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      用化學手段探索生物學奧秘——訪北京大學王初研究員

      儀器信息網 2020/01/07 15:06:01 點擊 3054 次
      [導讀] 北京大學化學分子工程學院化學生物系和合成與功能生物分子中心的特聘研究員王初為我們介紹了他的研究工作,生動地展示了這個新興交叉學科的魅力,以及質譜這一高精度儀器在化學生物學研究中所發揮的作用。

      化學生物學,起源于上世紀90年代,是一個處于化學研究和生物學研究臨界點的新興的交叉學科。通過先進的化學手段,化學生物學研究為生命科學的探索提供一系列嶄新的工具和研究方式,是推動生命科學、生物醫藥等發展的重要基礎,也是目前化學和生命科學研究的熱點領域。

      北京大學化學與分子工程學院早在2001年就專門成立的化學生物學系,是國內最早開設相關研究機構的院系之一。以該系為核心基礎,北京大學于2011年成立了跨學科實體研究中心合成與功能生物分子中心(SFBC)。經過數年的發展,SFBC已經成為享譽國內外的一流化學生物學中心。

      近期,儀器信息網特別采訪了北京大學化學分子工程學院化學生物系和合成與功能生物分子中心的特聘研究員王初。采訪期間,王初研究員為我們介紹了他的研究工作,生動地展示了這個新興交叉學科的魅力,以及質譜這一高精度儀器在化學生物學研究中所發揮的作用。

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      北京大學化學與分子工程學院化學生物系王初研究員

      用化學技術揭示蛋白質功能

      如何發展和應用化學技術探究和解決生物學問題,是化學生物學研究的大方向。圍繞這一問題,化學生物學分為很多不同的分支。王初的課題組主要關注如何通過多種跨領域的技術和手段,發現和揭示復雜生命體系中蛋白質的新功能。王初介紹說,人類基因組計劃,將人源蛋白質從原來已知的幾百種擴充到龐大的兩萬種左右,而各種剪接及翻譯后修飾使得蛋白質的形式更加復雜多樣。這些不同蛋白質的剪接、修飾以及其在生命體中的分布,都對蛋白質的活性和功能具有不同的影響。蛋白質是生命現象的直接體現者,也是生命功能的主要執行者,因此研究這些新發現的蛋白質的活性與功能,將極大地促進闡明生命在生理或病理條件下的變化機制,并為藥物開發及醫療手段研發提供依據。

      傳統的蛋白組學研究,通過質譜技術分析組織和細胞中蛋白質的組成和含量,即偏重蛋白質本身性質分析。而要研究蛋白質的功能及其變化,則需要引入更多的技術和方法,王初重點介紹了一種名為“基于活性的蛋白質組學分析”的技術(Activity-based Protein Profiling, ABPP)。他舉例說到,生物體中存在很多蛋白酶,它們在體內經歷著從最初沒有活性到激活再到失去活性的過程,只會在特定的時候發揮作用!爱數鞍酌赴l揮作用的時候,從分子水平上看,它的活性催化中心一定會暴露出來。這樣我們就可以有針對性地設計一種帶有靶向反應基團的化學小分子——‘活性分子探針’,可以通過特定的化學反應和與活性中心的氨基酸殘基共價連接起來;钚苑肿犹结樀牧硪欢耸且粋富集標簽(例如生物素),這樣活性分子探針就可以在蛋白酶的活性中心暴露出來發揮酶活作用的時候,在它上面添加一個小分子的標記,再通過富集標簽將它們從整個復雜全蛋白質組體系中分離富集出來。進而通過生物大分子質譜技術進行鑒定,就可以大幅提升對這些功能蛋白酶鑒定的靈敏度。通過有針對性的探針設計,我們實現把具有不同類型催化中心的蛋白酶都‘抓’出來,而且這些被探針捕獲的蛋白通常都是具有特定活性和功能的! 王初說到,“我們把這種結合了化學探針標記和生物大分子質譜的功能蛋白質組學研究稱為化學蛋白質組學!

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       這個方法推而廣之,除了識別和發現特定類型的蛋白酶,還可以拓展到蛋白質翻譯后修飾以及生物活性的小分子的作用靶標蛋白鑒定等領域。在這些方向,王初的課題組都做了大量的工作。例如,他們發展了蛋白質醛基化修飾捕捉探針,揭示了該修飾在細胞鐵死亡中發揮的作用(J Am Chem Soc 2018. 140 (13), 4712-4720.);他們鑒定抗炎代謝物衣康酸在蛋白質組內的修飾位點,解析了衣康酸抗炎活性的分子機制(Nature chemical biology 2019. 15 (10), 983-991.);他們系統分析了內源代謝物膽酸的結合蛋白,為研究膽酸介導的生物學通路提供了豐富的線索(ACS central science 2017. 3 (5), 501-509.)!盎瘜W蛋白質組學,可以幫助我們在非常復雜的生命體的環境下,把一些低豐度的、但有很重要功能的蛋白特定富集出來,這對于基礎生物學研究有很大幫助!

      除了在基礎科研領域發揮作用,化學蛋白質組學在生物醫藥研發、中藥現代化研究中也發揮了非常重要的作用。王初提到,通過化學蛋白質組學的方法,其課題組鑒定了中藥黃芩中的活性分子黃芩苷的分子靶標,揭示了該天然產物治療肥胖、脂肪肝及其相關代謝疾病的分子機制 (Proc Natl Acad Sci U S A 2018. 115 (26), E5896-E5905.)。

      思維碰撞,催生活體蛋白質激活技術

      王初課題組另外一個重要的研究方向是計算蛋白質組學!暗鞍踪|組學領域的發展,離不開質譜等儀器技術、分析方法以及計算算法的同步發展。從事質譜,特別是組學研究的人都知道,‘計算’在其中的重要作用!蓖ㄟ^計算的方法,可以幫助科學家進一步挖掘數據,同時還可以指導對蛋白質新靶點、新功能的發現。王初課題組通過發展計算算法,深度掃描原始質譜數據中的特征同位素分布,極大地提高了對蛋白質組中硒蛋白鑒定的靈敏度( ACS central science 2018. 4 (8), 960-970.)。通過機器學習和人工智能,他們課題組發展了基于蛋白質一級序列預測蛋白質組內高活性半胱氨酸的計算算法(Biochemistry 2018. 57 (4), 451-460.)。最近,利用理論計算指導的蛋白質三維結構設計,王初的課題組與北大化學學院的陳鵬教授課題組進行了卓有成效的合作,發展了一種可以在活體內選擇性激活目標的蛋白質的化學生物學新方法,相關成果2019年5月發表于國際頂級學術期刊《Nature》雜志上。

      化學生物學除了發現新的活性位點之外,一個很重要的工作就是通過化學的方法對其功能進行調控。陳鵬課題組在通過化學方法對蛋白質功能進行調控方面做了非常出色的工作,發展了一套強大的化學生物學工具,即可以通過基因編碼的方式,在活細胞中目標蛋白質的活性位點上插入某一種氨基酸,并在其側鏈上加入一個“籠子”,從而使其失去活性;而通過加入小分子化學物質或者光照,使其進一步反應,將“籠子”脫掉,重新激活目標蛋白。這種 “活性脫籠”策略,可以通過對催化位點的氨基酸的化學保護和脫保護反應,實現對蛋白質活性“關-開”的調控。

      王初回憶,這次合作起源于一次研究生的中期考核!爱敃r我參加考核的時候,陳鵬教授的學生分享了他們在活性脫籠方面的工作,最后他提到,這個技術有一些限制,就是目前只能應用在例如賴氨酸和酪氨酸少數幾種氨基酸上。而由于細胞內蛋白質的種類繁多,當蛋白質的活性中心如果沒有這類氨基酸時,活性脫籠這個技術就發揮不了作用了。想要發展更為普適性的蛋白質在體調控技術,就需要發展新的非天然氨基酸插入和正交脫籠技術,而這項工作具有非常大的挑戰性,還一直沒有得到突破!笨己私Y束后,王初與陳鵬教授就該問題進行了深入的討論,最后大家共同提出一種新的思路—— 如果不是對活性位點進行直接的脫籠,而是在其它臨近的底物結合位點插入氨基酸,將其與底物之間的結合阻斷,同樣也能達到抑制蛋白活性的效果,而脫籠后可以將蛋白質重新激活。該 “臨近脫籠”策略擺脫了活性位點必須具有特定氨基酸的限制,可以大大提高該技術的適用范圍。

      蛋白質催化位點臨近的結合位點繁多,將非天然氨基酸插入什么位置,可以獲得最好的效果?王初課題組對目標蛋白質結構進行理論計算,模擬非天然氨基酸在不同位點插入和脫籠前后對蛋白質活性的影響,然后將通過篩選條件的位點推薦給陳鵬課題組進行實驗驗證。由此,兩個課題組開始密切合作,將蛋白質理論計算與“非天然氨基酸脫籠”的技術相結合,成功發展了一種普適性的蛋白質功能在體激活新方法。王初表示,通過上述技術,我們就可以實現在細胞原位直接激活特定蛋白酶,從而通過蛋白質組學技術直接鑒定其下游酶切產物,對于生物學基礎研究具有非常大的價值。同時,該技術也可以用來激活特定的蛋白質前藥分子,具有較好的臨床轉化應用前景。他也表示,兩個團隊的合作目前還在繼續合作,未來將會在該方法基礎上進一步的擴展!皩τ谖覀兓瘜W生物學家來說,更多的工作還是集中于發展技術和工具,但是我們一直希望,能夠將這些工具用在解決具體的生物學或者臨床醫學問題上!

      質譜技術是鑒定蛋白質的不二之選

      化學生物學作為一個交叉前沿學科,其研究也離不開作為科研基礎工具的分析儀器!肮び破涫,必先利其器!被瘜W生物學的研究主要是和蛋白質、核酸、糖和脂類等生物分子“打交道”,高精度的分析儀器,尤其是作為生物大分子定量、定性分析不二之選的質譜儀,對于工作的開展尤為重要。

      王初提到,質譜在他的科研工作中發揮著至關重要的作用。2013年,他剛從國外回到北大開展獨立研究工作的第一件事,就是拿出“青年千人”啟動經費的很大一部分,購買了一臺賽默飛的Q-Exactive質譜儀,這對于他之后開展化學生物學相關研究非常關鍵。不管前面設計多少不同的探針,在最后進行蛋白質分析的時候,都需要使用質譜儀來進行。高通量、高靈敏度的質譜,對于獲得高質量的數據非常重要。

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      王初提到,在做探針標記的時候,不僅是標記到特定的蛋白,而且是標記到具體的氨基酸位點。因此得到探針在哪個蛋白的哪個氨基酸上發生反應的信息,可以更好地指導下游藥物的設計或者蛋白質功能的研究。對此,課題組發展新方法,利用質譜實現位點特異性的化學蛋白質組學的檢測。另外,他也提到,Q-Exactive這類基于Orbitrap的質譜儀除了可以進行高靈敏度的定性分析之外,還可以從事高精度的定量分析。通過在探針上引入同位素標記,最終在質譜上定量分析目標蛋白上的同位素標記的多少,可以反映探針與蛋白的相互作用強弱!芭e例來說,藥物分子在生命體中可能會與很多蛋白相互作用,但真正起作用的是藥物分子濃度較低的時候,與它作用力最強的幾個蛋白。將這些結合力強的蛋白通過探針捕捉出來,對藥物研發非常重要。而這就需要質譜具有很精準的定量分析能力!

      而在最初購置了那臺Q-Exactive質譜之后,王初課題組與合成與功能生物分子中的其他課題組開展了密切的合作,取得了多項重要的成果。為了滿足更進一步的科研需求,在王初的提議下,合成與功能生物分子中心最近又陸續添置了兩臺賽默飛Q Exactive Plus高分辨質譜。這些新購置的質譜儀器,對于整個中心研究團隊科研研究的推動非常重要!皟x器對于科研非常關鍵,某種程度上來說,它的好壞決定了你的科研質量!钡峭醭跬瑫r也表示,雖然儀器是必需的,但更重要的還是要提出好的科研想法和思路,最大地發揮這些儀器的功效。同時,他還提到,國外很多科學家與質譜儀器廠商共同合作開發新的方法或技術,這些對于質譜廠商和科學家保持科學和技術的前沿性都是非常有必要的,而相比而言,國內這類的合作研發工作開展的相對來說比較少。希望未來能夠看到國內的科學家將在實際應用積累的一些技術、經驗以及開發的算法等能夠更多地反饋給儀器廠商,共同完成技術的革新。

      交叉學科構建科研橋梁

      交叉學科,作為連接兩個不同領域的橋梁,對于現代科研工作至關重要。隨著傳統學科研究的不斷深入,交叉學科將不同學科的成果跨界連接在一起,為科研創造出源源不斷的新的思路和想法。而化學生物學,作為銜接化學和生物醫學的新興交叉學科,日益彰顯生機勃勃的活力。

      王初提到,他本科在中國科學技術大學學習生物學,在美國華盛頓大學攻讀博士期間,師從美國科學院院士David Baker教授做計算機輔助蛋白質結構模擬與設計方面的研究,之后博士后期間又改換研究方向,在美國斯特里普斯研究所跟隨美國科學院院士Benjamin Cravatt教授從事化學生物學研究,于2013年底回到北京大學化學學院開展獨立研究工作,成為北大化學學院少有的幾位非化學出身的課題組長。他在整個“跨界交叉”的科研經歷中,接觸和學習到了很多不同領域的知識,特別是此前在生物學領域的研究經驗,讓他更關注一些很重要的生物學問題!拔矣X得,化學生物學發展的是化學工具和方法,但最終還是要真正落腳到解決具體的生物學、醫藥或者臨床問題,這個領域需要不同背景、具有交叉思維的科學家的積極參與!

      “從化學生物學作為一個整體學科來說,目前國家對于這樣的交叉學科的支持也十分明顯!蓖醭醣硎。例如,2018年自然科學基金委在化學部里面做了一個試點改革,把很多原有的基金申請代碼做了調整,將無機、有機、分析、物化、高分子等傳統方向重新調整為催化與表界面化學、化學測量學、材料化學與能源化學等科學問題為導向分類。在這次調整中,化學生物學獲得了一個獨立的二級學科申請代碼,其下又拓展劃分了蛋白質化學生物學、核酸化學生物學、金屬化學生物學、藥物化學生物學等多個分支,充分體現了國家對化學和生物的交叉領域開展研究的強有力支持。

      后記

      在采訪的最后,王初提到,他對于跨學科的合作研究非常感興趣,不同學科背景在化學生物學的交叉大背景下,會不斷創造新的科研火花。他也非常歡迎具有不同學科背景的學生和博士后加入課題組,充分釋放自己的能力和思想, 一起發展新的化學方法和工具,探索生命的奧秘。前文中提到的黃芩苷的相關研究,就是畢業于上海中醫藥大學的戴建業博士在課題組做博士后時主導完成的工作,他本人現在已經在蘭州大學藥學院開展獨立研究工作了。此外,王初課題組每周組會都有一起閱讀和討論前沿文獻的習慣,三年前,他的博士研究生王浩博突發奇想,提議把大家選取和整理的前沿文獻通過微信公眾號“王初課題組”(見下圖二維碼)分享出去,通過這種“文獻快閃”的方式,讓更多的人關注化學生物學的最新研究成果。在課題組所有成員不斷堅持和努力之下,目前該公眾號成為國內化學生物學領域的熱門賬號之一,截止到2019年年底,總關注數已經超過12000人,歡迎大家持續的關注和支持。

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      掃碼關注“王初課題組”

      正如文中所說,技術的不斷發展,為科研提供了新的“武器”。在后基因時代,多組學研究成為現代生命科學研究的最前沿。新的質譜技術不斷涌現,加快了多組學研究的發展。 更多多組學解決方案:請點擊圖片查看。

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