程亦凡博士Nature发布突破性壮举

　　

生物通报道  就在几年前还被视为是一项不可能完成的壮举，现在来自加州大学旧金山分校的研究人员拉开了称作为“芥末受体”（ wasabi receptor）的蛋白质上的帘幕，在近原子分辨率上揭示出了可以被抗炎镇痛药靶向的一些结构。研究论文发布在4月8日的《自然》（Nature）杂志上。

加州大学旧金山分校生理学系主任和教授David Julius博士，以及生物化学和生物物理学副教授程亦凡（Yifan Cheng）博士是这篇论文的共同通讯作者。程亦凡是武汉大学1978级的物理系本科生，在武大物理系再获硕士后于1991年获中国科学院物理所获博士。他在欧洲和美国几经周折，改为用物理学方法研究生物学问题，加入结构生物学，近年来在冷冻电镜方面取得了突破性成果，受到了广泛的关注。

正式名称为TRPA1，这种新成像的蛋白质定位在感觉神经细胞的细胞膜中。它可以检测到来自我们身体外面的某些化学物质——从芥末到催泪瓦斯等物质中的辛辣刺激物，也可以被来自身体内部的疼痛诱导信号，尤其是那些响应组织损伤和炎症而产生的信号所触动。

Julius说：“当我们需要避开一些可能会造成损伤的事物时疼痛系统会向我们发出警报，并且还增强了我们的保护机制。我们已经知道，TRPA1对于感知环境刺激、炎症性疼痛和瘙痒非常重要，因此更多地了解TRPA1的运作机制对于认识基本的疼痛机制具有重要的意义。当然，这些信息或许可以帮助指导设计出一些新的镇痛药物。”

在感觉神经细胞膜中TRPA1受体蛋白形成了离子通道。这些离子通常关闭，在响应某些化学信号时才会打开，使得离子能够进入到细胞内部，触发警报性冲动。然而由于对受体的整体结构缺乏充足的了解，无法看到指定化合物连接的位点，要设计出一种药物控制这一离子通道的作用来缓解疼痛有点像是在黑暗中放枪。

Julius和程亦凡一起捕获了TRPA1的图像，揭示出了它的三维结构，包括证实一种实验性药物分子与这一通道结合时定位在了一个裂缝(cleft)之中。Julius说：“只有很少的药物被开发出来靶向TRPA1，在我们的3-D结构中我们可以看到一种这样的药物的结合部位。这提供了有关这一类重要的药物与TRPA1如何互作，以及有可能如何作用来阻断通道功能的一些重要见解。”

加州大学旧金山分校博士后、共同第一作者Candice Paulsen和Jean-Paul Armache领头开展了这一TRPA1项目。程亦凡实验室研究生Yuan Gao也参与了研究工作。该研究小组利用一种叫做冷冻电镜(cryo-EM)的方法，这一成像技术是在极低的温度下用电子来轰击蛋白质。

由于一系列创新性软件和硬件的发展——其中一些是由程亦凡和霍华德休斯医学研究所研究员、生物物理学和生物化学系教授David Agard博士所开发，在过去的几年里cryo-EM的成像质量发生了巨大的变化。利用这些工具，研究小组以大约4埃的分辨率成像了TRPA1。与之比较，一张信用卡的厚度大约是800万埃。

Julius和程亦凡开始cryo-EM研究合作大概是在6年前，当时他们都在探求相关离子通道TRPV1的结构。有时候又被称作是辣椒素受体（capsaicin receptor），TRPV1可以被一些导致红辣椒“热辣”的化学物质触动，当温度达到很高水平时也能对真实的热刺激产生反应。TRPV1是第一个以近原子分辨率被cryo-EM成像的小蛋白，这项研究工作发布在2013年的Nature杂志上（延伸阅读：华人学者同期2篇Nature文章发表里程碑成果 ）。

程亦凡说：“通过cryo-EM测定了TRPV1的结构，给结构生物学领域造成了极大的冲击。因为许多研究人员都将这种方法视作是‘一团浆糊学(blob-ology)’：直到最近cryo-EM的最佳分辨率达到了大约15埃，仍然太过粗糙无法分辨出TRP离子通道那样的小分子的微妙结构。”

数十年来，一直是将X射线晶体学作为确定分子结构的标准方法。尽管晶体学可以获得小于3埃的分辨率，它需要大量的蛋白。并且，获得一种可用的晶体要花费数年的时间，还有许多生物学上重要的蛋白——尤其是对细胞信号传导至关重要的膜蛋白——从未成功地实现结晶。

程亦凡说：“TRP离子通道就是其中之一，因此我们尝试从另一个角度得到它。由于结晶太过困难，我们决定尝试用cyo-EM来绕过这一要求。”

采用cyo-EM技术，首先要将感兴趣的蛋白质放置在一种水溶液中，然后在非常薄的冰层中冻结蛋白质，其速度非常的快以致水根本没有时间形成结晶。而至关重要的是这种冰仍保持在一种玻璃状态，因为形成任何的冰晶体都会损害嵌入在冰内的蛋白质，干扰测定天然构象中的蛋白质结构。

就像困在琥珀中的昆虫一样，多个拷贝的蛋白质悬浮在这一玻璃状冰中，研究人员捕获了多达10万幅图像，然而组合成千上万的二维图像进行计算生成了蛋白质的三维结构。

Julius和程亦凡研究小组生成的TRPA1离子通道图像表明，它处于三种不同的状态——关闭、开放和部分开发——提供了有关这一离子通道运作机制的许多新见解。尽管在新研究中生成的TRPA1图像只描绘了一种略有不同的构象，科学家们希望在未来能够生成更多不同构象的其他结构。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文索引：

Structure of the TRPA1 ion channel suggests regulatory mechanisms

The TRPA1 ion channel (also known as the wasabi receptor) is a detector of noxious chemical agents encountered in our environment or produced endogenously during tissue injury or drug metabolism. These include a broad class of electrophiles that activate the channel through covalent protein modification. TRPA1 antagonists hold potential for treating neurogenic inflammatory conditions provoked or exacerbated by irritant exposure. Despite compelling reasons to understand TRPA1 function, structural mechanisms underlying channel regulation remain obscure. Here we use single-particle electron cryo- microscopy to determine the structure of full-length human TRPA1 to ~4 Å resolution in the presence of pharmacophores, including a potent antagonist. Several unexpected features are revealed, including an extensive coiled-coil assembly domain stabilized by polyphosphate co-factors and a highly integrated nexus that converges on an unpredicted transient receptor potential (TRP)-like allosteric domain. These findings provide new insights into the mechanisms of TRPA1 regulation, and establish a blueprint for structure-based design of analgesic and anti-inflammatory agents