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點擊次數:17369 發(fā)布時間:2014/3/18 13:59:20
美國正逐步放緩投入總額高達10億美元的蛋白質結構解析工作的步伐,這對整個蛋白質結構研究領域意味著什么呢?
三年前,ANDRZEJ JOACHIMIAK決定將超級細菌作為他的主攻目標,開始啃這塊硬骨頭。因為這種超級耐藥細菌對全球的危害越來越大,僅僅在美國每年就有200萬病例,而且每年的死亡人數竟高達2.3萬人。在這些超級細菌中,**恐怖的就是表達NDM-1蛋白的變異株,該細菌幾乎對目前所有的β-內酰胺類(β-lactams)抗生素耐藥,包括青霉素在內。
蛋白質結構項目(Protein Structure Initiative, PSI)是一個已經開展了很長時間的項目,正是因為這個項目在前期打下的基礎,Joachimiak才能夠對NDM-1蛋白的結構開展解析工作,才有可能找到NDM-1蛋白的破綻,尋求消滅這種超級細菌的方法。Joachimiak是美國Argonne國家實驗室(Argonne National Laboratory in Illinois)的一名結構生物學家,他和他的同事們用機械手合成了98個NDM-1蛋白編碼基因,這些基因彼此之間都有一點微小的差異。Joachimiak等人*終成功表達(原核表達)了其中的59個基因,從中一共得到了53個純化的NDM-1蛋白,*終有21個蛋白形成了蛋白質結晶。這些蛋白質在結晶過程中都結合了很多藥物抑制劑,或者正在開發(fā)中的抗生素等分子。Joachimiak等人將*漂亮的結晶樣品放進“光子源(Advanced Photon Source)”里分析。光子源是一個有體育場大小的同步加速器(synchrotron)設備,它能夠發(fā)射極強的X線束(事實上是本半球亮度的儲存環(huán)產生的X射線束流),激發(fā)蛋白質結晶,獲得原子級三維立體結構信息。
Joachimiak等人一共得到了11幅這樣的結構圖譜,其它幾個蛋白質的結構也正在解析當中。根據目前得到的信息顯示,NDM-1蛋白有一個擴展的、富有彈性的活性位點,所以該蛋白的適應性很強,能夠破壞各種β-內酰胺類抗生素。目前全世界的制藥公司都在無償地使用Joachimiak等人獲得的這些結構學結果,設計新的抗生素產品,也許在未來的某一天,我們就能夠得到一種的抗生素,挽救數百萬人的生命。Joachimiak認為這就是PSI項目的貢獻。
美國國家綜合醫(yī)學研究院(U.S. National Institute of General Medical Sciences, NIGMS)從2000年開始一共為PSI項目提供了9.07億美元的經費支持,希望能夠加快蛋白質三維結構解析工作的進展,解決一大批NDM-1蛋白這樣的難題,美國國立衛(wèi)生研究院(NIH)等機構也為這個項目陸續(xù)投入了2300萬美元的經費。這筆巨額科研經費給一大批科研團隊提供了支持,其中包括生物學家、物理學家、化學家及工程師等來自各個專業(yè)的團隊,他們彼此合作,不僅僅是為了解決蛋白質結構這一個問題,同時也還在摸索一條新型的科研合作模式。到目前為止,PSI項目一共得到了6507種蛋白質的立體結構,其中6.6%的蛋白質結構信息數據已經上傳到知名的蛋白質數據銀行(Protein Data Bank, PDB)數據庫里。
不過在去年秋天,NIGMS的咨詢委員會突然向對PSI持批評態(tài)度的意見“屈服”,決定停掉這個項目,一批資助也將于2015年6月到期。NIGMS的新任院長Jon Lorsch去年9月在他的博客里這樣寫到:“在目前的科研預算大環(huán)境下,為了開展新的科研項目,以及對更有需要的項目繼續(xù)提供支持,其他的一些項目必須做出調整,乃至關閉。”
消息一出,頓時惹得幾家歡喜幾家愁,支持PSI項目的人個個垂頭喪氣,反方則一片興高采烈。但是*關鍵的是,該決定引出了這樣一些問題,我們從這個花了將近10億美元的大項目里得到了什么?這種以大規(guī)模科研機構為主的生物研究模式將來該如何發(fā)展?我們花大力氣建起來的這些設備該怎么辦?PSI項目終止之后,美國的結構生物學研究該何去何從?美國加利福尼亞州Scripps研究院(Scripps Research Institute in San Diego, California)的結構生物學家、PSI項目細胞膜蛋白結構解析中心的負責人Raymond Stevens表示,結構生物學研究已經走到了一個十字路口。PSI項目結束了,他覺得這也是一個機會,可以讓他們好好想想下一步該怎么走。
工作在繼續(xù)
在PSI項目開展之前,結構生物學研究的進展一直都非常緩慢。通常一個實驗室需要花幾個月,甚至是好幾年的時間來克隆一個基因,進行原核(細菌)或真核(酵母)表達,直至*終獲得純化的蛋白。然后在結晶試驗過程中還會嘗試各種鹽、緩沖液,以及各種各樣的添加劑,幫助純化的蛋白質形成晶體結晶。質量較高的晶體結晶就可以拿來進行X線衍射分析,看看是否能夠得到蛋白質的結構圖譜。這還不算完,下一步可能又需要好幾個月乃至好幾年的時間,才能得到原子結構圖。到了20世紀90年代末,PDB數據庫里一共只收錄了大約1萬個蛋白質的結構圖?墒峭瑫r期的人類基因組計劃(Human Genome Project)卻已經獲得了人體內數百萬個蛋白質的編碼基因序列。解析蛋白質三維立體結構是了解蛋白質功能的關鍵,因此結構生物學家們一下子意識到,如果他們不加快腳步跟上人類基因組計劃的步伐,就要被永遠地拋棄了。
于是PSI項目就啟動了。NIGMS的官員在2000年時正式對外宣布了PSI項目的研究目的。首先需要在10年內開發(fā)出能夠解析5000個蛋白質結構的技術。然后根據這些結構信息開發(fā)計算機結構預測模型,再直接根據基因序列推算出蛋白質的三維立體結構,并且了解其功能,繞過*讓人頭疼的蛋白質結晶步驟。
從2000年9月至2005年6月,NIGMS在個五年里總共為這個的項目投入了2.65億美元,這一階段主要是為蛋白質結構解析工作的每一個步驟開發(fā)自動化技術,這些步驟包括蛋白質表達、蛋白質純化、蛋白質結晶、收集X線衍射數據,以及利用軟件自動解析蛋白質結構等。在獲得了1100多個結構信息之后,NIGMS的官員們認為前期工作已經勝利完成,決定開展第二階段的工作,該項目被命名為PSI-2。從2005年7月至2010年6月,NIGMS總計又投入了3.46億美元,這些經費主要撥給了四個大規(guī)模、高通量的研究中心,六個專門開發(fā)蛋白質結構解析技術的研究中心,以及其他幾個計算機建模中心。第二階段總共又得到了3700多個蛋白質的結構圖譜。
雖然PSI項目取得了這么多成果,但是它也引起了很多的爭議。在這些解析的蛋白質當中,有很大一部分都是來自細菌的蛋白質,科學家們對這些蛋白質的功能幾乎是一無所知的。參與PSI項目的科研人員認為,即便如此,根據這些蛋白質的結構也可以讓他們更好地了解蛋白質的折疊機制。可是其他那些沒有參加PSI工作的科學家們卻認為這是在瞎耽誤功夫,不應該花大量的科研資源去研究這些與人體健康毫無關系的蛋白質。在2007年對PSI-2項目進行中期考核時,由美國密歇根大學安娜堡分校(University of Michigan, Ann Arbor)的結構生物學家Janet Smith任組長的評審小組一致認為,對于整個生物醫(yī)學研究工作來說,這個大規(guī)模的PSI研究中心的確非常的不經濟。評審小組建議PSI項目集中力量先解決*受大家關注的那幾個蛋白質的結構問題。
NIGMS接著又啟動了3期項目,即PSI:Biology項目。旨在尋找蛋白質折疊的特有方式,獲得每一個蛋白質家族代表成員的結構信息。有4個高通量中心和其他9個中心開始轉向生物學意義的蛋白質的結構解析工作。
可是這并沒有讓批評者的聲音平息多少。在去年對PSI:Biology項目進行了中期考核,一個由外部專家組成的評審小組對高通量中心提出了批評。在評審報告里這樣寫到:很多項目都是由技術推動的,決定開展這些項目也是因為能夠很好地利用現有的高通量結構解析平臺,而不應該是因為某些生物學熱點問題,或者具有多么重要的生物學意義。
有爭議的傳奇
對于這些建議,Lorsch和NIGMS的咨詢委員會都非常贊成。他們決定放棄繼續(xù)開展第4階段工作的打算,開始為轉型做準備。他們成立了一個專門工作委員會,來處理PSI各中心目前的工作,以及相關的各項設備和技術,同時也在研究將來應該如何繼續(xù)為結構生物學研究工作提供資助的問題。
對于NIGMS的這個決定,各方做出了不同的反應。美國哈佛大學(Harvard University)的結構生物學家Stephen Harrison一直對PSI項目都持批評態(tài)度,他認為PSI項目從一開始就是個壞主意。這個項目的確加快了技術開發(fā)的速度,但是這些成績中絕大部分也不都是因為PSI項目的功勞,其實在哪里都能取得這些成果,F在這個項目終于要進入收尾階段了。“結構生物學研究總算可以回到正常的發(fā)展軌道上了,像其他學科一樣,通過同行評議來決定對哪些項目給予基金支持。” Harrison這樣評價道。
Joachimiak認為有很多批評意見都是為了批評而批評,沒有實際價值。根據某項評估的調查結果,自2003年以來,獲得一個可溶性細菌蛋白(這是比較容易解析的蛋白)的結構的成本已經下降了56%,目前大約只需要5萬美元就可以完成這樣一種蛋白質的結構解析工作。由PSI項目開發(fā)的,包括蛋白質表達、純化、結晶,以及X線結構分析等工作在內的高速自動化系統已經成為了全世界結構生物學實驗室的標配設備。美國新澤西州羅格斯大學(Rutgers University in Piscataway, New Jersey)的X線結晶學家Helen Berman同時負責PDB數據庫和PSI的SBKB結構生物學數據庫,據他介紹,PSI已經開發(fā)了421種不同的技術,這些技術有的已經商業(yè)化了,有的也已經通過SBKB的網站進行傳播。
除了技術開發(fā)之外,Joachimiak等人認為PSI項目還為整個蛋白質科學做出了基礎性的貢獻。比如Scripps研究所的結構生物學家Ian Wilson等人就曾經在他們的高通量中心里使用一系列開發(fā)的技術,對大量HIV及流感病毒的蛋白質進行過結構解析工作。他們的目的就是要發(fā)現每一種病毒所編碼蛋白質的共性,期望借此開發(fā)出一種廣譜抗病毒疫苗。美國華盛頓大學(University of Washington, Seattle)的計算生物學家David Baker也使用PSI下屬的東北結構基因組學項目(Northeast Structural Genomics Consortium)解析了幾十個“蛋白質的結構數據,列出了幾條設計新型蛋白質(自然界中不存在的蛋白質)的準則。Baker等人現在正根據這些準則在設計新的蛋白質,這些蛋白質有的可以用來進行基因治療,有的可以將二氧化碳轉化成燃料,還有一些蛋白質具有其它一些用處。
不過密歇根大學的Smith卻認為Wilson的HIV蛋白質結構解析工作以及Baker的蛋白質人工設計工作并不能算是PSI項目的功勞,其他的科研人員,利用R01這樣的其它基金也都能夠開發(fā)出這樣的科研成果。Smith還認為,就是因為PSI項目,所以有很多非常有意義、能夠解決具體問題的結構生物學項目都得不到足夠的基金支持。如果NIGMS能夠調整資助方向,讓更多的錢流向各個課題組,那將會起到非常積極的作用。
批評者們還指責PSI項目沒有足夠清楚地揭示蛋白質的折疊原理,以至于我們現在還不能夠通過基因編碼序列推測出蛋白質的結構,還得一個個、一步步地經過表達、純化、結晶等步驟,費時費力地進行結構解析工作。美國斯坦福大學(Stanford University in California)的計算生物學家Michael Levitt認為,毫無疑問,如果你有一個序列非常相似的蛋白質的結構,那么就應該能夠推測出這個新蛋白質的結構。可惜的是,他們現在還不知道蛋白質的折疊原理。PSI的科研人員也這一點,Stevens表示,他們的計算方法的確是還不夠強大。Levitt也補充道,即便PSI項目解析了數千個蛋白質的結構,也跟不上蛋白編碼基因新序列的發(fā)現速度,現在的已知序列的基因數量已經超過了3000萬條。所以Levitt認為,未來將會花很長的一段時間,以及大量的金錢從事蛋白質結構解析工作,至少要從每一個蛋白質家族中挑選一個代表出來,獲得其立體結構圖譜。
現在已經不再繼續(xù)開展這種費時費力的工作了,PSI的各個研究中心也將在幾年內陸續(xù)被解散。PSI外部專家咨詢委員會(該委員會為如何處置PSI的資產提供意見)的成員Smith認為,問題是如何能夠順利地做到轉型,盡可能地避免對結構生物學研究工作帶來不利的影響。方案就是由NIGMS繼續(xù)用他們的高通量技術進行蛋白質的表達、純化、結晶等工作,為全世界的結構生物學家們服務。另外一種方案就是將PSI的設備和技術分散到各個實驗室里。Smith 表示,不能夠讓這些高通量設備被閑置起來。NIGMS希望在各個咨詢委員會的意見全都匯總之后,在今年5月至12月間做出的決定。
參與PSI項目的科研人員擔心PSI被解散之后會影響到美國在結構生物學界的領導地位。據Stevens介紹,有很多工作都會因此被迫終止。我們會看到由美國提交的蛋白質結構數量將大幅度下降。此時此刻,中國等其他國家也都在快速發(fā)展結構生物學技術。Joachimiak 表示,他對此感到很憂慮。Wilson 也贊同道:“我們的PSI項目曾經取得過這么好的成績,可現在就只能眼睜睜的看著它被關閉。我們需要一種平衡,在R01這樣的項目和PSI這樣的項目之間的平衡。”
NIGMS的項目經理Douglas Sheeley曾經負責過兩個PSI項目的轉換工作,他認為PSI項目結束并不意味著NIGMS不再為結構生物學研究提供支持。NIGMS在2012年就為結構生物學研究撥付了1.64億美元的科研經費,在整個NIH的經費中占比接近70%。
不過將來的資助總額會有所下降,因為其中有7500萬美元是給PSI項目的。不過Harrison堅持認為,即便沒有PSI這樣的專項經費,美國的結構生物學研究工作也一定會再創(chuàng)輝煌。NIGMS的官員們正在計劃用PSI的科研預算來支持R01這樣占比越來越大的基金。Harrison 相信:“即便這筆錢不再用于結構生物學研究工作,我認為也沒有問題。我們結構生物學家還是可以和其他的科學家一起去申請科研基金,我們都站在同一條起跑線上。”
原創(chuàng)作者:上海信帆生物科技有限公司