的營養(yǎng),是確保細(xì)胞健康、人體正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要物質(zhì)。而肌動(dòng)蛋白就像公交車一樣,能夠搭載蛋白質(zhì),并把它們運(yùn)到細(xì)胞需要的地方。
不過,這些肌動(dòng)蛋白可都是“單程車”,并且絕大多數(shù)肌動(dòng)蛋白只能沿著一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。還好有“肌動(dòng)蛋白6”進(jìn)行反向運(yùn)輸,維持了蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的循環(huán)!暗鞍踪|(zhì)的循環(huán)利用離不開肌動(dòng)蛋白的雙向運(yùn)送,而在這個(gè)過程中,"肌動(dòng)蛋白6"是特別重要的。”張明杰說。
事實(shí)上,從上世紀(jì)70年代“肌動(dòng)蛋白6”第一次被發(fā)現(xiàn)以來,這個(gè)唯一的“返程車”一直引發(fā)著學(xué)界的高度興趣。而一直致力于研究肌動(dòng)蛋白的張明杰,也率領(lǐng)實(shí)驗(yàn)室,從2000年起,加入這一研究當(dāng)中。
研究的第一步,當(dāng)然是要生產(chǎn)大量的“肌動(dòng)蛋白6”。
研究人員選擇了大腸桿菌。他們把大腸桿菌分為兩組,分別將特定的基因片段植入大腸桿菌體內(nèi),然后進(jìn)行培養(yǎng)。很快,大腸桿菌就像一臺(tái)開動(dòng)了的機(jī)器一樣,包含著“肌動(dòng)蛋白6”的蛋白液開始被源源不斷地制造出來。
在此之前,科學(xué)家們已經(jīng)觀測到,“肌動(dòng)蛋白6”有時(shí)候像一個(gè)小圓球,有時(shí)候又形成二聚物與所運(yùn)輸?shù)摹柏浳铩苯Y(jié)合在一起,就像長出兩條“腿”一樣。張明杰猜想,這兩條“腿”是為了運(yùn)載它所背負(fù)的蛋白質(zhì)而生成的。
這位剛過40歲卻頭發(fā)灰白的學(xué)者,邏輯清晰而簡單:將背負(fù)著蛋白質(zhì)和沒有背負(fù)蛋白質(zhì)的“肌動(dòng)蛋白6”分別收集起來,并加以分析,如果前者的“肌動(dòng)蛋白6”組織中包含二聚物,而后者不包括,那么通過簡單的推理就能夠證明,遇到需要背負(fù)的蛋白質(zhì)后,“肌動(dòng)蛋白6”會(huì)生成兩條“腿”,從而將蛋白質(zhì)運(yùn)輸?shù)搅硪粋(gè)地方。
按照這個(gè)思路,研究人員把培養(yǎng)好的兩組大腸桿菌培養(yǎng)液分別放入離心機(jī),在“甩”掉上層溶液之后,對獲得的菌體進(jìn)行超聲波破碎,很快,他們就得到了兩份包含不同狀態(tài)“肌動(dòng)蛋白6”的蛋白液。
相比于前期步驟的順利進(jìn)行,接下來的研究卻困難重重。研究人員花了三年時(shí)間,尋找各種方法,來試著分析蛋白液中“肌動(dòng)蛋白6”的結(jié)構(gòu),卻總是徒勞無功。
實(shí)驗(yàn)室的墻壁上,被貼上了“少壯不努力,老大徒傷悲”,“明日復(fù)明日,明日何其多”的標(biāo)語。雖然研究人員們也會(huì)抽空上網(wǎng)打打游戲,甚至把包裝實(shí)驗(yàn)器材的紙盒子像搭積木一樣壘到房頂,但大多數(shù)時(shí)間,他們還是不斷地做實(shí)驗(yàn)、看文獻(xiàn),或者思考實(shí)驗(yàn)應(yīng)當(dāng)如何進(jìn)行。
張明杰也在思考。一次次的實(shí)驗(yàn)失敗后,他的一個(gè)想法漸漸清晰了起來:將蛋白液進(jìn)行結(jié)晶,通過對晶體結(jié)構(gòu)的分析,來判斷蛋白組織中是否存在“兩條腿”。
在實(shí)驗(yàn)開始三年之后,張明杰實(shí)驗(yàn)室終于開始向小“砂糖”進(jìn)發(fā)了。
從“糖水”到“砂糖”
剛加入張明杰實(shí)驗(yàn)室的時(shí)候,余聰對自己的研究充滿了信心。
這個(gè)來自中國科技大學(xué)的女孩子,畢業(yè)后選擇在香港科技大學(xué)生物化學(xué)系繼續(xù)攻讀研究生。而她在實(shí)驗(yàn)室里主要參與的研究項(xiàng)目,就是探尋“肌動(dòng)蛋白6”的運(yùn)動(dòng)模式。
這是2004年9月。實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)明確,運(yùn)用蛋白液的結(jié)晶來進(jìn)行分析,她的首要任務(wù),就是做出這個(gè)“小砂糖”來。
如同蔗糖溶液有可能析出大塊的冰糖,也有可能析出小粒的砂糖一樣,蛋白液要析出高質(zhì)量的晶體,一定要具備足夠好的狀態(tài)!斑@種好的"狀態(tài)"包括,要達(dá)到一定濃度,包含的雜質(zhì)要盡可能少,同時(shí),所有的蛋白分子也要在同一狀態(tài)下!庇嗦斦f。
為了讓蛋白質(zhì)達(dá)到足夠高的質(zhì)量,中間需要很多步驟,包括運(yùn)用沉淀、加入化學(xué)試劑等方法,來去除雜質(zhì),提高蛋白液的純度。而在這些步驟完成之后,還需要把蛋白液放入核磁共振的儀器中進(jìn)行檢驗(yàn),看它的質(zhì)量是否已經(jīng)符合要求。
不過,這還不是實(shí)驗(yàn)中最復(fù)雜的環(huán)節(jié)。
與糖水冷卻直接形成砂糖不同,蛋白液要生長出蛋白質(zhì)晶體,需要兩千多條特定的條件。包括溶液中包含的各類電解質(zhì)、鹽類,以及溶液的酸堿度、溫度等等。而對于研究人員,這些條件都需要一個(gè)一個(gè)地去嘗試。“我們根據(jù)別人已有成果中列舉的條件,在此基礎(chǔ)上增加其他東西進(jìn)去!庇嗦斦f,“這種方法就像"掃描"一樣,什么條件都不能落下!
前前后后,余聰做的實(shí)驗(yàn)超過一萬次。這工作比她之前預(yù)想的要困難得多。初來時(shí)的豪情壯志沒有了,她甚至一度覺得,研究成果似乎“遙不可及”。
不過,也就是在這樣一點(diǎn)一點(diǎn)的“排查”中,實(shí)驗(yàn)竟然開始漸入佳境。慢慢地,在一些條件下,蛋白溶液中開始析出一些微小的晶體。不過,這些晶體實(shí)在太小了,還沒有辦法分析結(jié)構(gòu)。余聰趕忙對這些條件進(jìn)行優(yōu)化,很快,新的蛋白溶液中長出的蛋白晶體,長度超過了0.1毫米。
雖然這樣的大小,比起“砂糖!边算是“迷你型”,但用作研究已經(jīng)足夠了。欣喜萬分的余聰知道,接下來的任務(wù),就是要深入“砂糖”內(nèi)部,去看看它的結(jié)構(gòu)了。
透視“砂糖”內(nèi)部
在實(shí)驗(yàn)最艱難的時(shí)候,每天夜里兩三點(diǎn),從實(shí)驗(yàn)室獨(dú)自走在回家的路上,滿心沮喪的余聰都會(huì)給自己的男朋友打電話。這位同樣是生物專業(yè)的博士研究生,除了給她一些專業(yè)的建議,也半開玩笑地勸慰余聰:“做不好我們就結(jié)婚吧!
2006年春天,余聰利用復(fù)活節(jié)的假期回到內(nèi)地,和男友魏志毅領(lǐng)了結(jié)婚證。
接下來的一段時(shí)間,兩人的生活并沒有太多變化。魏志毅遠(yuǎn)赴美國工作,余聰繼續(xù)在實(shí)驗(yàn)室里培養(yǎng)“小砂糖”。直到實(shí)驗(yàn)取得重大進(jìn)展,生成了足夠大小的蛋白晶體,需要用X光進(jìn)行分析的時(shí)候,張明杰想到了主要研究這一領(lǐng)域的魏志毅。
很快,這位實(shí)驗(yàn)室的“家屬”就被拉入了伙,第一批蛋白晶體也被送到了X光設(shè)施下。
這種對蛋白質(zhì)晶體進(jìn)行的X光分析與我們?nèi)粘U盏纳眢w透視并沒有太大相同,相反,倒是更加類似于中學(xué)課本上的“棱鏡”實(shí)驗(yàn)。通過讓X光照過蛋白晶體,并對其所形成的衍射點(diǎn)進(jìn)行分析,實(shí)驗(yàn)室的研究人員對產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行了計(jì)算,很快就判定,這種由背負(fù)著蛋白質(zhì)的“肌動(dòng)蛋白6”所形成的晶體,內(nèi)部包含二聚結(jié)構(gòu)。
而對于“空倉”狀態(tài)的“肌動(dòng)蛋白6”,研究人員并沒有對它的蛋白液進(jìn)行結(jié)晶,而是直接通過另一位博士生馮巍所擅長的核磁共振分析了它的結(jié)構(gòu),并且判定,其中并不包含二聚結(jié)構(gòu)。
這與張明杰之前的判斷完全吻合:在背負(fù)蛋白質(zhì)的幫助下,“肌動(dòng)蛋白6”生成了兩條“腿”,以完成自身的運(yùn)輸功能。
實(shí)驗(yàn)室的同學(xué)們開心極了!捌胀ㄈ丝吹竭@種結(jié)構(gòu)沒什么想法,但我們知道它的意義,它解決了很重要的問題!庇嗦斦f。在接下來的周末,整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的成員們與張明杰一起,去廣東南沙“大吃大玩了一次”。
2008年11月,實(shí)驗(yàn)室最終完成了“肌動(dòng)蛋白6”二聚體的結(jié)構(gòu)解析,他們用一個(gè)月的時(shí)間把數(shù)據(jù)整合起來,并寫成了論文。在2009年2月,將論文投給了《細(xì)胞》雜志。事實(shí)上,論文發(fā)表后,很多實(shí)驗(yàn)室也已經(jīng)開始以此為依據(jù),展開進(jìn)一步研究了。
關(guān)于這項(xiàng)研究的意義,余聰說,這是一個(gè)很基礎(chǔ)的研究,它“描述了肌動(dòng)蛋白一種新的運(yùn)輸模式,也更新了科學(xué)界一些最基本的理念”。
更重要的是,它還為一些疾病的治療提供了很大的可能性。針對“肌動(dòng)蛋白6”出現(xiàn)功能障礙引發(fā)的細(xì)胞突變,研究人員猜測,可能是由于它無法與需要運(yùn)輸?shù)牡鞍踪|(zhì)結(jié)合,或者結(jié)合后無法生成兩條“腿”而造成的。這就為細(xì)胞突變引發(fā)的疾病,包括先天性耳聾、眼盲和部分癌癥的治療找到了一條新的方向。
而最近的好消息是,對于耳聾癥狀的研究,實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)取得了很大進(jìn)展。“問題搞清楚了,耳聾的人便有機(jī)會(huì)完全恢復(fù)聽力!”張明杰表示。
他期待著,這一粒粒又小又不起眼兒的“砂糖”,會(huì)帶給人類更好的消息。