专访昌增益：发表在Nature子刊封面的漂亮成果

　　

生物通报道：来自北京大学生命科学学院的昌增益教授研究组历经十载，从最初的体外实验，递进到体内实验，突破技术难题，成功捕获了一种酸性分子伴侣蛋白在酸胁迫下的“客户蛋白”，从而阐释了大肠杆菌抵御胃酸的机理。这项漂亮的成果已经公布于Nature Chemical Biology杂志，并被选为封面文章。为了更深入了解这一最新成果及其背后的故事，生物通特联系了昌增益教授，就读者感兴趣的问题请教了他。

 
（昌增益教授，图片来自北京大学）

一项漂亮的从体外到体内的递进研究工作

    作为哺乳动物体内酸性最强的器官，胃所含的强酸性胃液（pH值为1-3）是人和动物抵御绝大多数微生物病菌的一道天然屏障。然而，肠道病原菌能够在强酸性的胃液下存活，并进而造成肠道感染。

    大肠杆菌的变异菌株依旧严重地威胁着人类的健康，尤其是最近源于德国的致死性H104:04型大肠杆菌的爆发，在整个欧洲都造成了恐慌。对于包括大肠杆菌和志贺氏菌在内的肠道病原体微生物来说，顺利地通过人体胃液是它们对肠道进行感染的先决条件。因此，深刻理解大肠杆菌的抗酸性机理将极大地加深我们对这类病原菌的认识，为今后发展新型抗生素奠定基础。

    在这篇文章中，研究人员利用开发的一种全新的蛋白质光交联探针，成功地捕捉了大肠杆菌体内的一个关键酸性分子伴侣HdeA的作用底物。研究人员还对其中的两个本身也是分子伴侣的关键“客户蛋白”DegP 和SurA进行了深入研究，发现了一种不依赖于ATP的“分子伴侣-保护分子伴侣”的独特机制，并证明细菌利用这一作用来增加其逃逸胃酸防线的成功率。

    昌教授介绍说，“这种独特的机制在之前还没有类似的结果被报道。因为一般大家的印象都是，分子伴侣蛋白是很坚强的，在恶劣条件下，如高温和极端酸性等，它们需要给其它蛋白质提供保护，所以自己就无需保护。研究分子伴侣蛋白的两位科学家Franz-Ulrich Hartl and Arthur Horwich今年被授予了Lasker基础医学奖（很多获此奖的人后来都获得了诺贝尔奖；屠呦呦获得的是临床医学奖）。”

   当谈到研究思路的时候，昌教授说，“我们实验室研究细菌HdeA分子伴侣蛋白抗酸机制已经有大约10年时间了。最初是由我实验室的本科生洪玮哲（清华大学生物科学与技术系）和吴叶（北京大学生命科学学院）分别开展了此项研究，他们俩人都非常优秀，现在都在美国斯坦福大学都博士（并且已经结为夫妻！）。

他们两人各自发表了一篇第一作者论文如下：
Hong, W.（洪玮哲）, Jiao, W., Hu, J., Zhang, J., Liu, C., Fu, X., Shen, D., Xia, B., and Chang, Z. (2005) “Periplasmic Protein HdeA Exhibits Chaperone-like Activity Exclusively within Stomach pH Range by Transforming into Disordered Conformation”, J. Biol. Chem., 280(29):27029-27034.

Wu, Y.（吴叶）, Hong, W.（洪玮哲，并列第一作者）, Zhang, L., and Chang, Z. (2008) “Conserved Amphiphilic Feature Is Essential for Periplasmic Chaperone HdeA to Support Acid Resistance in Enteric Bacteria”, Biochem. J., 412:389-397.

之前这两位本科生的研究主要是利用体外系统开展的，我们发表在Nature chemical biology的封面文章是在活细胞内开展的。这是一项非常漂亮的从体外到体内的递进研究工作。但在体内获得的发现却是全新的，不是我们预期的。体现了科学发现的不可预测性。”

全新蛋白质光交联探针

    在低pH值条件下分析蛋白之间的相互作用是一项技术难题，昌教授他们也遇到了这方面的困难，那么他们是如何克服的呢？

    昌教授等人采用了一种全新蛋白质光交联探针，据昌教授介绍，这就是一种所谓的非天然氨基酸，可以通过遗传重组技术被引入到特定蛋白质（在这里就是抗酸分子伴侣蛋白HdeA）的特定位点。当活细胞处于极端酸性条件下，他们给细胞施以紫外线照射时，该氨基酸就被激活而与附近的化学基团形成共价交联。这样就能够捕获到当时与该蛋白质相互作用的蛋白质分子，进而进行纯化，并在体外利用与质谱技术结合的蛋白质组学技术予以鉴定。

    这种探针在这里非常重要，还没有任何其它技术可以达到这样的探测目的——活细胞处于极端酸性条件下与HdeA相互作用的蛋白质。这种技术对于探测细胞处于特定条件下，鉴定特定蛋白质与何种其它蛋白质相互作用是独一无二的。而这是认识活细胞内特定蛋白质的行为和功能的重要内容。

    昌教授说，“几年前我让我的学生去查阅文献，了解可以探测活细胞内特定蛋白质参与的特异相互作用的实时方法，希望能捕获那些发生的短暂（或说瞬时性的）蛋白质相互作用。学生们调研到了这种方法，我们立即与美国开展此项研究的Peter Schutz教授实验室联系，获得了有关的DNA材料。不久前，我们北大化学学院化学生物学系引进了原来开展过此项研究的陈鹏特聘研究员，他也加入了北京大学的跨院系蛋白质科学中心（我是该中心的主任），很快我们就一拍即合地开始了合作。合作非常有效，很快我们就获得了有趣的结果。这样的互补性合作对于科研是非常重要的。我们在继续合作。”

其它重要成果

    近期除了这项重要的成果外，昌教授课题组还在《Chemistry & Biology》杂志上（2011， 18:943-948），利用一种特殊探针分析研究线虫衰老，这项研究由昌教授实验室与美国加州大学伯克利分校化学生物学系的学者合作完成，这种探针能特异探测活细胞的细胞核内的过氧化氢的水平，对于研究衰老现象非常重要的。

    昌教授表示，“从体外到体内，从定性到定量是生命科学研究未来发展的一个重要方向，但如何在活体状态下探究细胞内发生的事件，是一个目前极具挑战的领域，还需要通过学科交叉建立很多新的方法技术。我们这两篇文章都是在这样一个大的方向上的努力，取得了初步的成果。我们和这些杰出化学生物学家之间的合作，还在继续，希望能获得更有意义的成果。”

欲了解昌教授更多信息，请查看：
http://www.bio.pku.edu.cn/faculty/changzy/

（生物通：王蕾）

原文摘要：
A genetically incorporated crosslinker reveals chaperone cooperation in acid resistance

Acid chaperones are essential factors in preserving the protein homeostasis for enteric pathogens to survive in the extremely acidic mammalian stomach (pH 1–3). The client proteins of these chaperones remain largely unknown, primarily because of the exceeding difficulty of determining protein-protein interactions under low-pH conditions. We developed a genetically encoded, highly efficient protein photocrosslinking probe, which enabled us to profile the in vivo substrates of a major acid-protection chaperone, HdeA, in Escherichia coli periplasm. Among the identified HdeA client proteins, the periplasmic chaperones DegP and SurA were initially found to be protected by HdeA at a low pH, but they subsequently facilitated the HdeA-mediated acid recovery of other client proteins. This unique, ATP-independent chaperone cooperation in the ATP-deprived E. coli periplasm may support the acid resistance of enteric bacteria. The crosslinker would be valuable in unveiling the physiological interaction partners of any given protein and thus their functions under normal and stress conditions.

作者简介：
昌增益
博士、教授、博士生导师
现任职务：
(跨院系) 北京大学蛋白质科学中心 主任 （ 2005-现在）；
北京大学生命科学学院 副院长（2007-现在）；
亚太地区蛋白质学会(Asia Pacific Protein Association, APPA) 主席；
国际蛋白质学会 (the Protein Society) 执委；
中国生物化学与分子生物学会 常务理事
蛋白质专业委员会(The Chinese Protein Society) 主任委员；
《中国科学-生命科学》(Science China Life Sciences)常务副主编；
国际学术刊物JBC, IUBMB Life, Protein Science等编委

教育经历 :
1984 上海华东师范大学生物系本科毕业，获学士学位 （ 19 岁）；
1984-85 中国科学院上海生物化学研究所，研究生，同时在中山大学“广州英语培训中心”学习英语；
1992 美国贝勒医学院生物化学系毕业，获博士学位。

博士后训练 :
1992.2-1995.12 美国休斯医学研究所（ Howard Hughes Medical Institute ）。

学术任职 :
1996-1998 清华大学生物系 副教授；
1998-2003.8 清华大学生物系 教授、博士生导师 （生物化学与分子生物学）；
2002.7-2002.10 哈佛大学医学院 访问教授 ；
2003.9 开始 北京大学生命科学学院教授、博士生导师。

荣誉获得情况 :
1985 获中国教育部 CUSBEA （中美联合招收生物化学研究生项目）奖学金赴美国留学；
1990 Robert A. Welch 基金会博士前奖学金；
1997 清华大学“横山 亮次”优秀论文奖；
1997 国家杰出青年科学基金 获得者；

现在研究方向 :
1、分子伴侣蛋白作用机制；
2 、蛋白质同源寡聚化作为一种蛋白质活性调节普遍机制的系统阐述；
3、衰老和休眠的分子机制。