颜宁:在CNS杂志发表论文的中国学者

生物通报道 近年来,清华大学创新人才管理体制,大力引进优秀人才,想方设法为高层次创新型人才全面发挥作用搭建舞台。2006年,在结构生物学研究领域成就卓著的科学家施一公,逐步放弃在美国取得的一切学术殊荣,回清华执教,引发了震动效应,一批海外创新人才纷纷申请到清华工作,颜宁便是其中之一。

2007年7月,不满30岁的普林斯顿大学博士颜宁,受聘清华大学医学院教授,成为清华最年轻的教授、博士生导师。在清华医学院4年多的时间里,她以独立或共同通讯作者身份发表或被接受了9篇研究论文,其中2011年,其分别在Cell(《细胞》),Nature(《自然》),Science(《科学》)这三种国际顶级学术期刊上发表了三项重要的研究成果,获得了引起了国内外科学界的广泛关注。

Nature

Structure and mechanism of the uracil transporter UraA.Nature. 2011 Apr 14;472(7342):243-6.

2011年3月20日,清华大学医学院教授、生命学院兼职教授颜宁和生命学院王佳伟副研究员合作领导的科研小组,在NATURE发表了名为《Structure and mechanism of the uracil transporter UraA(尿嘧啶转运蛋白UraA的结构和机制)》的科研论文,在世界上首次报道了NAT家族蛋白UraA的晶体结构。

核苷碱基-维生素C转运(NAT)蛋白家族,又称为核苷碱基-阳离子同向转运载体2(NCS2)蛋白家族,在各种生物核苷碱基摄取的生理活动中发挥着重要作用。但是很长时间以来,这一大类蛋白的三维结构信息以及其发挥生理活性的机制一直不得而知。

颜宁教授率领的科研小组自建立以来即致力于对膜转运蛋白结构,特别是营养物质:质子共转运蛋白的结构与分子机理的研究,他们在2007年开始了对NAT家族蛋白的研究,首先选取了大肠杆菌尿嘧啶-质子共转运蛋白(Uracil:proton Symporter)UraA这一该家族代表性成员作为研究对象,利用现代结构生物学的方法,终于在2010年4月首次获得了UraA与底物尿嘧啶高达2.

8埃的高分辨率三维精细结构。

通过对三维晶体结构的分析,他们惊喜地发现:在拥有由14个跨膜片段形成的两个反向重复序列的UraA蛋白中,存在着一种全新的蛋白折叠形式!在第3号和第10号跨膜片段间存在着一对反向平行的beta-折叠片,它们在蛋白结构的维持和蛋白底物的识别中发挥了重要作用。

这一发现基本颠覆了一直以来对于膜整合蛋白结构的认知。过去25年的膜蛋白结构生物学研究似乎表明,膜整合蛋白的跨膜区或者只有alpha螺旋,或者只有beta折叠。

唯一的例外是S2P蛋白,其在膜边缘处还有三个beta折叠,由于是出于蛋白边缘,还一度被专家质疑是否是由于体外结晶造成的结构变相。而UraA的结构毫无疑义地证明这alpha螺旋和beta折叠两种蛋白二级结构可以在膜蛋白的跨膜区中同时存在,这已发现为研究膜蛋白的折叠和进化提供了重要线索。

进一步结构分析表明UraA在空间排布上呈现两个明显的结构域,即核心结构域和门控结构域。在已有的结构基础上,他们通过大量的体内体外生化实验进一步证明了该蛋白特殊结构的生理意义:蛋白底物尿嘧啶在跨膜转运的过程中首先被准确地定位在两个结构域之间,进而通过核心结构域和门控结构域之间的构像变化完成整个转运过程。

他们还发现了在底物识别共转运中起关键作用的数个氨基酸。科研小组根据序列比较,进一步提出了NAT家族利用钠离子或质子共转运底物的分子机理。

Science

Structural Basis for Sequence-Specific Recognition of DNA by TAL Effectors.Science. 2012 Jan 5.

来自清华大学生命科学学院和医学院,美国普渡大学等处的研究人员发表了题为“Structural Basis for Sequence-Specific Recognition of DNA by TAL Effectors”的文章,报道了转录激活因子样效应蛋白(TALE)特异识别DNA的分子机理,这提供了TALE蛋白的改造基础,极大地拓宽了TALE蛋白在生物技术应用上的前景。

相关成果公布在Science杂志上,并被作为亮点推荐文章。

TALE (Transcription Activator Like Effectors)植物致病菌Xanthomonas通过III型分泌系统注入到宿主细胞内的一种蛋白质。TALE蛋白的奇特之处在于它的DNA结合结构域--该DNA 结合结构域不同于其他已知的DNA结合结构域。

它是由不同数量的重复单元组成,每一个重复单元特异识别一个DNA碱基对。大多数情况下每个重复单元由34个氨基酸组成。这34个氨基酸中除了第12,13位的氨基酸变化较大之外,其他氨基酸高度保守。

这两个不保守的氨基酸被命名为RVD(repeat variable diresidue)。每个重复序列中12,13位的氨基酸和识别的核苷酸种类有特殊的一一对应关系。

TALE蛋白的特异DNA序列识别以及灵活的可组装性为它们在分子生物学中的应用提供了巨大的前景,科学家们可以设计组装任意的TALE单元去识别目标DNA双螺旋序列。这一特性已经被用来构造切割特异双链DNA序列的DNA酶TALEN (TALE nuclease),成功用于在细胞基因组中引入定点突变、定点敲除等操作。理解TALE识别DNA的分子机制,会极大地促进其在生命科学领域的应用。

TALE蛋白到底是如何实现这种特殊的DNA识别方式呢?为了回答这个有趣的问题,颜宁、施一公、朱健康研究组合作,选择了一个经过改造的TALE蛋白dHax3,进行结构生物学和生物化学研究,最终获得了2.4埃和1.85埃两个高分辨率的晶体结构:未结合DNA和结合DNA的TALE蛋白结构。

这些晶体结构显示TALE蛋白的重复单元组成Helix-loop-helix的结构围绕DNA呈右手螺旋状排列,并清晰揭示了TALE蛋白特异识别DNA的机理。结构还显示RVD这两个残基中只有第二位的氨基酸才与碱基特异识别。结构比较进一步展示了TALE蛋白类似于弹簧的伸展性。这些结构信息提供了TALE蛋白的改造基础,极大地拓宽了TALE蛋白在生物技术应用上的前景。

Cell子刊

The molecular basis of ABA-independent inhibition of PP2Cs by a subclass of PYL proteins.Mol Cell. 2011 Jun 10;42(5):662-72.

来自清华大学生物膜与膜生物工程国家重点实验室,北京大学,罗氏制药等处的研究人员揭示脱落酸受体研究新进展,他们在之前研究的基础上,鉴定出一类不依赖于ABA即可对下游PP2C进行抑制的PYL亚家族,并且揭示了它们独立于ABA行使功能的分子机理。这一发现提供了对PYL家族蛋白依据结构和功能的重新分类。这一研究成果公布在《Molecular Cell》杂志上。

脱落酸(Abscisic Acid),简称ABA,是植物体内最重要的植物激素分子之一,它具有控制、气孔关闭、影响种子发芽等重要的生理功能,对于保护植物对抗逆境具有至关重要的作用。ABA受体的研究近年来获得了广泛关注。

2009年4月,Science杂志同期发表了两个研究组的独立成果,他们发现了同一家族蛋白PYR/PYL/RCAR(PYLs)是ABA的潜在受体。半年之后,包括清华大学颜宁教授领导的科研小组在内的来自中国、美国、日本、欧洲的五个研究组几乎同时报道了有关ABA受体的结构生物学研究,证实了PYL家族蛋白是ABA的直接受体,并揭示了ABA调控PYL蛋白抑制下游PP2C的分子机制。

这一系列对于ABA受体发现并鉴定的工作入选2009年Science评选的该年度“科学十大进展”。

PYL蛋白家族在拟南芥中共有14个序列比较保守的成员。自2009年以来,颜宁领导的研究组对PYL家族进行了系统和深入的研究。近期这一研究组又通过结构生物学和系统的生物化学分析鉴定出一类不依赖于ABA即可对下游PP2C进行抑制的PYL亚家族,并且揭示了它们独立于ABA行使功能的分子机理。这一发现提供了对PYL家族蛋白依据结构和功能的重新分类。

在这篇论文中,研究小组对可以体外重组获得的PYL家族的10个成员进行了系统的生物化学分析,发现不同PYL蛋白抑制下游4个不同PP2C具有显著的特异性,从而为理解PYL家族的冗余性提供了重要的分子基础。更为重要的是,她们发现这些蛋白在信号通路中的作用机制并不相同。

其中一类蛋白(以PYL10为代表的PYL4-10)在没有ABA的情况下就可以比较有效地抑制下游PP2C的去磷酸化酶的活性,而另外一类(PYR1和PYL1-3)则严格依赖于ABA行使功能。

进一步的分子机理研究发现,ABA非依赖性PYL在溶液中以monomer(单体)形式存在;而依赖性蛋白则以dimer(二聚体)形式存在,这一发现验证了她们在2009年提出的关于二聚体的存在形式对PYL蛋白有负调节作用的假想。

研究小组还进一步发现单体是ABA非依赖性的必要非充分条件,若要使PYL具有ABA非依赖性,该蛋白门控区(CL2 switch loop)的附近还必须有比较大的疏水氨基酸以吸引CL2闭合。这一发现进一步验证了该研究组在2010年针对PYL识别ABA及其类似小分子的结构机理而提出的化学原则。

(生物通:何嫱)

作者简介:

颜宁 教授、博士生导师

1977年出生于山东。1996-2000年就读于清华大学生物系获学士学位;2000-2004年于普林斯顿大学分子生物学系攻读博士学位;2005-2007年于普林斯顿大学分子生物学系从事博士后研究;2007年受聘于清华大学医学院担任教授、博导。获得由 Science 和GE Healthcare评选的2005年“青年科学家奖”(北美地区)。