2017-12-01 10:50
今年的诺贝尔生理学或医学奖和化学奖分别颁发给了研究生物钟和为冷冻电镜（cryo-EM）技术发展做出杰出贡献的科学家。这两个看似完全不同的领域，其实有着紧密的关联：冷冻电镜已经成为研究控制生物钟的蛋白质的重要工具之一。
几十年前，研究人员对昼夜节律进行研究时发现一种蛋白质在细胞内的升降水平与太阳同步。现在我们知道，这种蛋白质与其他能调节长链基因组表达的蛋白形成复合物。这种复合物存在于生物体的几乎每一个细胞中，甚至像蓝藻菌这样的简单物种中也存有一组周期蛋白，尽管它们的起源或许完全不同。这些蛋白质保持生理在昼夜上的合理分配，使机体在正确的时间“进食”，在正确的时间“通知”它们的细胞进行分裂，当然，也在正确的时间进入睡眠。科学家的这一发现开启了揭示地球生命核心节奏的新领域。
与此同时，化学家则将可视性的极限推进到远远超出电子显微镜在1931年刚被发明时所认为能做到的地步。在电子显微镜中，一片片薄薄的组织会被裹在金属内被电子束扫描。回弹的电子能被敏锐的探测器检测到，然后研究人员可以从处理过的信号中生成细胞内部的图像。使用传统形式的电子显微镜，能让有着褶皱内部的线粒体、以及内含黑色斑点的核糖体等细胞器的轮廓清晰可见。
接着，除了其他创新之外，研究显微镜的科学家意识到，快速将样品冷冻能大大提高图像的分辨率，并且不同蛋白质个体的图像可通过计算机合成为结构模型。因此，现在对单个蛋白质的成像已成为可能，在某些情况下，分辨率甚至能精确到原子级。
|图片来源： Nobelprize.org
可控制蓝藻菌生物作息的蛋白质复合物分子的冷冻电镜成像
荷兰乌得勒支大学（University of Utrecht）的结构生物学家Albert Heck 与他的同事今年3月在《科学》杂志发表了蓝藻生物钟蛋白结构的周期波动，他说：“了解生物钟的分子结构，即那些尚不清楚空间排列的蛋白质簇，正是冷冻电镜擅长的。”
其他用来成像蛋白质三维结构的技术，都有着方方面面严格的要求和限制，并且还会破坏生物钟蛋白复合体本身的一些性质。例如涉及从目标蛋白质上弹射辐射的晶体学，就首先需要让目标蛋白质结晶，虽然我们可以收集到数千份的蛋白质分子并将它们压缩成样品，但仍有许多蛋白质不会排列成整齐的晶体结构。再如，核磁共振成像是另一种结构生物学常用的工具，它仅适用于研究非常小的蛋白质或部分蛋白质。冷冻电镜却不一样，它对材料没有要求，也不在意是否为晶体，尺寸对它也不能形成任何障碍。Heck 还介绍说：“大尺寸的蛋白质对冷冻电镜来说甚至更理想，几乎越大越好。”
至于其它别的技术，一般会使蛋白质在其所在的细胞中的位置和结构发生改变，这就削弱了我们对这些敏感可变的蛋白质的了解能力，对于没有冷冻电镜的生物钟蛋白复合体的成像研究来说是一个巨大的障碍。
Heck 等人用冷冻电镜来研究蓝藻菌的生物钟蛋白，图像中显示了三种蛋白质如何精妙地抓住彼此。它们被及时冷冻，所呈现的样貌便是研究人员介入时的样子。Heck 说，还有许多的蛋白结构是他们团队还没能捕捉到的画面。这也正是生物钟蛋白复合体的美丽之处，也是获得它们图像的困难所在：它们会随着时间变化而变化。
|图片来源：Snijder et al. / Science
冷冻电镜技术生成的蓝藻菌的三维生物钟蛋白质复合物的顶部（左）和侧面的视图
蓝细菌的生物钟蛋白复合体在不同时间会以不同的比例结合在一起。例如有时第一种蛋白质有4个，第二种有6个，第三种有10个，有时又呈现其他任意排列方式的某一种。这使得冷冻电镜过程变得非常复杂，因为研究人员必须小心地将样品限制在某一种排列中才得以获得清晰的图像。
Heck 表示生，成具有更多种蛋白质的哺乳动物的生物钟图像会更加棘手，毕竟对蓝藻菌这么简单的生物的研究就耗时六年之久。
今年9月，哈佛医学院的神经生物学家Charles Weitz 和他的同事发表了一项新研究，他们用电子显微镜观察了哺乳动物的生物钟蛋白质复合物，所显示的蛋白表面的清晰图像，只是冷冻电镜最终可做到的一小部分而已。Weitz 所说，冷冻电镜的成功将提高成像粒子和内部结构的分辨率，让我们获取的不仅仅只是一个外部轮廓。这表明了电子显微镜技术的进步，使得许多的研究目标不再像从前那样遥不可及。
撰文：Veronique Greenwood
编译：小绵泡
