詳述蛋白質晶體學技術的發展與展望

記得上次跟大家簡單分享過關于蛋白質晶體學的相關知識，今天跟大家詳細的探讨一下。

從50年前英國科學家解析出第一個蛋白質晶體結構以來,蛋白質晶體學曆經數個裡程碑式的發展,已經成為一門成熟的高科技學科,是結構生物學的主要研究手段。近年來結構生物學發展迅速并和其他學科相互滲透交叉,特别是受到結構基因組學等熱點學科的極大帶動。作為結構生物學的基本手段和技術,蛋白質晶體學從解析簡單的蛋白質三維結構延伸到解決各類生物大分子及複合物結構,并更加注重研究結構與功能之間的相互關系,派生出諸如基于結構的藥物設計等應用性很強的分支。生物技術及計算機技術的飛速發展,尤其是高通量技術在生物學領域的應用,為蛋白質晶體學帶來了全新的概念和更加廣闊的前景。

蛋白質晶體學（或稱蛋白晶體學）是利用X射線晶體衍射技術進行生物大分子結構研究的通稱，是結構生物學的一個重要組成部分。蛋白質晶體學的研究對象是一切具有重要（包括尚屬未知）生物學功能的，可以被提純、結晶的大分子或大分子複合物。通常，生物體内發揮主要功能的物質，無論從質的方面還是量的方面來說基本上都是蛋白質，因此蛋白質晶體學也可以說是主要研究蛋白質結構與功能的一門學科。當前，生命科學的研究已進入“蛋白質時代”。國務院2006年發布的今後十五年《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》中明确将“蛋白質研究”作為基礎研究的重大研究計劃之一。生命科學的主要任務是探讨基因組信息中蘊藏的所有功能。基因組的功能最終是通過它的重要表達産物——蛋白質而完成，對于基因功能的探讨必然最終落實到對蛋白質的研究。以細胞内全部蛋白質的存在、活動方式以及相互作用為研究對象的蛋白質組學是當前生命科學領域的熱點之一。具有同樣重要意義的蛋白質的結構與功能關系研究也是生命科學領域的前沿和焦點。蛋白質科學的國際發展态勢，一是對蛋白質進行全面廣泛的研究，找出所有可能存在于生物體内，特别是人體内的不同種類蛋白質分子（有幾萬種之多）并對其定位。目前這主要是依靠以質譜技術為主要手段的蛋白質組學研究，力争鑒定出所有可能的蛋白質，然後再深入探讨各種蛋白質的功能及相互作用，為理解其生物學機理以及可能的應用奠定基礎。二是對已經鑒定出的蛋白質及其複合物的三維結構進行深入的解析及分析，對蛋白質分子的三維結構解析到原子水平（因而也就能夠大緻定位價電子及質子）應該是理解蛋白質功能所需要的最深層次。這是因為一般在常溫、常壓下進行的生物學反應過程不可能涉及高能反應，對亞原子層次（原子核以下）的結構細節無需更多要求。這個縱深層次的三維結構研究就是結構生物學，當前國際發展趨勢是以X射線晶體學作為解析蛋白質原子分辨率結構的主要手段，核磁共振技術（NMR）和電鏡技術（EM）為輔助手段。然而，在已知蛋白質所有折疊類型的原子分辨率結構基本解析完成以後，EM技術有可能成為研究大分子複合物結構的主導手段。NMR技術在研究蛋白質及其複合物的動态過程方面，則有着無可比拟的優勢。結構生物學的研究對于深入理解蛋白質功能與機理非常重要，同時也是基于結構進行合理化藥物研發及設計的基礎。也許可以說，蛋白質組學是對蛋白質的廣度進行研究，探索未知；而結構生物學是對已知蛋白質進行深入研究，探微求源，以達到對其生物功能和作用機理更加深刻的理解。

蛋白質晶體學的發展曆程

1895年德國物理學家倫琴（W.C.Roentgen）在研究陰極射線過程中偶然發現X射線，因此獲得了1901年第一個諾貝爾物理學獎。X射線的發現奠定了包括X射線晶體學在内的許多新領域的基礎，拉開了一個學科——X射線晶體學誕生的序幕。1912年德國物理學家勞埃（MaxvonLaue）推測，如果X射線波長與礦物晶體晶格長度相似，則當射線通過晶體時，晶體可作為立體光栅産生X射線衍射圖譜，勞埃的想法通過他及助手對多種晶體的衍射實驗得到證實，後來他還提出Laue方程來描述晶體X射線衍射。緊随其後，在對X射線晶體結構分析的深入研究中，英國物理學家布拉格父子（TheBraggs）于1913年提出了X射線衍射方程式，即Bragg方程，更為直觀地描述X射線衍射行為，并由此測定了有史以來第一個晶體結構——NaCl的結構。因此，1913年常被認為是X射線晶體學的開端。此後多年，X射線晶體學技術在解析許多無機及有機化合物空間結構中被廣泛應用，為研究多種化合物的鍵長、鍵角等方面提供了精确數據，為理解原子的價鍵理論奠定了堅實的基礎。例如，1928年英國化學家凱瑟琳·倫斯戴爾（KathleenLonsdale）報道，苯環結構中的6個鍵并不是單雙鍵交錯排布，而是大小等同的；1935年，Robertson等人測定酞菁的結構，第一次利用晶體X射線技術解析了複雜有機化合物的結構；1951年，荷蘭結構化學家Bijvoet利用X射線異常散射技術建立了右旋酒石酸鈉的絕對構型；英國著名化學家、晶體學家多蘿思·霍奇金（DorothyCrowfootHodgkin）教授等人在1949年和1957年先後解析了盤尼西林（penicillin）和維生素B12（vitaminB-12）的晶體結構。這些重要化合物的精确立體結構信息極大地促進了有機化學及相關醫藥領域研究的發展。然而，比起當時已經解析的最複雜的有機分子晶體來說，蛋白質分子不僅更為複雜、體積更大，晶體單胞也要大許多，這使得蛋白質晶體結構解析更加困難，一些對小分子适用的晶體學方法不能直接用于蛋白質的結構解析。

對蛋白質晶體學及結構基因組學的展望

光源方面

室内光源不僅在數量上會繼續增加，而且在光源強度和波長可調節性等性能上也會有所提高，未來的室内光源将會使更多的衍射能力較弱的晶體也能夠收集到數據。在同步輻射光源方面，微聚焦、高光強的光束線已經可以對微米大小的蛋白質晶體進行數據采集，這方面的進展可以使得以前不可能或難以收到數據的微晶或衍射能力差的蛋白質晶體，如膜蛋白或大分子複合物（如核糖體）的晶體結構得到解析。這些進展對研究膜蛋白及複雜複合物分子機器具有重大意義。

數據收集和處理

蛋白質晶體衍射數據的收集與處理是緊密相關聯的。随着相應軟件的進一步成熟與完善，特别是計算機運行速度及存儲空間的不斷加大，蛋白質晶體數據收集及處理的策略将更加趨向于自動、實時，并依據處理結果而不斷優化。另一方面，數據處理結果将被輸入到自動結構解析和精修等軟件做進一步處理，快速判斷是否還需要搜集更多的數據。結構解析、精修和結果檢驗的工具不僅在算法和處理速度上不斷提高，而且操作界面更加友好，簡單、圖形化、易操作。總之，一個全自動與半自動化相結合的從數據采集到結構提交的軟件平台正在世界範圍内不斷發展完善，這不僅提高了結構解析的速度，而且對其他領域的生物學家研究蛋白質結構也顯得更加簡單和容易上手。

應用方面

結構基因組學研究及蛋白質晶體學在應用方面具有巨大的潛力，這裡主要略述以下幾點：

1) 蛋白質功能研究

在原子及電子傳遞層次，酶反應機理或蛋白質-蛋白質相互作用方面，蛋白質結構的經典意義是深入理解其功能。随着越來越多複雜大分子複合物及膜蛋白晶體結構的解析，我們必将更加廣泛和深刻地理解生物學功能及生物界的起源、發生和發展規律。

2) 基于結構的藥物設計

根據已知蛋白質結構進行藥物設計和優化，這種方法已經被廣泛用于目标蛋白的選取和藥物的前期研發，并已成功研制出一些藥物用于臨床治療。大量蛋白質結構的解析，尤其是蛋白激酶和具有重要功能的膜蛋白（如GPCR等）的結構分析，将為基于結構的藥物設計提供更多的工作靶标。此外，這些蛋白質或其晶體可用于Fragment小分子的共結晶或浸泡篩選，它們複合物的晶體結構将為藥物的優化提供數據支持。

3) 蛋白質工程

通過對野生型及不同突變體的空間結構的研究，根據需要對蛋白質進行改造，設計活性更高或具有其他功能特性的蛋白質分子。尤其是對于具有某一功能的家族的蛋白質結構研究分析，對于更好地理解結構和功能的關系是十分重要的。同時大量實驗數據的積累将為基于結構的預測分析提供必要的理論依據。

縱觀自倫琴發現X射線以來100多年的蛋白質晶體學從誕生到成熟的發展曆史，可以讓我們理解人類的進步與文明的一個層面，體會到在一個學科當中實際上蘊含着科學進步的輝煌曆程。展望蛋白質晶體學的現在與未來，可以讓我們感受到一個古老學科所迸發出的強大生命力。在生命科學不斷呈現出一個又一個研究熱點的當今，蛋白質時代的到來為蛋白質晶體學賦予了全新的内涵和更為廣闊的發展前景。

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