冷凍電鏡斬獲 2017 年諾貝爾化學獎，結構生物學研究成果具有哪些應用方向？

01-07

特別要問的是，結構生物學在抗癌藥物的研發過程中是否有用，起什麼作用？有沒有現在已經成功的抗癌藥物？
本題已加入知乎圓桌 ? 2017 諾貝爾獎巡禮，更多「諾貝爾獎」相關話題討論歡迎關注。

謝 @袁霖邀。

1. 人為啥得病？

可能是因為微生物感染，或者體內信號通路紊亂等等。

2. 藥物如何起作用？

生物大分子（如蛋白質等）是維持生命的機器。有些蛋白質格外重要，如果被破壞，生命體就會死亡。

對於微生物感染的情況，需要找出一種藥物，可以破壞微生物的某種關鍵蛋白質，同時不破壞宿主（人）的蛋白質，就可以殺滅宿主體內的微生物，從而治病。例如：布氏錐蟲感染人體後可導致非洲昏睡病，嚴重的可導致死亡。糖酵解途徑是其轉化能量的唯一途徑，如果破壞布氏錐蟲的這一條途徑，至少是途徑中的某一個蛋白，如磷酸果糖激酶，就可以殺滅體內的錐蟲，治好疾病。

對於體內信號通路紊亂的情況，需要找出一種藥物，解除這種紊亂。例如：p53蛋白能調節細胞周期，從而避免細胞癌變發生。然而有些細胞會表達p53抑製劑，比如MDM2蛋白，結合到p53上，不讓它起作用。這樣，細胞失去保護，組織就會產生癌變。如果能抑制MDM2和p53的結合，就能保證p53的作用，從而限制組織癌變。

3. 如何設計藥物？

上文提到，如果能設計一種分子，抑制錐蟲的磷酸果糖激酶，同時不會干擾人的磷酸果糖激酶，就可治療這種疾病。問題在於，怎麼設計？

如下圖所示（示意圖，非真實結構）。科學家利用X射線衍射晶體學的方法，分別看到布氏錐蟲的和人的磷酸果糖激酶的高清無碼三維結構。通過比較，發現布氏錐蟲磷酸果糖激酶的關鍵ATP結合位點，比人的要深一點。基於這個口袋形狀，科學家設計了一種小分子，恰好能結合布氏錐蟲的深口袋，但無法結合人的淺口袋。

通過這種基於蛋白結構設計的藥物分子，我們可以破壞布氏錐蟲的能量轉化（糖酵解途徑），從而將其殺滅，同時不會影響人體代謝。治好錐蟲感染造成的非洲昏睡病指（遙）日（遙）可（無）待（期），達到生命的大和諧。

上文同時提到，我們需要破壞MDM2和p53的蛋白-蛋白相互作用，從而釋放p53的效力，讓它保持控制細胞周期的作用，防止細胞癌變。為此，科學家又通過結構生物學的一系列手段，看到了MDM2和p53相結合時的高清無碼三維結構（如下圖），發現，它們倆結合的關鍵部分，是p53上的leucine26; tryptophan23; phenylalanine19。

基於這個蛋白複合物的結構，科學家設計了一系列小分子（如nutlin），模擬L26、W23、F19，讓這種小分子同MDM2的結合比p53緊密得多。這樣，小分子會將p53挖出來（競爭抑制），從而釋放p53，又達到了生命的大和諧。這種藥物目前已達到臨床一期。

參考文獻：

1. Popowicz, Grzegorz M.,
Alexander D?mling, and Tad A. Holak. "The Structure‐Based Design of
Mdm2/Mdmx–p53 Inhibitors Gets Serious." Angewandte Chemie International Edition 50.12 (2011): 2680-2688.

2. Vassilev, Lyubomir T., et al. "In vivo activation of the p53 pathway by small-molecule antagonists of MDM2." Science 303.5659 (2004): 844-848.

3. Hoe, Khoo Kian, Chandra S. Verma, and David P. Lane. "Drugging the p53 pathway: understanding the route to clinical efficacy." Nature reviews Drug discovery 13.3 (2014): 217-236.

4. McNae, Iain W., et al.
"The crystal structure of ATP-bound phosphofructokinase from Trypanosoma
brucei reveals conformational transitions different from those of other
phosphofructokinases." Journal of molecular biology 385.5 (2009): 1519-1533.

結構生物學的成果可以用於闡明生理現象的分子機制，在葯化領域可用於幫助藥物發現。

結構生物學簡單來說就是解析晶體結構的。解析的對象包括遺傳物質和蛋白晶體等等。

任意門：結構生物學；Structural biology；結構生物學_百度百科。

傳送門：RCSB Protein Data Bank

structure of human angiotensin-converting enzyme-lisinopril complex

為什麼我們要解析這些東西的晶體結構？因為我們想知道到底它們有什麼用，怎麼起作用。

===========================開始扯淡的分割線==============================

我決定按照自己的思路來扯淡。

人體是一個複雜到飛天的個體。

要解析一個現象往往要深入到最根源處。比如說疾病的發生什麼的。

在舊社會，人們不知道發病的根源，但是很幸運的是，經過無數失敗和犧牲，我們找到了可以治病的葯。在漫長的歲月中形成了龐大的治療用藥體系，這個體系發展到極致，就變成了傳統中醫藥。（這是我個人理解）

但是我們並不知道為什麼這些花花草草，或者說是一堆粉末能治好病。

不知其所以然的話，就沒有進步。

舉個栗子：高血壓...

當我們遇到一個問題的時候，首先想到的是為什麼，然後再問怎麼辦。

但是由於科技手段的缺乏，我們很多時候是知道了怎麼辦以後，才知道為什麼的。

不過很多情況下當我們知道怎麼辦以後就不再追問為什麼了，這是落後的根源...扯太遠了...

回到高血壓的問題：

在研究高血壓的發病機制的時候，人們發現了一種調節機制，，叫做：腎素-血管緊張素系統，Renin。簡稱RAAS...

這個系統對於高血壓的發病起到極其重要的作用。

下圖簡單明了的說明了這個系統：

①血漿中，或組織中的腎素底物，即血管緊張素原（angiotensinogen），在腎素的作用下水解，產生一個十肽（1—10），為血管緊張素I（angiotensin I, Ang I）。
②在血漿和組織中，特別是在肺循環血管內皮表面存在ACE，Ang I在ACE的作用下，其C—末端水解切去2個氨基酸殘基，產生一個八肽（l—8），為血管緊張素II（angiotensin II, Ang II），也可在ACE2作用下，C—末端失去一個氨基酸殘基而生成九肽（1—9）的血管緊張素1—9（Ang l—9）。
③Ang II被血漿和組織中的ACE2、氨基肽酶和中性內肽酶（NEP）酶解，在N—末端切去一個氨基酸殘基，生成七肽（2—8）的血管緊張素III（Ang III），N—再失去一個氨基酸殘基而生成六肽（3—8）的血管緊張素IV（Ang IV）。
④在脯氨醯肽鏈內切酶（PEP）和脯氨酸羧基肽酶（PCP）的作用下，Ang I的C—末端切去三個氨基酸殘基，或Ang II的C—末端失去一個氨基酸殘基而形成七肽（1—7）的血管緊張素1—7（Ang l—7）；Ang l—9也可在ACE作用下，在C末端失去兩個氨基酸殘基而形成Ang l—7，繼而Ang l—7在氨基肽酶和NEP作用下，在N—末端再切去一個氨基酸殘基而生成血管緊張素2—7（Ang 2—7），在N—末端再失去一個氨基酸殘基而形成血管緊張素3—7（Ang 3—7）。
⑤上述的血管緊張素家族成員還可在氨基肽酶、羧基肽酶和肽鏈內切酶的作用下繼續降解為無活性的小肽片段。

請注意引用描述中的下劃線內容，這些都是該系統中發揮作用的酶。

我們要干預一個系統，就得干預系統中其關鍵作用的東西，在這裡，這個東西就是酶。

而在RAAS中，ACE和腎素這兩個靶標尤為關鍵。

當我們知道這個酶很關鍵的時候，就會想著去發現一些藥物來作用於（在本情況下是抑制）這個酶。

如果你了解藥物發現的過程（傳送門：藥物是如何發明的？），那你就會知道了解酶的結構是多重要。

因為解析晶體結構我們就知道藥物（內源性物質）到底是怎麼和酶作用的，怎麼設計藥物才能增強它的作用或者避免一些副作用。

這個在任何疾病的發病研究以及藥物發現中都是很重要的。

藥物化學家們手上拿到了酶的結構，大概就能（一些情況下很難）開始去進行藥物的設計和發現了...

==================如有必要再補充分割線=======================

結構生物學，就是闡明生物分子的三維結構，主要是蛋白質，也包括DNA等。

其成果的應用，一是從微觀上闡明一些生物學的機理(細節)；二是應用於藥物研發(佔大頭)、酶工程等。

個人認為了解蛋白質的結構是非常重要的，比如我們常見的三羧酸循環，其實是這樣的(圖片來自RCSB PDB)

當然這裡只是顯示了三羧酸循環過程中各個酶的大致形態及相對大小，並沒有細節結構，只能看一看而已，並沒多大用處。

下面舉個抗癌藥伊馬替尼的例子

圖中間的是就是伊馬替尼。周圍就是其結合的靶蛋白(還有若干水分子)，黃色/藍色的虛線表示伊馬替尼與靶蛋白之間形成的相互作用。

藥物要發揮作用，首先要結合到靶蛋白上，而一般來說，(藥物與靶蛋白之間)形成的相互作用越多，其結合就越牢固（當然實際上還有其它影響因素）。

而有了藥物與靶蛋白相結合的三維結構(如上圖所示，雖然圖片顯示的只能是二維的)，就可以很清楚地了解藥物與靶蛋白是如何結合的、有哪些相互作用，並可以指導如何設計/改造才能得到更有效的新葯分子(比如與靶蛋白形成更多的相互作用)，等等。

（當然實際的藥物研發要比這複雜得多的多的多......，這裡舉例的只是藥物研發中的一個環節，並且是理想化的......）

比如下面這個例子

對小分子(可能是個藥物哦)進行微小的改造（添加了一個腈基），並做一定的能量優化後，可以看到(改造後的)小分子與靶蛋白形成了兩個新的(氫鍵)相互作用，從而很可能增強了對靶蛋白的結合能力。

（但要注意啊，這僅僅是一個示例，只是單純為了新形成兩個相互作用，並沒有考慮其它可能存在的問題）

——綜上，結構生物學很有用，比如在新葯研發方面。那麼具體到冷凍電鏡上呢？

結構生物學，也就是得到生物分子的三維結構，其實主要有3種方法，除今年的諾獎冷凍電鏡外，還有X-ray衍射及NMR(核磁共振)。

其實一直到目前，結構生物學最主要的方法仍然是X-ray衍射(而非冷凍電鏡)，那冷凍電鏡與X-ray各有什麼優缺點呢(讓我們暫時忽略NMR)？

X-ray衍射：設備相對便宜，通常得到的結構解析度較高（細節較清楚）；對於較大的蛋白複合體以及GPCR等膜蛋白，通常很難解析或者無能為力。

冷凍電鏡：擅長解析大型的蛋白複合體結構，無需結晶（而在X-ray中，結晶是必須的並通常是個難點）；但設備昂貴，尤其是解析度不夠高（儘管現在比以前已經是突破性的進步，但不得不說還是差些啊）

（冷凍電鏡的解析度用到新葯研發上還是...，還是可能造成一些誤差的，當然有結構總比沒有強）

最後要注意的是，蛋白都是有一定柔性的（或多或少），也就是說蛋白其實一直都在微微擺動的，有些蛋白(局部)還可能發生較大的構象變化，而我們得到的這些結構，都是靜態的。好比是自一段跑步的視頻中提取其中某一幀保存為圖像（雖然是三維的圖像）。

這時就要提到NMR了，其得到的結構可以一定程度反映蛋白的動態，好比是自一段跑步的視頻中提取出若干幅不同時刻的圖片。但也只能一定程度反映，並且很大的問題是，NMR只適合很小的蛋白，對於較大些的其通常無能為力。

當然要研究蛋白的動態，也還是有辦法的，比如分子動力學，但一來這畢竟是模擬(雖然基於牛頓定律等)，由於用到很多近似，準確性可能就差些；二來分子動力學的計算量也是比較大的，雖然現在演算法和硬體都有較大提高，但對時間跨度較長(比如毫秒)的生命活動，還是很難很難或者無能為力的。這是另外的話題了。

結構生物學在我們藥學裡面應用還是挺多。

蛋白質通常有一二三四級結構特徵（多肽類大多具有一二級結構特徵），我們在研究多肽類和蛋白類藥物的時候，其結構特徵與它的生物活性通常是緊密相關的。

以我現在研究的antimicrobial peptides（抗菌肽）來舉例，其二級結構與活性緊密相關（一級結構就是指氨基酸序列）。抗菌肽是一類具有光譜抗菌活性的多肽類物質，其獨特的抗菌機制使得細菌難以產生耐藥性。目前發現的抗菌肽活性具有抗革蘭陰、革蘭陽性菌，抗病毒、抗真菌、抗腫瘤、抗寄生蟲等。

我們發現的大多數抗菌肽都會有阿爾法螺旋、貝塔摺疊、貝塔轉角等一系列二級結構特徵。當我們從天然中得到了一條多肽的氨基酸序列，進行活性預測的方法之一就是進行DOCK分子對接。多肽好比是鑰匙，目標受體好比是鎖，分子對接就是通過電腦模擬鎖與鑰匙的3d結構，並測試其是否相匹配。匹配程度如果較高，說明可能活性比較強，這時候我們就可以開始一系列藥理毒理學實驗活性驗證了。如果匹配程度較低，我們則可以對其一級結構進行修飾和改造，通過氨基酸序列的變化修改其二級結構，目的為了提高活性和選擇性並降低毒性。

對製藥的 RnD ,即preclinical stage 有用。可惜，遺憾告訴你製藥巨頭近年來大幅裁RnD divisions. 特別是歐美巨頭，也許亞洲還有丁點希望？

生物大分子結構（如施一公等）

全病毒結構（美輪美奐）

病毒中和抗體作用機制（抗體結合抗原的複合物結構）

謝 @芝士喵邀請。。。不知道為啥會邀請我這個一直潛水的小透明，但是這個問題還是可以回答一點的。

結構生物學一直以為被人詬病說是灌水重災區，這個我們是認的。但是有人說結構生物學一點用都沒有，這個我們是不認的。

結構生物學，由於我是做蛋白結構的所以也就只能說一點蛋白方面的，其實就是通過生化手段得到純化蛋白，然後通過冷凍電鏡等方法得到蛋白的結構。這個結構如果能達到高解析度（一般我們認為是0.4nm也就是4埃以內）是可以解釋並進一步提出很多生物學問題的。比如最基本的，這個蛋白是如何摺疊的？再深入一些，這個蛋白髮揮功能的結構域是哪一部分？這一部分里是不是有幾個非常重要的氨基酸？這幾個氨基酸又是如何實現這個功能的？接下來針對這些問題會進行進一步的實驗，直到能解釋清楚到底是哪幾個官能團在怎樣的情況下如何作用使蛋白質發揮功能。

這些生物學問題解決後，就可以考慮一些實際應用問題了。

如題目所說的癌症治療。比如一個蛋白，是在某個致癌通路中起作用，它的作用比如說是對某種底物有催化作用，那麼在結構生物學搞清楚了這個蛋白起催化作用的具體原理，根據這幾個關鍵氨基酸的官能團是否能設計出某種分子與底物競爭結合，從而起到阻斷通路，以達到治療癌症的作用呢？這就是我個人所認為的結構生物學的應用之一。

（剛才手抖不小心發出去了。。。）

當然這種應用是存在很大的局限性，這也是很多人認為結構生物學無用的原因之一。雖然我們嘴上說理論上是有這些應用，但實際上從理論解決問題到實際的藥物研發有很長的路要走。有各種各樣結構生物學以外的問題在等待解決。比如大家所能想到的是否會對別的蛋白也有抑制作用？或者這種催化在機體內是否普遍存在？更高一點，這種抑製劑和蛋白的結合常數是什麼數量級？往後一期二期三期臨床也可能蹦出來一大堆問題。。。可以說，結構生物學無用這個鍋我認為不應該甩給結構生物學，而是應該給如合成化學等專業。因為我們本身就是基礎科研，最基礎的問題我們已經解決了，後面的通往應用的道路不應或者不完全應由我們獨自打通。希望大家能理解。

個人見解，歡迎各路大神交流。

一隻剛入坑的搬磚工瑟瑟發抖中。

算了還是匿了吧。。。低調低調。。。

結構生物學給藥物設計提供基礎信息。許多疾病治療或控制的關鍵在於對異常細胞內生物大分子異常行為的干預和糾正。這個過程也可以理解為操縱。藥物，就是我們操縱這些生物大分子的工具。藥物設計就是對這些工具的設計。在機械中，要設計工具，我們首先要知道被操作的工件有哪些幾何結構特性。類比於我們要卸下自行車上的螺絲，首先要了解該螺絲是平口還是十字。對於生物大分子亦是如此，我們首先要了解其結構特性才能設計針對其的藥物。雖然生物大分子的結構特性不僅拘泥於幾何結構，更牽扯化學反應特性。但這些都可以歸納於生物大分子的結構。

冷凍電鏡正是一種解析生物大分子結構的手段。其應用價值在於可以部分解決X射線晶體衍射技術的局限性。因為X射線晶體衍射技術的關鍵在於對目標蛋白質的結晶。並非所有蛋白質都能輕易結晶。尤其是大分子複合體或膜蛋白。冷凍電鏡不需要結晶，並且只需要少量蛋白就可以實施。

總結一下，冷凍電鏡作為一種重要的結構生物學技術是十分有利於藥物設計的。對於某些癌症而言，其重要內因在於細胞膜表面受體蛋白的異常激活，比如EGFR或Her2蛋白。了解這些蛋白質的正常或異常結構特性，當然對針對其設計藥物十分有利。

關於冷凍電鏡的原理和優缺點感興趣的話抽空再來繼續回答。

謝邀 @Yui Yoshioka

1.做結構生物學的工具有哪些？

冷凍電鏡之前，做結構生物學主要是靠X-Ray和NMR，NMR是做小分子的，因為計算能力的限制，不知道計算能力取得突破之後，比如量子計算機取得重大突破，NMR能否也做大分子。

X-Ray有個關鍵的步驟是結晶，據說在長晶體的時候，有的組會去求佛。不過現在Cryo-EM發展迅速，估計再也不需要這些玄學了。

2.一個有用的基礎應用

最新一期nature methods.的一篇論文 CNN+Cryo-ET。懶得寫中文介紹，自己看摘要吧

Convolutional neural networks for automated annotation of cellular cryo-electron tomograms

Cellular electron cryotomography offers researchers the ability to observe macromolecules frozen in action in situ, but a primary challenge with this technique is identifying molecular components within the crowded cellular environment. We introduce a method that uses neural networks to dramatically reduce the time and human effort required for subcellular annotation and feature extraction. Subsequent subtomogram classification and averaging yield in situ structures of molecular components of interest. The method is available in the EMAN2.2 software package.

結構生物學主流技術X射線衍射，在上海有第三代光源；核磁共振NMR，有北京的950MHz，都卓有成效。而施一公引進最新儀器和演算法大牛，搭建全球最先進的電鏡平台，一時間執結構生物學之牛耳。當他的團隊解析出炒雞複雜的蛋白複合體——剪切體的時候，就有人說這是諾獎成果，當然了，更多人知道這背後的工具炒雞強大，是大分子結構的不二之選，這背後體現了中國在基礎科學界的追趕和崛起，當然有很多不盡如人意的地方，但是前景很強勢。

具體應用的話，相信有句話很多人聽過，叫結構決定功能，功能包括分子間的識別和結合，對這個識別能力的把握和對一個新的藥物結合能力的預測，主要就來自於蛋白的精密結構信息，這是結構生物學的基本意義，而且除了典型的結構和結合模式，精密的新結構往往能揭示新的未知的結構模式，顯示大自然的鬼斧神工，比如鐵簇，鉬簇，p-π，π-π，DNA雙螺旋，膠原蛋白三螺旋等等，對於生物化學甚至無機元素化學領域都有顛覆。

具體電鏡而言的話，新開闢了幾乎無上限的生物大~大~大分子結構測量領域，甚至會對細胞生物學基礎教材中的若干圖景重新書寫，例如各種結合力較弱的複合體，大型化學工廠，化學信號傳輸鏈路等等，真心感覺未來是你們的。

分子結構是原子排列而成，分子內部的化學鍵又是原子各自電子的整體重構，形成分子軌道。

電子顯微鏡利用高能電子探測原子的排列，不知道何種手段能直接觀測化學鍵。

謝邀，冷凍電鏡，一個發給物理學家的諾貝爾化學獎！其實我覺得知識分子裡面這篇推文已經講的的非常好了！

就我自己來看其實這更像是一個趨勢問題，物理和化學更多的是研究外在世界的工具，目前來看前輩大牛們已經就外在的世界研究的非常詳盡了（就目前局限的眼光），所以學術圈更多的講目光轉向了生物的內在世界。

非常有意思的事情是，生物最開始的時候可以說是物理化學的交叉學科，很多時候並不能單純的被當做一個學科，隨著我們對分子，神經，幹細胞，免疫越來越詳細的研究，生物才越來越向一門獨立的學科。一門涵蓋從生態到個體到細胞到生物大分子的鴻觀和微觀世界的學科。這裡面其實一直有一個另類那就是結構生物學。

結構生物學的發展一直都不是依賴我們對於生物的更深層次的理解，而是依賴於技術手短的進步，沃森克里克解析DNA結構靠的是X-Ray,以及Kurt的NMR(短肽，和小蛋白＜10KDa)，電鏡以前一直都是有的但是一直不溫不火，原因在於解析度的問題，直到我們敬愛的程一凡大大將解析度提高到了3angstrom，這就很無敵了，電鏡樣品不需要結晶，成像不需要同步輻射光源，只要千萬價格RMB就可以搞，未來確實應該是電鏡的！不過大家不能忘記的是電鏡的巨大進步少不了鏡頭和計算能力的進步，就和現在的AI實質靠的也是強大的計算一樣。可惜諾貝爾只發0到1，其實中間無數的大牛被埋沒了。

應用簡簡單單說不清楚，更多的是基於結構的模擬篩選！感興趣可以去看看薛定諤，用用pymol。主要做葯吧。