北京大学谢灿Nature Materials发表革命性新成果

【字体: 时间:2015年11月18日 来源:生物通

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  来自中国的科学家们说,在果蝇的细胞中他们发现了一种生物指南针:一个棒状的蛋白质复合物可以对准地球的弱磁场。

  

生物通报道  来自中国的科学家们说,在果蝇的细胞中他们发现了一种生物指南针:一个棒状的蛋白质复合物可以对准地球的弱磁场。

这一生物指南针的组成蛋白质以相关形式存在于包括人类在内的其他物种中,它可以解释一个长期存在的谜题:鸟类和昆虫等动物是如何感知磁力的。它还可能成为利用磁场来控制细胞的一个宝贵的工具。由北京大学生物物理学家谢灿(Xie Can)领导的研究小组将他们的研究论文发布在11月16日的《自然材料》(Nature Materials)杂志上。

牛津大学生物化学家Peter Hore说:“这是一篇非同寻常的论文。”但谢灿的研究小组没有证实,这一复合物在活体细胞中起生物指南针作用,也没有解释它感知磁力的机制。维也纳分子病理学研究所神经科学家David Keays则说:“它要么是一篇非常重要的论文要么完全错误。我强烈怀疑是后者。”

从鲸鱼到蝴蝶、白蚁到鸽子,许多的生物都利用地球磁场来导航或定向自己所在的空间。但人们对于这一磁感应能力背后的分子机制却不清楚。

研究人员已指出一些称作为“cryptochromes”或“Cry”的磁感应蛋白。例如,缺失这些蛋白的果蝇会丧失它们对磁场的敏感性。谢灿说,但仅Cry蛋白不能发挥指南针作用,因为它们不能感应磁场的极性(南北定向)。

其他一些人提出,铁矿物质有可能对此负责。在信鸽的喙细胞中已发现有磁矿物质。但一些研究表明,磁矿物质没有在鸽子磁感应中发挥作用。

谢灿说,他在果蝇中发现了一种蛋白既可以结合铁,也可以与Cry互作。这种称作为CG8198的蛋白可以结合铁和硫原子,参与果蝇的昼夜节律。它与Cry一起形成了纳米级的“指针”: CG8198聚合物构成棒状核心,Cry蛋白外层围绕着它。

利用电子显微镜,谢灿研究小组看到了这些棒状蛋白质复合物聚集体,在弱磁场中它们以与指南针相同的方式确定自身方向。谢灿给CG8198取了个新名字MagR,以表示其为磁感应受体。

这一研究发现为科学家们提供了利用磁场来控制细胞的前景。在过去的十年里,科学家们已借助一些蛋白的感光能力来操控神经元,通常是将一种光导纤维直接插入到大脑中——这种工具称作为光遗传学。而磁感应蛋白具有一种优势:可以通过大脑外的磁场来操控它们。

清华大学神经科学家张生家(Zhang Sheng-jia)已证实了这种“磁遗传学”能力。在今年9月,他提供了有关谢灿研究工作一份惊人的预览素材,当时他发表了一篇论文报告称利用这一生物指南针操控了线虫的神经元。谢灿和其他人投诉,张生家提早发表的研究论文违反了两位研究人员之间达成的合作协议,要求撤回张生家这篇论文。10月,张生家被清华大学解聘,张生家对此决定提出了质疑(延伸阅读:Nature:清华大学学者因抢发成果遭解聘)。

谢灿说,今年4月份他在中国提交了一份专利申请,其中包括利用磁遗传学和这一蛋白的磁能力来操控大分子。他也开始在其他动物包括人类中观察MagR蛋白的结构。谢灿认为,人类MagR变体有可能会与人们之间的方向感差异有关系。

怀疑的声音

一些科学家不相信这一生物针像指南针一样在活体生物中发挥作用。Keays说:“谢灿研究小组已证实鸽子视网膜中相同的细胞生成MagR和Cry,但MagR和Cry存在于许多细胞中。具有如此少量的铁,我们必须知道在体内,生理温度下,MagR是否具有磁性能。如果MagR真的是磁感应受体,我就把自己的帽子吃掉。”

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谢灿希望其他研究人员通过进一步的试验来支持他的案例,例如在某些果蝇组织中失活MagR编码基因来看看它是否会影响动物的方向感。谢灿说,他没有完成这项工作就发表了论文,是因为他想先发布他已经花了6年时间进行研究获得的这些结果。

不了解这一蛋白质感知磁场的确切机制,及大脑如何处理的它所发送的信号,让一些研究人员感到犹豫。德国慕尼黑大学磁学专家及地球科学家Michael Winklhofer说,MagR的生物指南针活性有可能只是试验污染的结果。他计划开展一些实验来追踪谢灿研究组的结果。Winklhofer说,如果它成立的话,那么这一MagR研究发现“看起来是朝着揭开磁感应分子基础迈出的重要一步。”

(生物通:何嫱)

生物通推荐原文摘要:

A magnetic protein biocompass

The notion that animals can detect the Earth’s magnetic field was once ridiculed, but is now well established. Yet the biological nature of such magnetosensing phenomenon remains unknown. Here, we report a putative magnetic receptor (Drosophila CG8198, here named MagR) and a multimeric magnetosensing rod-like protein complex, identified by theoretical postulation and genome-wide screening, and validated with cellular, biochemical, structural and biophysical methods. The magnetosensing complex consists of the identified putative magnetoreceptor and known magnetoreception-related photoreceptor cryptochromes (Cry), has the attributes of both Cry- and iron-based systems, and exhibits spontaneous alignment in magnetic fields, including that of the Earth. Such a protein complex may form the basis of magnetoreception in animals, and may lead to applications across multiple fields.

作者简介:

谢灿

北京大学生命科学学院分子生物物理学实验室研究员

目前的研究主要聚焦于(但不局限于)以下几个研究方向:
(1)动物对地球磁场的感受(磁感应受体),以及迁徙、导航的分子机理
(2)自然界色彩的生物物理学研究,从某种意义上来说,色彩是生物体对环境的一种结构性的适应,自然界的色彩包括色素色彩和结构色彩。结构色(Structural Color)、纳米自组装、变色龙的变色机理、章鱼的变色和隐形的生物物理学基础是我们的主要研究兴趣

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