生物大分子国家重点实验室研究进展（下）

　　

生物通综合：生物大分子国家重点实验室1989年经国家计划发展委员会和中国科学院批准成立，依托于中科院生物物理研究所，1991年1月通过验收并正式对外开放运行。在十几年的发展历程中，该实验室承担了多项国家重大科研任务，在蛋白质科学研究领域已形成了人才、装备、技术、经验的综合优势并取得了优异业绩。在国家组织的国家重点实验室和部门开放实验室历次评估中，均被评为优秀。由此，2006年科技部在对生物领域国家重点实验室进行评估时，生物大分子国家重点实验室被批准免于参加2006年评估，并视结果为“优秀”。以下介绍该实验室蛋白质三维结构与功能研究方向各研究组的工作进展（来源该实验室网上公布资料,分上下篇）

生物大分子国家重点实验室蛋白三维结构功能研究进展(上)

下篇： 

课题5：光合膜蛋白的三维结构与功能研究 （常文瑞院士组）

光合作用是地球上最重要的化学反应之一，需要由捕光系统和光反应中心来共同完成，捕光天线系统收集光能，将之传递到反应中心，并于此进行能量转化。但是在强光下，捕光复合物所吸收的光能无法全部被利用，会造成多余激发能的积累并因此可能对光合膜造成破坏，所以捕光天线分子存在一种转换机制，可以在强光下将多余的光能淬灭，以热或荧光的方式将之耗散。LHC-II是绿色植物中含量最丰富的捕光复合物，是由蛋白质分子、叶绿素分子、类胡萝卜素分子和脂类分子所组成的一个复杂分子体系。LHC-II不仅是绿色植物光合作用中的主要的光能收集器，并且它还可能参与高光条件下植物的光保护作用。
本课题组继2004年首次解析了菠菜主要捕光复合物（LHC-II）的晶体结构(Nature 2004)之后，又开始对LHC-II的光保护机理进行研究。我们与合作者通过实验证明，我们获得的菠菜LHC-II晶体处于淬灭状态，通过对该种晶型的光谱分析，证实LHC-II色素的构象可能发生变化，从而可以调节能量的传递(Nature 2005)。这一结果为了解光合作用的机理提供了分子基础。
此外，我们最近又解析了黄瓜主要捕光复合物（LHC-II）的晶体结构，目前结果正在总结中。

常文瑞院士简介：

常文瑞，结构生物学家。1940年9月生于辽宁省锦州市。1964年毕业于南开大学化学系，现任中国科学院生物物理所研究员，博士生导师。1985～1987年在美国匹兹堡大学晶体学系做访问学者，后于1990年、1993年和1995～1997年作为访向教授分别在日本大阪大学蛋白质研究所、美国匹兹堡大学生化与分子生物学系和美国乔治亚大学生化与分子生物学系作访问研究。1993～1995和1997～2003年分别任生物大分子国家重点实验室常务副主任和副主任，历任中国晶体学会常务理事、副理事长（1999～2004），中国生物物理学会常务理事（1998～2004），分子生物物理专业委员会主任以及国际晶体学会生物大分子委员会顾问（1993～1996）、委员（1996～1999）等职。常文瑞教授已发表学术论文九十余篇，先后获得国家自然科学奖二等奖两次，中国科学院科技进步奖一等奖、二等奖，以及北京市科学技术奖一等奖各一次。1989年被评为中国科学院先进工作者，1990年由国家人事部授予国家“有突出贡献的中青年专家”称号，由国家计委、科委和中国科学院联合授予“在国家实验室建设中做出突出贡献，被评为先进工作者”，同时获得“金牛奖”。

    常文瑞教授的主要科学成就和贡献是：

    1. 重要光合膜蛋白 - 高等植物捕光复合物的三维结构研究。膜蛋白的三维结构研究一直是国际公认的高难课题，它也被认为是一个国家结构生物学研究水平的重要标志。常文瑞教授主持完成了我国第一个膜蛋白的晶体结构测定(Nature，2004)，这也是国际上第一个用x-射线方法测定的高等植物捕光复合物的原子水平的三维结构。该项研究提供了如下的重要创新结果：①揭示了一种膜蛋白结晶的全新方式（命名为Type Ⅲ）。②提供了包括本体膜蛋白、色素分子（叶绿素分子和类胡萝卜素分子）和脂类（磷脂和糖脂）组成的脂蛋白复合体的完整、精确的结构模型，为定量研究高等植物光能的吸收和传递提供了重要结构依据。③建立了LHC—Ⅱ单体内、三聚体内和三聚体之间能量传递的网络。④对植物在高光条件下的光保护机制等光合作用研究的热点问题进行了讨论，提出了基于三维结构的非光化学能量淬灭模型。该项研究的成功使我国的结构生物学研究和光合作用机理研究都进入了国际先进行列。研究论文已被Nature以Article形式发表，结构模型图也被选作为该期杂志的封面。该论文发表后在国内外相关学术界引起强烈反响。中国科学院、科技部和国家自然科学基金委员会联名为此召开了新闻发部会。已先后收到第十届国际结晶大会（2004，北京）、第十三届国际光合作用大会（2004，加拿大），第十五届国际生物物理学大会（2005，法国）和欧洲生物物理学会，国际晶体学大会（2005，意大利）以及国际蛋白质组学讨论会和日本晶体学年会（2004，日本）做特约报告的邀请。已先后有意大利、英国和法国等四个实验室主动提出开展光合作用机理的合作研究，部分合作研究已开始取得可喜进展。
    2. 藻类光合作用捕光蛋白色素复合物的晶体结构研究。常文瑞教授在光合作用和膜蛋白研究领域取得上述重大突破绝不是偶然的。他的研究组在光合作用研究方面有坚实的基础和积累，他们历经十年测定了一批藻类捕光复合物的三维结构。1996年完成的R - 藻红蛋白 - 色素复合物的晶体结构[JMB，1996；Protein，1999]是分子量为26万的超大蛋白色素复合物，也是我国继胰岛素和天花粉之后，第三个用多对同晶置换法测定的具有原始创新性的生物大分子三维结构。在此基础上相继完成了R-藻蓝蛋白[Biophys. J，2001]、c-藻蓝蛋白[Acta. cryst. D，2001]、别藻蓝蛋白[JBc，1999]等组成藻类捕光天线藻胆体的全部三类共四个蛋白-色素复合物的三维结构，并对光能吸收传递途径进行了分析讨论[Biophys.J.2001]。这是一项系统性的创新研究成果，常文瑞教授作为第一完成人获得2003年度北京市科学技术奖一等奖
    3. 胰岛素晶体结构与功能研究。作为原北京胰岛素晶体结构研究组的主要成员之一，常文瑞参加了三方二锌猪胰岛素晶体结构测定的全过程（4?，2.5?，1.8?分辨率）。这是我国科学工作者测定的第一个蛋白质的晶体结构，研究结果达到了同期的国际先进水平。该项成果获得1978年全国科学大会奖和1982年国家自然科学奖二等奖。随后，常文瑞主持完成了1.2 ?高分辨率高精度的胰岛素晶体结构研究。该项成果达到当时国际同类研究工作的最高水平，所获得的电子密度图不仅可观测到硫原子的电子密度的各向异性分布，而且可探测80%以上的氢原子的电子密度。该项研究成果获得1987年度中国科学院科学技术进步奖一等奖（常文瑞为第一完成人），并与本实验室完成的去五肽胰岛素结构研究等工作一起获得1989年度国家自然科学奖二等奖（第三完成人）。
    4. 重要功能酶和金属蛋白酶的结构与功能研究。常文瑞教授主持完成了一系列重要功能酶和金属蛋白酶的结构与功能研究，如重要抗血栓药物——蚯蚓纤溶酶（蚓激酶）的三维结构与功能的系列研究，分离并鉴定出7种蚯蚓纤溶酶的活性组分（Biotechnol Lett，2003），已先后完成了蚯蚓纤溶酶A（JMB，2002）和蚯蚓纤溶酶B（糖蛋白）的三维结构测定；又如与环保和健康密切相关的一系列金属蛋白酶的三维结构，包括：不同条件下的赤鲜素蛋白（Rubrerythrjn（Rr））的晶体结构研究，探测到了金属离子在蛋白分子中的移动轨迹（JBIC，2003）；亚硝酸还原酶（Nitrte reductase（NIR））的一系列突变类似物，（包括NIR-257E（BBRC，2003），去五肽（NIR - C5）（BBRC，2004）、去十一肽（NIR - C11）（BBRC，2002）等）的结构研究，对酶催化机制提出了新的讨论；以及来自绿色蛋白的含锰过氧歧化酶（MnsOD）（JSB，2002）和两类磺酸基转移酶（M - PST，PPST）的三维结构等并参与完成了吡哆醛激酶（JBC，2002；JBC，2004），耐热（-糖苷酶（J. Bacteriol，2003），植物钙调素蛋白（PCM6）（Acta. Cryst. D，2004）等三维结构与功能研究。

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课题6：晶体中酶反应过程的直接观察揭示出反应态的平衡稳定 （龚为民课题组）

二磷酸甘油酸变位酶（BPGM）和辅基依赖型磷酸甘油酸变位酶（dPGM）是在糖代谢及其它代谢调节中发挥重要功能的一个酶家族。继2004年我们首次报道了人BPGM的晶体结构后，2005年我们又首次发表了人dPGM的晶体结构研究。BPGM和dPGM催化反应的共同特征是：在反应开始时催化残基His11被其底物2,3-BPG磷酸化，同时2,3-BPG被解离为3-PGA。为阐明这一步的反应机制，我们通过直接观察晶体内的酶反应过程，获得了BPGM分别与2,3-BPG、3-PGA、磷酸过渡态类似物AlF4-结合，以及BPGM部分磷酸化的系列结构。这一系列结构完整地展现了酶催化过程的各个步骤。
这是几十年来首次观察到这个家族中酶与底物的复合物结构，澄清了有关底物结合方式的长期争论。同时还首次证明BPGM/dPGM催化磷酸基团的转移是通过SN2线性机制进行的。在此过程中的若干氨基酸残基的作用也得到阐明。这项工作是BPGM/dPGM家族突破性研究进展，也为阐明酶催化的磷酸转移普遍机制提供了有力的证据。
这一系列结构的解析首次观察到酶与底物复合物在结合态和反应态的构象变化，为酶活性中心柔性理论提供了直接证据。同时揭示出酶的反应态是相对稳定的，底物和产物的平衡共存提供了这种稳定性的可能。提示酶催化反应不仅降低了反应过程的能量势垒，同时反应态的稳定性可能是酶催化效率高的另一重要因素。

龚为民简介：

龚为民，男，教授，博士生导师，中国科学院****入选者。1968年2月出生，安徽安庆人。1991年在中国科学技术大学生物系（现生命科学学院）获得分子生物学学士学位。1993年和1996年在同系两次提前毕业分别获得生物化学与分子生物学专业硕士和博士学位。博士论文入选"全国优秀博士学位论文"并获中国科学院院长奖学金。
曾赴美国冷泉港实验室（Cold Spring Harbor Laboratory）结构生物学实验室（1996.7.-1997.5）、爱默蕾大学(Emory University)医学院生物化学系（1997.5-1998.1）和俄亥俄州立大学(The Ohio State University)生物化学系(1998.1-1999.12)从事博士后研究。1999年接受中国科学院“****”招聘回到中国科学技术大学生命科学学院任教授。2002获国家杰出青年基金资助。现任中国科学院结构生物学重点实验室副主任。

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课题7：吡哆醛激酶的晶体结构研究（江涛组） 

R)-roscovitine 是一种细胞周期蛋白依赖性激酶(CDK)的选择性抑制剂, 是治疗癌症、神经退化疾病、细菌感染最有前景的先导化合物之一，最近的生化试验表明，吡哆醛激酶(PDXK)可与roscovitine 特异性结合。为了研究roscovitine与吡哆醛激酶的相互作用机制，我们结晶了PDXK/(R)-roscovitine， PDXK/N6-methyl-(R)-roscovitine 和PDXK/O6- (R)-roscovitine三种复合物的晶体并解析了结构。结构比较表明，roscovitine与PDXK复合物间的作用方式与CDK2不同，三种类型roscovitine以相似的方式结合在PDXK的吡哆醛(PL)结合位点上，而不是以前认为的ATP结合位点，表明PDXK的吡哆醛结合口袋对roscovitine之类与吡哆醛差别很大的分子具有很强的结合能力。本工作提供了详细的有关PDXK和roscovitine相互作用的信息，并为设计对CDK以及PDXK更具有底物特异性的抑制剂奠定了基础。

课题8：蛇毒蛋白Natrin的晶体结构研究 （江涛组）

我们对来源于中华眼镜蛇的蛇毒组分Natrin 开展了纯化，结晶和结构解析工作。Natrin属于富含半胱氨酸分泌蛋白家族（CRISP家族）。我们测定了Natrin 蛋白1.65Å率的晶体结构，结构表明，Natrin分为三个结构域,N端的PR-1结构域，C端的CRD结构域以及中间的连接结构域。我们的研究表明Natrin是多种离子通道的抑制分子。

江涛研究员简介：

江涛，男,博士导师，研究员。1968年出生, 1991年毕业于厦门大学化学系，同年进入生物物理研究所工作。1998年获生物物理研究所生物物理博士学位，1999年担任生物物理研究所副研究员，课题组长。 现任中国晶体学会生物大分子专业委员会委员，中国毒理学会毒素专业委员会委员, 美国生物化学与分子生物学学会会员。多年来一直从事结构生物学方面的研究，利用X-射线蛋白质晶体学手段，完成了多种蛋白质的结构研究工作。 至今已在 J.Biol.Chem, J.Mol. Biol., Biophys. J. 等刊物上发表论文二十余篇，研究成果多次在国际会议和全国性学术会议上作大会及分会报告。 目前,主持自然科学面上基金2项，此外还参加了国家“863”计划-“血液干细胞结构基因组研究”，“973”计划-“蛋白质功能三维结构和折叠原理研究” 等国家重点项目以及中国科学院重点项目等多项研究计划。参与研究的课题“藻类捕光蛋白复合物的结构与功能研究” 获2003年北京市科学技术一等奖(第二完成人)。 研究方向：以X-射线晶体学为主要研究手段, 测定与人类重大疾病相关的蛋白以及复合物的三维结构, 通过探索其结构功能关系，了解作用机理, 为开展药物设计打下基础。（生物通雪花综合）