馬普所中國博士生首次解析出伴肌動蛋白的三維結構圖，或可幫助準父母預測后代患病可能性

“審稿人看完非常開心和激動，認為該工作解決了領域內的一個比較重要的問題，方法也非常完善，很適合在 Science 發表。”德國馬克斯-普朗克分子生理學研究所斯特凡·勞恩瑟（Stefan Raunser）組的博士生王浙鑫表示。

圖 | 王浙鑫（左）和共同作者邁克爾·格蘭奇（Michael Grange）（右）（來源：王浙鑫）

2 月 18 日，他在 Science 發表了一篇共同一作論文，題為《完整肌原纖維中的結構揭示伴肌動蛋白調節細肌絲的機制》（Structures from intact myofibrils reveal mechanism of thin filament regulation through nebulin）[1]。

圖 | 相關論文（來源：Science）

既突破生物難題，也突破方法難題

該研究主要有兩個方向的突破。其一，它解決了生物學上的基本問題，肌肉研究領域的一個研究熱點是伴肌動蛋白，它和肌原纖維中的細肌絲緊密相關，也是肌肉中重要的組成部分。而王浙鑫等人不僅解析了伴肌動蛋白的結構，并理解了它的功能。

其二，該工作也是電子顯微鏡方法學上的突破。研究主要使用了兩個方法：一個是冷凍斷層掃描，另一個是聚焦離子束切割。此前，人們可通過斷層掃描觀察到原位狀態下的蛋白質。但是，該方法始終對樣品厚度有要求，必須是非常薄的樣品才能用這種方法成像。

（來源：Science）

而此次運用的冷凍聚焦離子束切割方法，擴展了斷層掃描方法的廣泛性，即通過切割可得到任意厚度的樣品，使得斷層掃描基本可用于所有生物樣品。但問題在于，作為一種新方法，它的效率比較低，且積累的用戶比較少。

而本次研究結合以上兩種技術，實現了目前最高的分辨率，借此可以建立蛋白的結構模型。簡而言之，這兩種方法結合之后，可作為一種獨立方法去研究蛋白質在原位狀態下的結構。

（來源：Science）

據王浙鑫介紹，該研究是 2021 年他的一篇 Cell 論文的延續[2]。上次工作也采用了類似方法，也就是使用冷凍斷層成像和聚焦離子束，去觀測骨骼肌的肌小節的三維影像。不過上次主要關注肌小節整體的圖像，這次則觀察了具體的蛋白。

據悉，其所在的斯特凡·勞恩瑟團隊之前的主要研究方向是單顆粒冷凍電鏡，一般研究過程是把蛋白質純化和分離出來，然后解結構以便達到高分辨率。但是，始終有一些問題無法得到回答，比如這些蛋白質結構是不是真實環境下所展現的狀態？

（來源：Science）

說到這里王浙鑫說：“我們的關注重點是肌肉，但是一直都不知道蛋白質分離出來與在肌肉中的狀態是否一樣。其次，有一些蛋白質沒有辦法分離出來，或者分離出來之后，與分離前的狀態完全不一樣。因此要想辦法弄清楚蛋白質的位置、結構和功能。”

課題一開始，王浙鑫和導師斯特凡·勞恩瑟決定要回歸生物環境，即直接在肌肉中去研究想看到的蛋白質，因此他從單顆粒冷凍電鏡轉向冷凍斷層掃描技術。雖然二者都是用電子顯微鏡這一設備，但是冷凍斷層掃描技術還需要一些其他設備和數據處理上的技術，但在起初他們都沒有。

剛開始，王浙鑫的導師負責購買設備，他主要負責學習相關技術，然后和其他同事完善技術和流程，最后收集大量數據、并進行處理和分析，直至完整的論文成型。

（來源：Science）

王浙鑫說，一直以來他覺得科學研究要么“上書架”，要么“上貨架”，此次研究便屬于后者，其主要意義是加深對肌肉的理解。

可幫助準父母預測未來孩子是否存在患病可能

雖然說是基礎研究，但也有不錯的應用前景。例如，他所研究的伴肌動蛋白，與桿狀體肌病緊密相關，即伴肌動蛋白的基因突變會導致該疾病的發生。然而，也有很多突變不會導致該疾病。因此，如果沒有相關蛋白質的結構，就無法判斷某一突變究竟重不重要、或者會不會致病。

而本次成果誕生后，即可通過測序進行線狀體肌病的早期診斷，以及一些變異體攜帶者的遺傳疾病咨詢。準父母們就能據此推測將來的孩子是否會患病，這也是一種直接的價值。

長遠來說，此次提出的方法有助于開發肌肉疾病療法，或者延緩肌肉的衰老。不僅如此，未來還可借此研究不同的****物對肌肉的影響，尤其是在與心臟和生命相關的疾病中。

總的來說，目前該研究只涉及到伴肌動蛋白，接下來王浙鑫所在團隊打算將該方法拓展到其他蛋白上。肌肉內有很多類似的、但卻功能各異的蛋白，如果把該方法擴展到更廣泛的蛋白質上，就可幫助理解更多疾病的分子機理。

同時，還可觀測衰老的肌肉中不同蛋白質的狀態，借此了解肌肉衰老的機制，從而幫助開發一些延緩肌肉衰老的****物。對于一些基于分子層面開發的****物，可以利用這一手段觀測整個肌肉中蛋白質的結構，以判斷這些****物對于整體肌肉的影響。

（來源：Science）

畢業后去劍橋做博后，學術伉儷即將團聚

王浙鑫表示：“研究后半段基本上處于新冠期間，沒想到新冠會持續這么長時間。雖然大部分時間都是分析數據和寫文章，但是由于缺少交流，對生活的影響是特別大的。另外，我在這段時間也結識了我的女朋友，她陪伴著我，也給了我很多幫助。”

在科研方面，比較有意思的算是前段時間 AlphaFold2 的公布。他表示：“目前來看，AlphaFold2 對于伴肌動蛋白的整體預測是不準確的。但是，AlphaFold2 在局部的預測可以給我們很多靈感。比較遺憾的是，AlphaFold2 發布的時候，我已經完成了結構模型，否則這個人工智能程序其實可以減少我的一部分精力。”

（來源：Science）

至于后續計劃，如前所述肌肉中還有很多蛋白，它們的結構都是未知的。此次方法也將逐步應用在各種蛋白上。

“這也將是我們組的大方向，主要是研究其他的蛋白質在肌肉中，以及不同的蛋白質在不同的肌肉狀態下是什么樣的。最終的目的是為了開發出肌肉疾病的療法并延緩肌肉的衰老，也就是說，我們會繼續研究疾病狀態下的肌肉以及衰老狀態下的肌肉。”他表示。

據悉，王浙鑫是山東人，其本碩均就讀于帝國理工學院。后來到德國多特蒙德的馬克思普朗克分子生理學研究所讀博，預計 2022 年夏畢業。

對于所選擇的結構生物學專業，他說結構生物學相當于一個基石，自然界中各種過程都和蛋白質相關，相關科研人員要做的第一件事就是弄清楚蛋白質的模樣。如果不知道蛋白質的結構就去研究，其實會很盲目。所以，他一直都覺得解析蛋白質結構很重要。

但是，他對電子顯微鏡更感興趣，可以“所見即所得”。借助顯微鏡能直接看到蛋白質的樣子，而非通過技術手段算出來，前者能讓他感受到自然的美感，通過蛋白質可以看到自然界許多年的進化演變，以及每個蛋白質在特定位置形成的特有形狀。

圖 | 王浙鑫和女友（來源：王浙鑫）

對于后續計劃，他說：“我已經定下來去劍橋分子生物學實驗室做博后，運用類似的方法解決不同的生物問題，因為我女朋友也在那邊。她是醫生，也會做一部分科研。將來我們的計劃肯定是回國，但具體什么時候還是需要合適的時機。”

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參考：

1、Wang, Z., Grange, M., Pospich, S., Wagner, T., Kho, A. L., Gautel, M., & Raunser, S. (2022). Structures from intact myofibrils reveal mechanism of thin filament regulation through nebulin. Science, 375(6582), eabn1934.

2、Wang, Z., Grange, M., Wagner, T., Kho, A. L., Gautel, M., & Raunser, S. (2021). The molecular basis for sarcomere organization in vertebrate skeletal sarcomere. Cell, 184, 2135-2150.e13.