中国科学家2月参与发表多篇Nature文章

　　

生物通报道：2月中国学者参与的多项研究在Nature杂志及其重要子刊上发表，其中包括首次揭示了秀丽线虫的环核苷酸门控离子通道TAX-4的全长结构，全新的生物集体运动模式，以及MFN1片段在不同GTP水解状态下的晶体结构等。

脊椎动物的视觉和嗅觉很大程度上与一类称为CNG离子通道的膜蛋白复合物有关，这类分子可以将光或者气味信号转变为生物电信号。尽管这个通道在结构和序列特征上属于电压门控离子通道家族，但其开关并不受膜电压控制，而是与细胞内的环核苷酸配体有关。在视细胞中，感光色素的光激活会降低细胞内cGMP (the cyclic guanosine monophosphate)配体的浓度，从而导致CNG通道关闭，使细胞膜产生超极化。在嗅觉神经元中，嗅觉受体被气味分子激活致使细胞内cAMP (the cyclic adenosine monophosphate)配体浓度增加，导致CNG通道开放，使细胞膜去极化。CNG通道主要在中枢神经系统中表达，在一些研究中已经发现，一些视觉病变，如失明和色盲，与CNG基因中某些位点的突变有关。因而，对CNG通道的结构研究对理解相关的致病机理和生物学过程有重要意义。

清华大学生命科学学院，李雪明研究组与哥伦比亚大学生物科学系杨建研究组合作发表文章，通过原子分辨率冷冻电镜技术首次揭示了秀丽线虫（Caenorhabditis elegans）的环核苷酸门控离子通道（cyclic-nucleotide-gated channel, CNG)TAX-4的全长结构。该结构被解析后发现处于与cGMP配体结合时的开放状态。通过一系列的结构分析和生化验证，该工作研究了CNG离子通道各组成单元的功能和相互作用，阐释了CNG通道开关的分子机制。

其次，香港中文大学，苏州大学，法国原子能委员会等处的研究人员发表最新研究成果：通过在稠密的细菌悬液中观察到不同形式的集体振动，报道了一种全新的生物集体运动模式。这项研究揭示了一种长期以来被人们所忽视的细胞运动，为跨学科研究提供了新的理论。

这项发现扩展了人们对于生物体系中自组织现象的认识。周期性集体振荡现象广泛存在于自然界中，并且在诸如胚胎发育、器官生长和神经网络信号同步等许多生物过程中起到重要的作用。生物体系中的集体振荡通常需要在自身具有振荡行为的细胞个体之间建立长程的相互作用，与此截然不同的是，此项研究中发现的周期性集体振荡现象并不需要长程相互作用；更重要的是，这一现象中细菌个体行为本身并不存在任何周期性，然而将大量无规则但微弱耦合的单个细菌轨迹统计平均之后，周期性就会浮现出来。换言之，这一现象隐藏在单个细菌的随机行为之中，因而长久以来被人们所忽视。苏州大学，香港中文大学发表最新Nature文章

还有中山大学肿瘤防治中心，加州理工大学的研究人员发表文章，解析了MFN1片段在不同GTP水解状态下的晶体结构，阐明了MFN1水解GTP的机制，并提出了MFN1介导线粒体外膜栓连的模型。这为进一步阐明线粒体外膜的融合机制以及线粒体形态的变化和相应生理功能的正常发挥之间的关系提供了研究基础。同时，还为研究相关神经退行性疾病和癌症的发病机制以及干预手段提供了信息。

线粒体的融合是依赖一种名为mitofusin的蛋白质“机器”实现的。人体中的mitofusin包含MFN1和MFN2两个构造极为相似的成员。这种机器锚定在线粒体的表面上，通过使用一种名为“三磷酸鸟苷”（GTP）的小分子化合物“燃料”来实现不同线粒体的对接和融合。Mitofusin机器有时会因为基因突变而出现某个“零件”的故障，进而导致线粒体融合障碍，以及相关人类疾病的发生。此前，人们对mitofusin的构造并不了解，它有哪些关键的零件，以及这些零件是如何共同作用的，一直没有答案。

五年前，肿瘤防治中心高嵩课题组决定攻克这个科学难题。解决难题的一个关键在于尺度，因为mitofusin机器太小了。多小呢？人的头发丝直径大约在80微米（不到十分之一毫米）；细胞的平均直径是20微米，可以用一般的显微镜观察；线粒体的平均直径大约是0.5微米（500纳米），需要用高级的荧光显微镜或电子显微镜观察；mitofusin机器的直径不到10纳米，光学显微镜已经无能为力了；而要了解其关键零件的信息，必须在0.1纳米，也就是所谓的原子尺度上进行观察。这个尺度是头发丝的八十万分之一。所以研究者需要用到一种称为“X射线晶体衍射”的技术来进行研究。所使用的X射线源来自于电子同步辐射经过处理后形成的一束极细的，极高亮度的X光（与我们平时见到的拍胸透的X光机是大不相同的）。此外，研究者还需要采用一系列技术手段，使mitofusin形成像白糖和食盐一样的晶体（但是体积只有它们的千分之一到万分之一），才能进行衍射实验。

克服了这些技术难关后，研究者们终于观察到了mitofusin机器的细微结构，并发现它通过消耗GTP燃料可以调节自身的构造，并两两“吸附”在一起。这样，不同线粒体上的mitofusin机器可以通过这种作用把线粒体聚集在一起并发生融合（图一）。而如果某些零件出了问题，mitofusin就无法完成自身构造的调节，也就无法介导线粒体的融合了。这项研究成果揭示了一个极为重要的基本生命活动的过程。了解这些信息，对于人们探索相关疾病的具体成因并开发相应的临床干预手段有重要的指导作用。

（生物通）