了解人类健康与疾病的金钥匙——蛋白质科学
时间 : 2016-01-19     

  雷鸣,1994年毕业于清华大学现代应用物理系,获得物理学与计算机科学双学士学位。19965月获加拿大麦吉尔大学物理系物理学硕士学位。20015月获美国哈佛大学生物物理学博士学位。2001年—2004年在美国科罗拉多大学波尔德分校化学与生物化学系做博士后研究。2004年—2011年在美国密西根大学医学院生物化学系工作,历任助理教授、副教授(Tenure)。2009年被美国霍华德休斯医学研究院(HHMI)聘为青年研究员。20116月回国工作,现任国家蛋白质科学中心(上海)主任,中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所副所长,研究员,博士生导师,中组部“千人计划”特聘专家。  

  雷鸣研究员综合应用结构生物学、生物化学以及细胞生物学研究,以蛋白质复合体为主的生物大分子的结构和分子机理及其在癌症和衰老中的作用,在Nature, Science, Cell等杂志发表论文40余篇,并在染色体研究特别是端粒领域与表观遗传学领域作出了多项突破性的工作。 

  《科学生活》:我们常常会听到一些科学家说“21世纪是生命科学的世纪”,您作为生命科学领域的知名专家是如何看待这个命题的?生命科学与其他科学相比,其自身有哪些特别之处呢? 

  雷主任:这里我谈谈自己对生命科学的一个朴素的认识。在18-20世纪这两三百年的时间里,人类对自然科学的认识,有了一个突飞猛进的发展。这个阶段是以物理科学为龙头的,从牛顿发现了动力学的定律开始,一直到上个世纪对核能的研究,人类对物理科学的认识已经进入到了大到宇宙小到夸克这样一个非常高深的阶段了。那么,自从上个世纪的中期,以一位非常著名的理论物理学家薛定谔问的一个经典问题——“什么是生命”为开始,很多科学家转而把目光投到了生命科学上来,因为生命科学是一个非常神奇的领域。它不同于物理科学的地方在于它有一个自我复制的功能,可以进行自我复制、自我修饰和自我修复。所以,从上个世纪中叶开始,生命科学的发展就进入到了一个黄金时期。到了上世纪末期,由于技术的突破性进展,尤其是以克隆技术,以及最近在基因测序技术上的进展,我们对生命科学的认识有了一个非常深入的、长足的长进。所以很多科学家预言:21世纪是生命科学的世纪,这是一个非常睿智的高瞻远瞩的预言。 

  《科学生活》:生命科学的发展与医学的发展以及人类的健康存在密切的关系,那么,科学家们是通过哪些方法和手段来研究生命科学的呢? 

  雷主任:那么,目前我们对生命科学的研究处于一个什么样的节段呢?如果我们把整个生命科学看作一个完美的画卷的话,我们现在大概还是站在远处,用非常低分辨率的手段看到一个轮廓而已。实际上,距离我们真正了解生命科学还有一段很长的路要走。所以说,这是一个充满挑战的,非常有意思的一个领域,希望广大的青少年朋友将来能有机会更多地参与到生命科学的研究中来。 

  我们知道,生命科学的发展有利于提高人类健康的整体水平。目前,生命科学已经进入到了用生命科学的机理来指导人类健康这样一个有非常大作用的阶段。这其中有两大手段是人们非常关注的,第一大手段是遗传学的手段,这一手段以基因测序技术为典型的代表;第二大手段是蛋白质科学。第一大手段是基于人们对疾病或者正常的生理事件的“发现”有着非常强大的功能。而第二大手段——蛋白质科学是基于我们理解这些事件和疾病具有重要作用的武器。这两大手段在现代生命科学的研究中起着互相补充互相促进的作用。 

  《科学生活》:看来,蛋白质科学是生命科学的重要研究手段之一,那么什么是蛋白质呢?蛋白质的微观结构是什么样的?蛋白质和氨基酸之间有什么微妙的联系?一些疾病的产生是否与蛋白质结构的破坏有关? 

  雷主任:提到蛋白质,人们首先会想到鸡蛋,鸡蛋的蛋白中含有丰富的蛋白质。我们可以通过蛋白质的结构示意图上看出,蛋白质就像一团电话线一样缠绕在一起。这些螺旋的结构就是蛋白质非常基础的结构特征。蛋白质到底是由什么形成的呢?蛋白质是由20个氨基酸通过缩水形成具有肽键的多肽键。就像一条长长的绳子,首先形成一个二级结构,通过螺旋式的结构和折叠的结构这两种结构,再经过进一步的组合,出现三维结构,组合在一起组合的四级结构。总的来说,蛋白质是一个非常没有规律的复杂的三维结构。而大家可能知道,相对来说,基因是一个非常规律的双螺旋结构。 

  蛋白质最初被称为“朊”,大家可能听说过“蛋白质病毒”这个词语,疯牛病的病因就是由朊病毒造成的,这个朊病毒就是蛋白质病毒。蛋白质最初是由荷兰化学家穆尔德定义的,意为首要的、前沿的、神奇的。蛋白质是由20种常见氨基酸按照特定序列所形成的具有独特空间结构的生物大分子,其功能的正常发挥依赖于正确的空间排布。我们知道人体里存在20种氨基酸,就好像26个字母可以组合成无穷多个英语单词一样,这20种氨基酸可以组合成无穷多个长度不一的蛋白质。但这些由20个氨基酸组成的蛋白质还具有唯一性的特征,就是说任何一种序列都决定了序列中蛋白质的结构和功能,所以说,蛋白质的结构和功能是由氨基酸的序列所决定的。蛋白质序列或者结构的任何改变都有可能导致活性的紊乱或者丧失,进而诱发疾病的产生。蛋白质研究的突破将促进揭示生命现象的本质;从根本上阐明人类重大疾病的机理,为临床诊治提供新的方法和途径;推动医药、生物能源、生物材料等新型生物技术产业的发展。 

  《科学生活》:那么我们身边还有哪些蛋白质呢?我们平时说的完全蛋白质与非完全蛋白质有何区别?两者谁的营养价值更高? 

  雷主任:我们平时吃的食物中大多含有蛋白质,但为什么我们说有的食品营养价值高,有的食品营养价值没那么高呢?这是根据蛋白质的氨基酸组成是否平衡来区分的,如果组成这个蛋白质的氨基酸比较平衡,我们就称之为完全蛋白质,反之称为非完全蛋白质。那么,哪些食物是完全蛋白质呢?有肉、蛋、鱼、豆制品,这些食品的营养价值高。非完全蛋白质也是由氨基酸组成的,只是组成的氨基酸没有那么平衡,比如我们平时吃的谷物,像麦子等等,就是非完全蛋白质。除了食物之外,日常生活中还有很多蛋白质,以各种形式、方式表现出来,比如蛛网、宝石(玳瑁、珍珠)、毛发、丝绸等等。 

  《科学生活》:细胞当中的蛋白质具有哪些作用?它是如何帮助人体完成各种功能的? 

  雷主任:我们的细胞包含各种各样功能的蛋白质,它们之间精密地配合在一起。细胞中的蛋白质功能非常强大、多样且精密,具有通讯联系、运输转送、防御屏障、免疫进攻、能源动力以及结构支撑等功能。 

  首先,蛋白质有通讯联系的功能,使得我们的细胞能够做出一些决定,这一功能就是由细胞内部的蛋白质完成的。 

  然后,蛋白质还有特殊的运输转送功能,细胞体内的一些跨膜的蛋白质,对于边界两边的物质的传送有一定的特异性,不同的蛋白质分子可以运输不同的物质。 

  此外,蛋白质还有防御屏障的功能,对于外界的有害的病原体,我们人体有天然的防御体系。我们知道,人体所处的环境非常复杂,其中有很多病原体,这些病原体会随时随地对人体进行侵袭,而人体中具有强大的防范体系,可以把病原体挡在外面。 

  人体还有很好的免疫体系,这与前面提到的防御屏障功能相对应。这些都是依靠细胞中的蛋白质的免疫进攻功能。外界的病原体可以识别人体的细胞,人体会根据病原体的情况产生适应于这个病原体的抗体,当我们的抗体识别了外界的病原体之后,就会被人体中的巨噬细胞所识别、吞噬,所以,病原体就不能够感染机体。 

  蛋白质还可以为人体提供能源与动力。我们之所以能够走路、呼吸、说话,及做各种各样的动作,就因为人体存在着一个重要的分子ATPATP在变成ADP的过程当中,高能磷酸键的断裂,为我们提供了能源。大家可以把ATP分子想象成我们人体这辆汽车的汽油,这个汽油是人体自身产生的,不是凭空出现的,我们人体有非常复杂的机器来用更简单的分子来合成ATP。就相当于人体自身的炼油厂,来产生汽油,给人体功能。 

  蛋白质还起到结构支撑的作用。我们知道细胞有一定的形状,这个形状是靠什么来支撑的呢?就是靠支架来支撑的,就像我们要建一座大楼,需要有承重梁,这些东西就是由细胞内的骨架蛋白质构成的。细胞之所以能够在三维空间上有一定的形状,以及细胞形状的变化也是由这个支架体系完成的。所以,我们的细胞是一个可以运动的三维结构。像刚刚提到的巨噬细胞,形状的变化是由这些支架的分子的形状的改变来完成的。