饒毅：國產博士的記錄

編者按：

5月24日，在結構生物學領域取得巨大突破的程亦凡應邀來到清華大學作學術演講，這位跨越物理和生物兩大領域的學者大器晚成，2013年，他與舊金山加州大學（UCSF）的David Julius教授一起解析了近原子解析度的膜蛋白TRPV1結構，成為冷凍電鏡領域的重大突破。當時，在這項研究剛剛發表不久，北京大學教授饒毅第一時間在中文博客里作了介紹，他大膽預測：現在有結構分析，而且是冷凍電鏡應用成功的早期例子之一，Julius與程亦凡獲諾貝爾化學獎的可能很大。

預測是否實現，尚須時間檢驗。但更重要的是，饒毅在博文最後所指出的，程亦凡的經歷——國產博士、學科交叉以及他的長期堅持，或將帶給我們更多的啟示，以及期待。

撰文 | 饒毅（《知識分子》主編、北京大學講席教授）

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1.辣和熱

辣和熱在物理上完全不同，但是為什麼英文問食物有多辣（spicy），可以用多熱（hot）？

原因是進食辣味物體時，人的口（和唇）可以同時有兩種感覺：辣和熱；

不過，辣味並不提高口腔（或唇）的溫度。

那麼，為什麼人吃辣椒時會同時感到辣和熱？

這一司空見慣的「常識」，其原因在1997年被揭開。

舊金山加州大學（UCSF）的David Julius教授，於1980年代在Richard Axel實驗室開始用當時算比較新的方法（表達克隆，Expression Cloning）尋找五羥色胺的受體。十幾年後，他繼續用這一方法，改為尋找辣椒素（capsaicin）的受體，於1997年找到了一個被辣椒素激活的蛋白質分子VR1，而且發現VR1還被加熱所激活，因為辣椒素已知與痛覺通路有關，所以這一工作，同時揭開了溫度感受的機理（Caterina et al., 1997）和痛覺的外周感受的部分機理，其中痛覺的研究當時還需後續實驗（如Julius實驗室的Tominaga et al.，1998；綜述如Caterina and Julius，2001）。

在進化上，辣味和熱感是可分開的，鳥類用VR1分子只感受熱，並不感受辣，因為鳥類與哺乳類VR1蛋白質在氨基酸序列上有差別。Julius實驗室於2002年發現和證明了鳥類和哺乳類VR1差別所在（Jordt and Julius，2002）。

2.Trp通道家族

Julius實驗室於1997年找到大鼠的VR1時，發現它屬於TRP通道家族。

1969年，美國印地安納州的Purdue大學生物系教授Willam Pak等研究果蠅的視網膜電圖（electroretinogram，ERG），用以研究果蠅的視覺、並尋找影響果蠅視覺的突變種（Pak et al., 1969）。同年，英國愛丁堡大學動物系的Cosens和Manning（1969）發現一種突變，根據ERG的變化，他們稱突變果蠅為瞬間感受器電位（Transient Receptor Potential，Trp)，相應突變的基因也就是Trp基因。

1970年代後期興起克隆基因，1980年代很多研究人員克隆基因（筆者做研究生的第一個工作也是靠克隆果蠅的基因混飯吃）。1989年，美國加州大學伯克利分校Gerald Rubin實驗室的博士後Craig Montell克隆了果蠅的Trp基因。他們發現Trp基因編碼的蛋白質有多重大約19個氨基酸組成的疏水段，這種一般預計為跨細胞膜區域，所以預計Trp蛋白質是跨膜蛋白質（Montell and Rubin，1989）。因為它的突變影響果蠅視網膜對光反應，所以最容易推想的功能是離子通道。但證明它是離子通道花了相當長的時間。

Trp類似的基因後來發現於多種生物，包括人。但不僅果蠅的Trp本身並不感受光，其它的Trp具體起什麼作用，如何起作用，也都不清楚，直到Julius實驗室1997年的工作，揭示了其直接功能，從此Trp的研究熱火朝天，很多人加入Trp研究的行列，發現更多Trp家族成員，發現更多功能，如Julius實驗室2002年用薄荷尋找冷敏感的分子（McKemyet al., 2002），結果發現是Trp家族另一成員，而還有科學家發現Trp通道感受壓力，等等。

其中曾激動人心的可能性是聽覺也用Trp通道，不過2010年美國加州的Scripps研究所的Patapoutian實驗室發現Piezo才更可能是聽覺用的感受壓力的離子通道（Coste et al., 2010, 2012）。

視覺、嗅覺、味覺，其第一級感受分子都是GPCR（G蛋白耦聯受體），其關鍵是視覺研究，而最初發現感受光的蛋白質分子（視紫紅質）是十九世紀的德國科學家，其全序列確定是1980年代初的美國和俄國科學家。1990年代，美國科學家沿著視網膜發現的路徑，假設嗅覺的感受分子相似於視覺，從而發現了嗅覺的分子，後來味覺再模仿嗅覺也得到類似發現。其中發現嗅覺感受分子的兩位科學家獲得了生理諾獎，而1980年代發現視覺第一級分子的被愚鈍的委員會所忽略。

Trp通道功能的確定，解決了其他常見感覺（溫、壓、部分的痛）第一級的分子機理，有較大意義。

3.解析Trp通道結構

在公認Trp通道蛋白有多種重要作用後，其機理就為人們很想理解。

這時，結構生物學就顯得很重要。結構生物學以前主要依賴X線衍射，也可用核磁共振（NMR）研究部分小分子的結構，而電子顯微鏡（EM）一般認為太粗，對蛋白質分子中的關鍵結構來說，EM的解析度不夠高。

多年來，少數一些科學家努力提高EM的解析度，他們的工作前期進展緩慢，最近有重要突破。

2013年，好幾篇文章報道科學家們用冷凍電鏡 （Cryo-EM）解析蛋白質的結構。

12月5日，UCSF的程亦凡與Julius兩個實驗室合作，解出了TRP通道家族V1的結構，引起很大興趣（Liao et al., 2013; Cao et al., 2013），第一作者皆華人，通訊作者為程與Julius。

如果沒有結構分析，Julius可能單獨獲諾貝爾生理或醫學獎。

現在有結構分析，而且是冷凍電鏡應用成功的早期例子之一，Julius與程亦凡獲諾貝爾化學獎的可能很大。

近十年來，諾貝爾化學獎不僅常給生物相關的工作，而且是每三年就有一次給結構生物學，化學獎委員會的熱心對Julius和程亦凡不是壞事。

4.長期堅持

程亦凡為武漢大學1978級物理系本科生，在武大物理系再獲碩士後於1991年獲中國科學院物理所獲博士。他在歐洲和美國幾經周折，改為用物理學方法研究生物學問題，加入結構生物學，用過X線衍射，而用冷凍電鏡創造了2013年的成就。

程亦凡到2006年才任助理教授，這時他的學術同齡人多半或是教授、或放棄學術生涯，一般人很難堅持這麼久。

國產博士，學科交叉是一優勢。

我國努力提高培養研究生的能力，使研究生的質量不斷提高。目前的國內博士研究生，會有一批、而不是個別，做得非常好。

今後國產博士將做得更好。

2013年12月12日星期四

?事由：

昨天下午在北大-清華生命科學聯合中心的學術討論會上，冷凍電鏡是激烈討論的主題之一，與其只說幾句，不如寫下道理來。這種文章，一共只要約兩小時，因為有些人是我在混飯吃時遇見過的科學家，很早知道他們的人或工作（如研究果蠅的Montell、或我在UCSF做學生時就做助理教授的Julius），而還有些內容是我在2000到2003年主講科學院/北大/清華生物學研究生BIO2000課程的內容，基本文獻可以從那時的PPT拷貝。

將口頭討論變成文字，可增加自己的記憶、可從不在場的人中再發現其他有興趣進行intellectual exchange的學者、也可能在學生讀者中對他們的科學興趣有所裨益、還可以增加聊天的內容。

Reference：

1. Cao E, Liao M, Cheng Y, Julius D (2013) TRPV1 structures in distinct conformations reveal activation mechanisms. Nature 504:113-118.

2. Caterina MJ, Schumacher MA, Tominaga M, Rosen TA, Levine JD, Julius D (1997) The capsaicin receptor: a heat-activated ion channel in the pain pathway. Nature 389:816-24.

3. Caterina MJ, Julius D (2001) The vanilloid receptor: a molecular gateway to the pain pathway. Annu Rev Neurosci 24:487-517

4. Cosens DJ, Manning A (1969) Abnormal electroretinogram from a Drosophila mutant. Nature 224: 285-287.

5. Coste B, Mathur J, Schmidt M, Earley TJ, Ranade S, Petrus MJ, Dubin AE, Patapoutin A (2010) Piezo1 and Piezo2 are essential components of distinct mechanically activated cation channels. Science 330:55–60.

6. Coste B, Xiao B, Santos JS, Syeda R, Grandl J, Spencer KS, Kim SE, Schmidt M, Mathur J, Dubin AE, Nontal M, Patapoutian A (2012). Piezo proteins are pore-forming subunits of mechanically activated channels Nature 483:176-181.

7. Jordt SE, Julius D (2002) Molecular basis for species-specific sensitivity to 「hot」 chili peppers. Cell 108:421-30.

8. Liao M, Cao E, Julius D, Cheng Y (2013) Structure of the TRPV1 ion channel determined by electron cryo-microscopy. Nature 504:107-112.

9. McKemy DD, Neuhausser WM, Julius D (2002) Identification of a cold receptor reveals a general role for TRP channels in thermosensation. Nature 416:52-8.

10. Montell C, Rubin GM (1989) Molecular characterization of the Drosophila trp locus: a putative integral membrane protein required for phototransduction. Neuron 2:1313-1323.

11. Pak WL, Grossfield J, White NV (1969) Nonphototactic mutants in a study of vision of Drosophila. Nature 222:351-354.

12. Tominaga M, Caterina MJ, Malmberg AB, Rosen TA, Gilbert H, Skinner K, Raumann BE, Basbaum AI, Julius D （1998）The cloned capsaicin receptor integrates multiple pain-producing stimuli. Neuron 21:531-43.

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