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颜宁29岁弟子揭开新冠病毒入侵人体第一道“关卡”全景结构

学界有这样一个比喻,如果把人体细胞比作一个房间,细胞表面的受体蛋白就是病毒进入人体细胞的 “门把手”。转动把手后,病毒就会堂而皇之地入侵人体细胞。此前的研究发现,新型冠状病毒侵染人体细胞的关键在于利用其 S 蛋白与细胞表面受体 ACE2 结合入侵人体,而 ACE2 就相当于新冠病毒入侵人体的 “门把手”。

“如果说早前的研究成果是发现了病毒打开人体细胞大门时抓住的‘门把手’,那么接下来我们深入研究了病毒转动‘门把手’的过程,能够为后续寻找更有效的抗病毒药物提供参考。” 西湖大学鄢仁鸿博士此前接受媒体采访时这样描述他们在疫情中的研究工作,他目前正在西湖大学从事博士后研究工作。

今年 2 月,西湖大学周强团队利用冷冻电镜成功解析了新冠病毒的细胞表面受体 ACE2 的全长三维结构,以及新冠病毒 S 蛋白受体结合域和 ACE2 全长蛋白复合物的三维结构,揭示了新冠病毒入侵人体正常细胞第一道关卡” 的全景。据悉,这是全球首次解析出 ACE2 的全长结构。随后,该研究成果 Structural basis for the recognition of the SARS-CoV-2 by full-length human ACE2 作为封面文章发表在 Science 杂志上,鄢仁鸿是该论文的第一作者。

(来源:Science)

紧接着,他们与军事科学院陈薇院士合作,利用冷冻电镜解析了新冠病毒 S 蛋白与中和抗体 4A8 复合物的结构,清楚展示了两者的相互作用界面,发现 4A8 中和抗体通过重链与新冠病毒 S 蛋白的 N 端结构域(NTD)相结合。这为后续靶向 S 蛋白 N 端结构域的药物设计和治疗方案提供了科学依据。这项成果于 6 月 22 日发表在 Science 上,鄢仁鸿也是此项研究工作的并列第一作者。

(来源:Science)

凭借首次成功解析 ACE2 全长蛋白与新冠病毒 S 蛋白受体结合结构域的复合物结构,并将膜蛋白纯化与研究手段引入新冠病毒研究中的贡献,90 后博士鄢仁鸿入选 《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人” 2020 年中国区榜单。

图 |《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人” 2020 年中国区榜单入选者鄢仁鸿

想为疫情做一些力所能及的事情

博士期间,鄢仁鸿的研究重点是解析氨基酸转运蛋白复合物的结构和功能的基础科研。研究对象是 LAT1-4F2hc 复合物,负责在体内运输中性氨基酸和荷尔蒙前体小分子,并于 2019 年作为第一作者在 Nature 发表相关论文。

(来源:Nature)

近年来,LAT1 日益受到制药界追捧。大量研究显示,LAT1-4F2hc 复合物在非小细胞肺癌、前列腺癌等多种癌细胞中异常高表达,抑制 LAT1 能够显著降低癌细胞的生存能力。因此,LAT1-4F2hc 复合物也被视为重要的新型抗癌药物靶点。(注:4F2hc 是 LAT1 的分子伴侣)

鄢仁鸿通过生化手段证明该复合物中的重链蛋白 4F2hc 在 LAT1 发挥转运活性的必要性,并利用冷冻电镜成功解析出该复合物结构,这是 LAT1-4F2hc 所在异源多聚氨基酸转运家族的首个高分辨率复合物结构。该研究工作为抗癌疗法的开发提供了重要的结构基础。

图 | 氨基酸转运蛋白 LAT1-4F2hc 复合物结构(来源:Nature)

由于 LAT1-4F2hc 研究的顺利推进,鄢仁鸿博士后期间继续沿着这条路继续探索下去。一次偶然的机会他发现了与 LAT1 相似的另一个氨基酸转运蛋白 B?AT1。这个蛋白主要在肠道和肾脏表达,负责转运中性氨基酸。通过查阅大量查阅文献,他发现 B?AT1 与 LAT1 相似,它也有一个分子伴侣蛋白 -- ACE2,而该蛋白受体是引起 “非典” 疫情的 SARS 病毒表面 S 蛋白的受体,是病毒侵入人体的 “门户”。

ACE2 即血管紧张素转化酶 2,是人体内一种参与血压调节的蛋白,广泛存在于肺、心脏、肾脏和肠道等部位,其中在肺部组织和小肠组织表达最为丰富。研究发现 SARS 病毒表面的 S 蛋白通过 “劫持” 控制血压的 ACE2 并与之结合入侵正常细胞。后来科学家们也发现 ACE2 同样也是新冠病毒的表面受体。

疫情发生后,他们迅速将研究重点转向 ACE2 和新冠病毒 S 蛋白的相互作用机理。春节期间,鄢仁鸿他们放弃春节假期很快回到实验室,加班加点利用冷冻电镜解析新冠病毒受体结合域与 ACE2 全长蛋白复合物的高分辨率结构以及相互作用机理。

不过在这一过程中,他们也面临着不少难题。一是疫情期间,无法及时获取研究材料,比如说新冠病毒 S 蛋白基因序列;二是样品制备,如果用冷冻电镜解析结构,第一步必须制备均一稳定的蛋白质样品。

刚开始,他们制备的蛋白质样品没能达到均一稳定,加之时间紧,解析过程一度受挫。后来,他们通过冷静思考,一一排查制备流程,优化制样条件,终于制备出了最优的样品,成功解析出 ACE2 全长结构。

“疫情之前,我们已经拿到了 B?AT1 和 ACE2 的复合物。疫情爆发初期,通过多方沟通获得了山东大学王培会老师课题组分享的新冠病毒 S 蛋白基因,同时也从义翘神州公司购买了一些重组受体结合结构域的蛋白,两条路线并进,总体进展也比较快。”

攻克这一课题以后,他们紧接着探索是否有抗体药物或者其他疗法可以中和新冠病毒。机缘巧合之下与陈薇课题组达成合作,解析了中和抗体 4A8 和新冠病毒 S 蛋白的复合物结构。“我们希望可以为后续的治疗提供一些线索,为新冠病毒治疗做一些力所能及的事情。”

鄢仁鸿透露,接下来的研究计划可以大致分为两条线:一是研究氨基酸转运蛋白 B?AT1;二是继续开展新冠病毒表面 S 蛋白入侵宿主的分子机制,寻找有效药物来抑制病毒侵染,为抗病毒事业尽自己的一份力。

“做科研挺有意思的”

现年 29 岁的鄢仁鸿本科毕业后就进入当时尚在清华大学的颜宁实验室,开启科研漫漫求索之路。

不过鄢仁鸿走上科研这条路并非一蹴而就,这一路有迷茫、有启发、有鼓励、有挫败、有坚持、也有成就感。

鄢仁鸿本科在山东大学就读生物技术专业,相当于半只脚踏入了生命科学领域,但是他当时并没有想到会走上科研这条路。大三的时候,摆在他面前有两条路,一是读博继续深造,二是就业工作。

“当时有直接攻读博士学位推荐免试机会,也可以选择去其他学校申请毕业论文设计实习,我计划去申请实验室试一试。” 鄢仁鸿回忆道。

正好看到颜宁老师对于选择从事科研的人说了一段话 “我觉得从科研中能够获得成就感,这种成就感能够不断给我正面反馈,让我继续在科研这条路上走下去”。这段话深深触动了鄢仁鸿,给当时犹豫、还未设定长远目标的鄢仁鸿注入了一针强心剂,同时也坚定了他走上科研道路的决心。

抱着试一试的心态,鄢仁鸿给颜宁发了邮件,表示自己很希望去她的实验室做毕业设计。让鄢仁鸿出乎意料的是,颜宁居然很快就回复了他的邮件,后来鄢仁鸿如愿以偿进入颜宁实验室从事生物膜蛋白结构和功能研究。

进入实验室以后,他的研究工作也并不是一路顺畅。随着研究的深入,很多意料之外的困难也随之而来。鄢仁鸿在讲述了一个关于研究工作的小故事,此前在进行一个课题研究时,多次重复体外脂质体转运实验均以失败告终,他的研究工作一时也陷入僵局。后来,沉下心来,细心比对实验各项流程,设置对照试验,最后终于发现是同位素试剂存在问题。排除问题后,他的实验也得以顺利进行。

他告诉《麻省理工科技评论》中国,在科研工作中时常会充斥紧张、挫败、失望等负面情绪,关键是要学会调整自己的心态,需要有耐心,沉下心来做科研。在这个过程中,他也真切体会到了科研带来的喜悦,不仅仅在于获取实验结果后得到的满足感,更在于解决问题后取得的成就感。

经过不断积累经验,调整心态,鄢仁鸿渐渐摸索出了一条适合自己的道路出来。

“做科研还挺有意思的。现在回头去看,选择科研这条路反倒是一件顺理成章、水到渠成的事情”。鄢仁鸿总结道。

对于鄢仁鸿而言,他的科研之路才刚刚开始。

从事基础科研的初心

对于目前从事的基础科研工作,鄢仁鸿也有自己的思考。

在他看来,结构生物学基础研究意义重大,尤其是对于药物研发,药物研发需要基于解析出来的结构进行设计和优化。

当问及未来是否有与制药公司合作开发药物的计划时,鄢仁鸿告诉《麻省理工科技评论》中国,目前我们的研究还处于机理探究阶段,如抗体分子之间的结合、结构、基本性质的研究。后续如果基础研究中取得非常好的进展很愿意与企业合作,把药物分子成药、推进临床。

施一公曾在接受采访时指出基础科研的重要性。他表示,前沿科学探索性研究将在西湖大学占据举足轻重的地位,培养富有社会责任感的拔尖创新人才是西湖大学最根本的任务。在西湖大学,对一位科学家的学术评价主要看其研究是否剑指相关领域的最前沿以及实质性进展。

“对我而言,我的成长过程很大程度上受到施一公导师和颜宁导师的启发,他们的言传身教对我的影响很大。施老师创办西湖大学的初衷是为国家培养更多高精尖人才,这个想法真的很伟大。” 而这也是鄢仁鸿选择进入西湖大学从事博士后研究的原因之一。

“我觉得一个优秀的科学家也应该有着远大的理想,研究不能只局限于自己研究领域,同时也要思考能够为社会做些什么。我自己在从事科研工作的时候,常常会想自己的研究成果能为社会带来哪些帮助,或者是否能为解决疾病尽自己的一份绵薄之力,这是我做科研的初衷。” 鄢仁鸿说。