因“太交叉”找不到審稿人？中國學者跨界研究解決經典難題

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去年年底，中國科學院生物物理研究所研究員胡俊杰團隊把一篇論文投稿到《自然—通訊》雜志。沒想到，雜志編輯被“難”住了。 “我很難為這篇論文找到合適的審稿人。”編輯坦言，“因為這項研究太跨學科，太交叉了。”幸運的是，盡管最后只找到2位審稿人，但他們都給出了正面的評價，文章得以順利發表。 這篇論文試圖回答的問題是：細胞中的內質網是怎么形成管狀的？在探索這個難題的過程中，研究人員可謂用上了十八般武藝：化學交聯、生物成像、AI結構預測、3D打印……相關專業知識涉及生物化學、細胞生物學、結構生物學、人工智能等多個學科。這讓編輯很難找到在上述領域都有深入了解的學者。 寫這樣一篇論文，可不是為了炫技。早在2008年，還是博士后的胡俊杰就在《科學》上發表論文，指出內質網管狀結構的形成，僅需要一類特定的膜蛋白。但由于這種蛋白自身的特殊性質，不管是他，還是很多更知名的同行學者，都遲遲無法成功解析其結構。 “這代表了一類難以解析結構的蛋白。”胡俊杰說，“在最近這篇論文中，我們運用多種方法的組合，特別是創新性地采用了近年來爆火的AI結構預測和3D打印技術，巧妙地解決了這個問題。”可見這十八般武藝，還真的一個都不能少。  胡俊杰和《自然—通訊》論文的作者合影（左一為向云，右一為呂蕊）受訪者供圖（下同） 之后，他們又采用相似的策略，解析了另一種在片狀內質網形態維持中有著重要作用的蛋白，相關論文發表在《細胞科學雜志》上。   《細胞科學雜志》論文的第一作者徐璐

探究“50納米”的秘密

在著名科幻小說《銀河系漫游指南》里，有一個非常經典的梗：“宇宙的終極答案是‘42’。” 而在像宇宙一樣復雜的微觀細胞世界里，也有這么一個神秘的數字：50納米。 “‘內質網’這種細胞器，相信大家都不陌生。”胡俊杰對《中國科學報》說，“但很少有人注意到，每個細胞只有一張內質網，所有的內質網結構，不管看起來是粗面片狀的，還是光面管狀的，全都是‘連通’的，事實上就是一張網——就像長壽面一樣，看起來滿滿的一碗面，其實只有一根。” 高等動物細胞中片狀內質網的厚度是50納米，管狀內質網的直徑也是50納米。有趣的是，決定前者厚度和后者直徑的分別是不同蛋白，但它們在“50納米”這個數字上達成了某種默契，這也讓細胞中的管狀內質網和片狀內質網能夠順暢地連接在一起。而在酵母菌這樣的單細胞真核生物中，這個“默契”的數字則是30納米。 胡俊杰近期連續發表的這兩篇論文，探究的正是決定片狀內質網厚度和管狀內質網直徑的兩種蛋白的結構。他選取的主要成管蛋白名叫 Yop1p，而片狀部分的支撐蛋白則是橋連蛋白Climp63。

黃色蛋白為成管蛋白，右側藍色蛋白為橋連蛋白

成管蛋白Yop1p是胡俊杰的“老熟人”了。他在博士后期間的課題就是管狀內質網的成形機制。2008年他發表的《科學》論文指出，包括Yop1p在內的一個蛋白家族，是內質網能夠形成管狀結構的充分必要條件，純化的Yop1p在體外重組后就能形成管狀膜結構。從那時起，他就希望能解析這類蛋白的結構，看看內質網的形態究竟是怎樣被塑造的。 但他沒想到，實現夢想要在15年之后。

將各種先進“武器”融匯貫通

Yop1p蛋白的結構之所以難以解析，有這樣幾個原因。 傳統的蛋白質結構解析方法主要包括兩大類：冷凍電子顯微鏡和X射線晶體學。Yop1p由于分子量太小，不適用于冷凍電子顯微鏡。而它從膜上被純化出來后，又總被裹在一層去垢劑中，也難以形成晶體。 更要命的是，Yop1p蛋白的分子間有一些弱相互作用力，會讓它們隨機地形成數量不等的寡聚體。這些長短不一的“貪吃蛇”進一步增加了還原單個蛋白結構的難度。 路都堵死了，怎么走？ 近年來結構生物學領域闖出的一匹“黑馬”——AI結構預測技術幫上了大忙。他們先通過人工智能的深度學習，模擬出了Yop1p蛋白單體的大致結構，發現這個蛋白分子內的跨膜區等元件都相互鎖定在一個較為穩定的位置，換句話說，每一個Yop1p分子都是一個形狀穩固的積木。 然后他們運用化學交聯的手法，把蛋白之間有弱相互作用的位置一一尋找出來，這樣就獲得了拼裝Yop1p多聚體的“圖紙”。 接下來，他們用3D打印技術把這個蛋白打印出來，有趣的事情發生了：兩個蛋白模型按照之前鑒定的結合位點互相對準，“咔噠”一下，就能嚴絲合縫地對在一起。 “就像拼樂高塊一樣。”胡俊杰笑道。

像拼樂高一樣拼蛋白

當把4個蛋白用這種方法拼接在一起時，就會看到一個有著特定弧度的結構，胡俊杰喜歡把它叫做“腳手架”。可以想象，多個這樣的“腳手架”去塑造內質網的膜結構，就會讓膜自然地彎曲起來，形成管狀。更令人驚喜的是Yop1p四聚體的弧度正好吻合酵母內質網管所需的30納米膜曲度。 經過這樣一連串的組合拳，胡俊杰團隊終于成功揭秘了Yop1p蛋白聚合的模式以及曲膜的核心機制。 之后，他們又運用類似的策略預測了橋連蛋白Climp63的結構。他們發現單個Climp63蛋白的長度在不到30納米，兩個Climp63蛋白形成的“尾尾相對”的二聚體，長度恰好就是50納米！ 時隔15年，終于獲得了原先無法解析的蛋白結構。這個過程既得益于技術的進步，也體現了靈活運用各種方法，“打好組合拳”的研究思路。 審稿人也表示，論文的最大亮點之一，就是“作者使用了巧妙的策略”。 近年來流傳著一種說法：隨著AI預測蛋白質結構的能力越來越強，結構生物學家們有可能“失業”。 而胡俊杰的這些工作則證明，AI對科學家來說，并非競爭對手，而是“最佳助手”。

跨界交叉更能“玩轉”科學

盡管這兩篇論文都獲得了傳統方法幾乎無法解析的蛋白質結構，但胡俊杰并不認為這些工作是單純的結構生物學研究。“我們研究的重心還是在內質網的形態和功能上。”他說。 例如，Yop1p在哺乳動物中的同源蛋白REEP1，與一種人類遺傳性疾病——痙攣性截癱密切相關。他們的工作也由此揭示了管狀內質網與這些疾病的內在聯系。 作為一個生命科學領域的學者，胡俊杰的專業背景相當豐富。他本科在復旦大學學習生物化學專業。畢業后赴美國留學，在紐約大學醫學院學習研究胰島素信號轉導的結構基礎。2005年，他獲得藥理學系博士學位，之后在哈佛醫學院細胞生物學系/霍華德休斯醫學研究所從事博士后工作，研究管狀內質網的成形機制。2012年，時年33歲的胡俊杰獲得首屆霍華德·休斯醫學研究所（HHMI）國際青年科學家獎，是當時年齡最小的入選者。同期入選的中國學者還有顏寧、邵峰、張宏、朱冰等。 生物化學、細胞生物學、藥理學、結構生物學、生物物理學……這些不同領域的專業積淀成了胡俊杰科研生涯的寶貴財富。再后來，AI預測、3D打印……他積極地接觸各種新興技術，并把它們運用在自己的科學探索中。 “我也常常鼓勵我的學生們，各種技術和方法都去學習和嘗試，很多傳統思路下幾乎無法解決的科學難題，破局的關鍵點就在這里。”胡俊杰說。 相關論文信息： https://doi.org/10.1242/jcs.260976