蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析六十年

上個(gè)世紀(jì)初，科學(xué)家們認(rèn)為蛋白質(zhì)是生命體的遺傳物質(zhì)，而具有*的作用。隨著這個(gè)理論被證偽，真正的遺傳物質(zhì)DNA的結(jié)構(gòu)被給予了很大關(guān)注。然而，蛋白質(zhì)作為生命體的重要大分子，其重要性也從未被忽視，而且在1950年代開始，科學(xué)家一直在探尋DNA序列和蛋白質(zhì)序列的相關(guān)性。與此同時(shí)，蛋白質(zhì)測序和結(jié)構(gòu)解析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的努力開始慢慢獲得回報(bào)。更多的生化研究揭示了蛋白質(zhì)的功能重要性，因此蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)的解析對于深入理解蛋白質(zhì)功能和生理現(xiàn)象起著決定性作用。

本文簡要回顧了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析的重大歷史事件，并總結(jié)了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析的常用方法和結(jié)構(gòu)分析方向。通過了解蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，能夠讓我們更好地理解生物體的蛋白的理化特性，以及其相關(guān)聯(lián)的化學(xué)反應(yīng)途徑及其機(jī)制，對于我們認(rèn)識生物世界和研發(fā)治療方法和藥

在1958年，英國科學(xué)家John Kendrew和Max Perutz首先發(fā)表了用X射線衍射得到的高分辨率的肌紅蛋白Myoglobin的三維結(jié)構(gòu)，然后是更加復(fù)雜的血紅蛋白Hemoglobin。因此，這兩個(gè)科學(xué)家分享了1962年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。事實(shí)上，這項(xiàng)工作在早在1937年就開始了。

然后在1960年代，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析方法不斷進(jìn)步，獲得了更高的解析精度。這個(gè)時(shí)期，蛋白質(zhì)序列和DNA序列間關(guān)系也被發(fā)現(xiàn)，中心法則被Francis Crick提出，然后科學(xué)界見證了分子生物學(xué)的崛起。分子生物學(xué)（Molecular Biology）的名稱在1962年開始被廣泛接受和使用，并逐漸演變出一些支派，如結(jié)構(gòu)生物學(xué)。然后在1964年，Aaron Klug提出了一種基于X射線衍射原理發(fā)展而來的全新的方法電子晶體學(xué)顯微鏡（crystallographic electron microscopy ），可以解析更大蛋白質(zhì)或者蛋白質(zhì)核酸復(fù)合體結(jié)構(gòu)。因?yàn)檫@項(xiàng)研究，他獲得了1982諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1969年，Benno P. Schoenborn 提出可以用中子散射和原子核散射來確定大分子中固定位置的氫原子坐標(biāo)。

進(jìn)入1970年代，很多新的方法開始發(fā)展。存儲(chǔ)蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的Protein Data Bank（1971年） 開始出現(xiàn)，這對于規(guī)范化和積累蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)有著重要意義。1975年新的一種儀器叫做多絲區(qū)域檢測器，讓X-ray的檢測和數(shù)據(jù)收集更加快速。次年，Robert Langride將X-ray衍射數(shù)據(jù)可視化，并在加州大學(xué)圣地亞哥分校成立了一個(gè)計(jì)算機(jī)圖形實(shí)驗(yàn)室。同年，KeithHodgson和同事證明了可以使用同步加速器獲得的X射線并對單個(gè)晶體進(jìn)行照射，并取得了很好的實(shí)驗(yàn)效果。然后在1978年，核磁共振NMR被用于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的解析；同年*高精度病毒（西紅柿叢矮病毒）衣殼蛋白結(jié)構(gòu)被解析。

在1980年代，更多蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)被解析，蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的描述越來越成熟，而且蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析也被*成為藥物研發(fā)的關(guān)鍵步驟。在1983年，冷凍蝕刻的煙草花葉病毒結(jié)構(gòu)在電子顯微鏡結(jié)構(gòu)下得到描述。兩年后德國科學(xué)家John Deisenhofer等解析出了細(xì)菌光合反應(yīng)中心，因此他們共享了1988年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。次年，兩個(gè)課題組解析了HIV與復(fù)制相關(guān)的蛋白酶結(jié)構(gòu)，對針對HIV的藥物研發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。

下一個(gè)十年，因?yàn)榇罅客郊铀倨鬏o助的X射線衍射的使用，數(shù)千個(gè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)得到解析，迎來了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)組的曙光。1990年多波長反常散射方法（MAD）方法用于X射線衍射晶體成像，與同步輻射加速器一起，成為了近二十多年來的zui常用的的方法。Rod MacKinnon在199年發(fā)表了*個(gè)高精度的鉀離子通道蛋白結(jié)構(gòu)，對加深神經(jīng)科學(xué)的理解起了重要作用，因此他分享了2003年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。Ada Yonath等領(lǐng)導(dǎo)的課題組在1999年解析了核糖體結(jié)構(gòu)（一種巨大的RNA蛋白質(zhì)復(fù)合體）。

進(jìn)入新千年，更多的技術(shù)細(xì)節(jié)被加入到蛋白質(zhì)解析研究領(lǐng)域。2001年，Roger Kornberg和同事們描述了*個(gè)高精度的RNA聚合酶三維結(jié)構(gòu)，正因此五年后他們共享了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。2007年，*G蛋白偶聯(lián)受體結(jié)構(gòu)的解析更是對藥物研究帶了新的希望。近些年來，越來越多的大的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)得到解析。Cryo-EM超低溫電子顯微鏡成像用于超大蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)成像的研究日益成熟，并開始廣泛用于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的解析。