生物物理所产生重要影响的成果一览

　　

生物通综合：中国科学院生物物理研究所已经走过了四十多年光辉的历程。跨入新世纪的生物物理研究所，确定了以蛋白质科学为核心，建设结构与分子生物学、脑与认知科学和系统生物学三大研究领域，以分子神经生物学、感染与免疫学为突破口的战略部署；明确以体制创新和创建一流队伍保障科技创新的发展道路；树立建设国际一流研究所的长远目标；踏上了攀登生命科学高峰的新征程。近年来，生物物理研究所取得了若干项在国内外产生大影响的生命科学研究成果。以下，生物通将为您简单介绍这些成果。

 

相关文章：生物大分子国家重点实验室成果：蛋白质三维结构与功能研究(上)

 

确定一个新的肿瘤血管标志分子

2003年7月1日, 美国《Blood》杂志报道了中国科学院生物物理研究所阎锡蕴等的研究论文“A novel anti-CD146 monoclonal antibody, AA98, inhibits angiogenesis and tumor growth”。该文的彩图被选作该期杂志的封面照片。

阎锡蕴研究小组通过一种特殊方法制备一株特异识别肿瘤血管内皮的单克隆性抗体。用该抗体作为研究工具，在肿瘤血管内皮上发现了一个新靶分子CD146，并证明该分子在新生血管中选择性高表达，参与血管生成过程。动物试验表明，抗CD146抗体能够抑制新生血管生成并抑制多种肿瘤的生长和转移。这项工作的科学意义在于（1）首次证明了CD146分子在肿瘤血管生成和转移中的功能和作用机理，为肿瘤的诊断和肿瘤血管靶向治疗提供了一个新的靶分子；（2）研制出一个抗肿瘤血管新型抗体，并证明该抗体能够抑制多种肿瘤的生长，为肿瘤血管靶向治疗提供了一个新型治疗性抗体。自从这一研究成果发表以来, 受到国内外同行及制药公司的极大关注。曾4次被邀请参加国际会议并大会宣读论文。

相关论文出处：

1. Yan XY, Lin Y, Yang DL and Yan XY. A novel anti-CD146 monoclonal antibody, AA98, inhibits angiogenesis and tumor growth. Blood, 2003, 102:184-191.
2. Lin Y, Yan XY, Cao WC et al. Probing the Structure of the SARS Coronavirus Using Scanning Electron Microscopy. Antiviral Therapy, 2004, 9:169-171.
3. Liu Q, Li Y and Yan XY. Preeclampsia is associated with the failure of melanoma cell adhesion molecule (MCAM/CD146) expression by intermediate trophoblast. Lab Invest. 2004, 84:221-228.

中脑对侧抑制和同侧感受野的动态调控

在发现两栖类峡核、爬行类峡核大细胞部、鸟类峡核大细胞部和峡核小细胞部是视觉中枢，而不是传统认为的听觉中枢（这项成果获中国科学院自然科学二等奖，1986）后，中国科学院生物物理研究所王书荣、吴冈义、肖军、王远、顾勇等研究人员又深入研究了峡核在调控视觉感受野中的作用，并据此提出了视觉感受野的双核团调控模型，从而为视觉感受野的形成和调控研究提出了新方向。该项成果获中国科学院自然科学一等奖（2001）。这些成果的总结性研究论文被国际刊物Brain Research Reviews作为封面论文发表。这项获中国科学院自然科学一等奖的成果介绍如下：

三个科学发现：(1)同侧顶盖对峡核起兴奋作用，对侧顶盖起抑制作用，后者通过间接通路完成。国际同行认为这是"最有趣、最出人意料的结论"。这可能是动物定位和朝向的神经基础之一。(2)峡核对顶盖有兴奋和抑制双重作用，它们在鸟类则分别由两个核团来承担。鉴定了其中的神经递质及其受体亚型，完整地绘制了这个神经回路图。它可能是 "胜者为王"回路，参与目标选择。(3)峡核大细胞部和小细胞部分别调控顶盖感受野的兴奋区和抑制区。国际同行认为"举不出第二个例子能如此清楚地说明，感受野兴奋区和抑制区之间的平衡受两个分离结构的控制"。

一个理论：提出了感受野的双核团调控理论，即一个核团调控感受野兴奋区，另一个核团调制抑制区，在感受野的形成和调控理论方面取得重大进展。

两种技术创新：(1)创造了感受野交盖法，成功地在两个以上视中枢找到有功能联系的神经元。（2）创造了快速石蜡包埋法，解决了小而松软的脑组织活体切片困难。

相关文献：

1. Wang SR, Li Z and Xu HY. Muscarinic action of acetylcholine in the pigeon optic tectum. Exp Neurol, 1986, 94:436-440.
2. Wu GY and Wang SR. Excitatory and inhibitory transmission from the optic tectum to the nucleus isthmi and its vicinity in amphibians. Brain Behav Evolut, 1995, 46:43-49.
3. Wang SR, Wu GY and Felix D. Avian Imc-tectal projection is mediated by acetylcholine and glutamate. Neuroreport, 1995, 6:757-760.
4. Xiao J, Wang Y and Wang SR. Effects of glutamatergic, cholinergic and GABAergic antagonists on tectal cells in toads. Neuroscience, 1999, 90: 1061-1067.

Wang Y, Xiao J and Wang SR. Excitatory and inhibitory receptive fields of tectal cells are differentially modified by two magnocellular and parvocellular divisions of the pigeon nucleus isthmi. J Comp Physiol A, 2000, 186:505-511.

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关于视觉信息基本表达的长距离似运动脑成像研究

生物物理研究所认知科学重点实验室的陈霖院士、卓彦研究员和周天罡等研究人员通过对长距离似运动现象的功能磁共振研究，发现了以拓扑性质为基础的各个层次的几何不变性质是视觉信息的基本表达的生物学（磁共振成象）证据。

首先，研究人员发现长距离似运动产生腹侧通路顶端的前颞叶的兴奋，而不引起背侧通路的运动区（MT区）的兴奋，提示长距离似运动知觉可能是形状不变性的抽提过程。更重要的是，前颞叶的fMRI兴奋强度和产生似运动的图形差别的结构稳定性层次之间存在系统的相关，即拓扑性质差别引起最强的兴奋；而射影性质、仿射性质、欧氏性质差别引起的兴奋依次递减，且所有差别都系统地达到统计意义。这一结果为陈霖1982年在《Science》上提出的“初期拓扑性质初期知觉”理论提供了生物学的支持。

这项研究成果发表于《Science》杂志上，《Science》的审稿者评论说，这样的由大范围性质到局部性质的功能层次的生物学（磁共振成象）数据，“是非常令人惊奇的,(就我所知)没有任何计算的和生理学的发现能够解释这些发现”，却强有力地支持了拓扑知觉理论的核心观点，即以拓扑性质为基础的各个层次的几何不变性质是视觉信息的基本表达。

相关文献：

1. Zhou Y, Zhou TG, Rao HY et al. and Chen L. Contributions of the visual ventral pathway to long-range apparent motion. Science, 2003, 299:417-420.
2. Rao HY, Zhou TG, Cai K et al. and Chen L. The Role of forms in apparent motion: a fMRI study. Proceedings of the International Society for Magnetic Resonance in Medicine (ISMRM), 7th Scientific Meeting, Vol. 4.
3. Meng M, Zhou TG, Zhuo Y et al. and Chen L. Relationship between Two Visual Pathways in Perception of Form and Spatial Location: A fMRI Mapping Study. Proceedings of the International Society for Magnetic Resonance in Medicine (ISMRM), 7th Scientific Meeting, 1999, Vol. 4.
4. Wang J, Zhou TG, Zhuo Y et al. and Chen L. The Relationship between two visual pathways: An further fMRI+ERP study. Proceedings of the International Society for Magnetic Resonance in Medicine (ISMRM), 7th Scientific Meeting, 1999, Vol. 4.
5. Chen L. Which area of human cortex is responsible for long range apparent motion: a fMRI mapping study. Advances in Understanding the Mammalian Visual Cortex, Canberra, sponsored by International Brain Research Organisation, 1999.

果蝇面对竞争的视觉线索的抉择行为

美国《Science》杂志2001年11月16日发表了中国科学院生物物理研究所唐世明研究员（第一作者）和中国科学院生物物理研究所和神经科学研究所研究员郭爱克院士（通讯作者）的一篇研究论文，题目是“Choice behavior of Drosophila facing contradictory visual cues”(果蝇面对竞争的视觉线索的抉择行为)。这是中国神经科学工作者完全在国内完成并在《Science》上发表的第一篇论文，通过建立相对简化的但是基于“知识”的两难决择模型，使这项该研究：

（1）发现了果蝇在面对矛盾冲突时所具有的基于"经验"的简单抉择能力，有助于科学观念的转变，即微型脑也可能有类似认知的能力；

（2）证明了果蝇脑中的蘑菇体参与这一过程，促进了对蘑菇体的高层次信息处理功能的认识；

（3）这为理解脑的这一智能行为提供了更为简单的模型生物和新的抉择范式，有利于从基因、分子和回路等层次探索抉择的脑过程；

（4）对信息科学中的智能决策和自然计算研究具有启发意义；

（5）生命科学在线虫（细胞凋亡），海兔（学习记忆），果蝇（发育调控）等简单模型生物所做出的重大科学发现鼓励人们在简单动物模型上揭示复杂过程的科学探索。

探索决择过程的脑机制乃脑-认知神经科学中的重大科学问题之一；决策问题是经济学，神经科学，信息科学在决策理论上的重大交叉科学问题；在基因－脑－行为的框架下，探索果蝇面对竞争的视觉线索的抉择行为具有科学的创新性和启发意义。我们相信与人在极为复杂的如危险，紧急和不确定的条件下的决策相比，这里是极为原始，幼稚和萌芽的抉择过程，但是它所提供的元素和信息，对于研究复杂的抉择过程，可能有启发意义。

相关文献：

1. Tang SM and Guo AK. Choice behavior of Drosophila facing contradictory visual cues. Science, 2001, 294:1543-1547.
2. Wang SP, Tang SM, Li Y and Guo AK. Behavioral modification in choice process of Drosophila. Science in China Series C, 2003, 46:399-413.
3. Li YH and Guo AK. Neural representation of a-oriented moving light bars in the cortex: A neural network study. Physical Review E, 2001, 64:041916.
4. Sun HJ, Liu L and Guo AK. A neurocomputational Model of Figure-Ground discrimination and Target trackig. IEEE Transactions on Neural Network, 1999, 10:860-885.
5. Wu ZH, Gong ZF, Feng CF and Guo AK. An emergent mechanism of selective visual attention in Drosophila. Biol Cybern, 2000, 82:61-68.
6. Guo AK, Liu L, Xia SZ et al. Conditioned visual flight orientation in Drosophila: Dependence on Age, Practices and Diet. Learn Memory, 1996,3:49-59.
7. Ye YZ, Xi W, Peng YQ et al. and Guo AK. Long-term, but not short-term blockade of dopamine release in Drosophila impairs orientation during flight in a visual attention paradigm. Eur J Neurosci, 2004,20:1001-1007.

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菠菜主要捕光复合物(LHC-II) 2.72Å分辨率的晶体结构

2004年3月18日，世界上最具权威性的著名杂志《Nature》以主题论文的方式发表了由中国科学院生物物理研究所、植物研究所合作完成的“Crystal structure of spinach major light-harvesting complex at 2.72 angstrom resolution”（菠菜主要捕光复合物 (LHC-II) 2.72 Å分辨率的晶体结构）研究成果。该晶体的结构彩图被选作该期杂志的封面照片。

中国科学院生物物理研究所常文瑞研究员主持的研究小组经过6年的艰苦努力终于在最近完成了这一重要复合体三维结构的测定工作。绿色植物光系统II的主要捕光复合物LHC-II是植物光合作用中主要的太阳能收集器，它负责吸收光能并将能量进一步传递给光反应中心。在高光条件，LHC-II还可能参与植物的光保护作用。2.72Å分辨率的菠菜LHC-II晶体结构的测定将人们关于光合作用中所涉及的光能收集和能量转移过程的知识提升到全面的原子数据的水平。在该项研究中，研究人员发现了膜蛋白结晶的一种全新方式，并首次报导了二十面体状的膜蛋白—脂质体复合物的空心球体的结构。在这一结构中，他们测定了包括蛋白质分子、色素分子、脂分子和水分子在内的近三万个独立原子的高精度三维坐标数据。结构研究结果揭示了色素分子在LHC-II中的排布规律，建立了该复合体内完整的能量传递网络，并提出了一个基于结构的光保护分子机理的模型。该项成果对于培育具有高光效和强抗逆性的作物具有潜在的指导意义。

中国科学家在世界上率先完成了这一具有高度挑战性的国际前沿课题。推动了我国光合作用机理与膜蛋白三维结构研究进入国际领先水平。

相关文献：

Liu ZF, Yan HC, Wang KB et al. and Chang WR. Crystal structure of spinach major light-harvesting complex at 2.72 angstrom resolution. Nature, 2004, 428:287-292.

SARS病毒蛋白质的结构与功能研究
-- SARS冠状病毒主要蛋白酶及其抑制剂复合物的晶体结构

2003年７月２日，生物物理研究所所长饶子和院士研究组利用遗传工程和高能所同步辐射光源生物大分子束线等研究手段，成功解析出世界上第一个SARS冠状病毒蛋白酶的晶体结构，美国科学院报（PNAS）发表了这一成果的论文，这对于SARS的防治具有重要的意义。

一种新的冠状病毒（SARS-CoV）是严重急性呼吸综合症（SARS）的病原体。SARS-CoV 编码两个复制酶多蛋白，pp1a（486kD）和pp1ab（790kD），这两个蛋白执行该病毒所有的复制和转录功能。通过一种34.6 kD 的主蛋白酶的剪切（也称之为类3C 蛋白酶，3CLpro），一些功能多肽就从多蛋白上释放出来。饶子和研究组解析出了SARS 冠状病毒主蛋白酶的4 种晶体结构（其中3 个是不同pH 值条件下的晶体结构，另一个是该酶和其抑制剂形成的复合物的晶体结构）。这个蛋白酶的活性中心虽然为半胱氨酸和组氨酸，但它仍然具有丝氨酸类蛋白酶的折叠模式。这一系列的晶体结构不仅揭示了该酶在不同pH 值条件下发生的构像变化，同时也展示了该酶与抑制剂结合的一种独特模式，这些研究成果为合理的药物设计提供了结构基础。

--SARS融合核心结构和多肽抑制药物设计的研究

冠状病毒的钉状蛋白，一种病毒糖蛋白，属于I型融合蛋白，有两个(HR)七肽重复区，HR1和HR2。与其他典型的融合蛋白病毒相似，这两个区域构成了融合蛋白的活性结构。这种发卡样结构可能使病毒与细胞膜接触，易于膜融合进而利于病毒进入。饶子和研究组的研究获得了SARS-CoV钉状蛋白融合核心蛋白2.8?分辨率的晶体，并成功地用分子置换法解析了这个结构。该结构跟MHV融合核心的结构比较相似，同时开展了基于该结构的多肽药物设计。

相关文献：

1. Yang HT, Yang MJ, Ding Y et al. and Rao Z. The crystal structures of severe acute respiratory syndrome virus main protease and its complex with an inhibitor. Proc Nat Acad Sci USA, 2003, 100:13190-13195.
2. Xu Y, Liu Y, Lou Z et al. and Gao G, Rao Z. Structural basis for coronavirus-mediated membrane fusion: Crystal structure of MHV spike protein fusion core. J Biol Chem, 2004, 297 : 30514-30522
3. Pang H, Liu Y, Han X et al. and Rao Z. Protective humoral responses to severe acute respiratory syndrome-associated coronavirus: implications for the design of an effective protein-based vaccine, J Gen Virol, 2004, 85: 3109-3113
4. Zhu J, Xiao G, Xu Y et al. and Rao Z, Tien P, Gao GF. Following the rule: formation of the 6-helix bundle of the fusion core from severe acute respiratory syndrome coronavirus spike protein and identification of potent peptide inhibitors. Biochem Biophys Res Commun, 2004,319:283-288
5. Xu Y, Lou Z, Liu Y et al. and Rao Z. Crystal structure of SARS-CoV spike protein fusion core. J Biol Chem, (proofed)
6. Xu Y, Zhu J, Liu Y et al. and Rao Z. Characterization of the heptad repeat regions, HR1 and HR2, and design of a fusion core structure model of the spike protein from severe acute respiratory syndrome (SARS) coronavirus. Biochemistry-US (proofed)

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果蝇的视觉模式识别具有视网膜位置不变性

2004年8月13日出版的第306期美国《Science》杂志上发表了以中国科学院生物物理研究所为第一通讯联系单位、该所33岁的青年科学家唐世明为通讯作者和第一作者的题为“Visual Pattern Recognition in Drosophila Is Invariant for Retinal Position”（果蝇的视觉模式识别具有视网膜位置不变性）的重要科学研究论文。

高等动物特别是人具有视觉不变性，这是视觉最基本的特征之一，但是这种重要的生物特性在低等动物中没有被发现。以前人们认为果蝇的脑简单，只能按模板匹配识别图形，如果遇到同样目标、位置稍微变一点就认不出来了。中科院生物物理研究所唐世明组取得的该项研究成果改变了这一说法，发现果蝇视觉具有平移不变性，或者说果蝇也是按图形的特征进行识别的，而非以前人们认为的按样板进行比对。这一研究成果改变了人们以往对昆虫视觉的理解，表明果蝇脑具有复杂的视觉信息处理机制，使昆虫视觉与脊椎动物视觉在认知层面上统一起来，对于视觉神经机制研究及进化论哲学认识上都有重要的启示。

相关文献：

Tang SM, Wolf R, Xu SP et al. and Tang SM, Heisenberg M. Visual Pattern Recognition in Drosophila Is Invariant for Retinal Position. Science, 2004, 305:1020-1022.

生物大分子国家重点实验室成果：蛋白质三维结构与功能研究(上)

王文梅教授研究组研制药物获国家技术大奖

 

福建《药用菌有效成分提取新技术研究》课题通过验收

 

中国科技部与法国代表团会商中医药科技合作

2007年第六届国际实验动物替代法大会注册工作已展开