重要蛋白质复合物的结构与功能研究

项目名称：重要蛋白质复合物的结构与功能研究首席科学家：隋森芳清华大学

起止年限：2011.1至2015.8

依托部门：教育部

二、预期目标

1、总体目标

本项目在瞄准蛋白质科学重大前沿问题的基础上，密切结合我国的实际情况，在重要蛋白质复合物结构与功能的研究上取得若干突破，获得一批原创性的成果，力争在国际顶级学术期刊上发表高水平论文。此外，通过本项目的实施，争取建立较完善的蛋白质复合物结构与功能研究的实验体系和技术平台，建立和培养一支具有国际水平的适于蛋白质复合物研究的队伍梯队。本项目把提升我国蛋白质科学的研究水平和国际影响力作为目标之一，通过本项目的实施使我国在蛋白质复合物研究领域在国际上占据重要的地位，并为我国基于蛋白质复合物药物靶点的创新药物研发奠定基础。

2、五年预期目标

1）通过本项目的实施获得一批原创性的研究成果：(1)通过解析蛋白质跨膜转运复合物、膜融和蛋白复合物，以及重要通道蛋白复合物的结构，揭示这些蛋白复合物在膜转运过程中的装配机制及发挥功能的分子机理；(2)通过解析膜受体与其配体以及调控基因表达的一系列蛋白质复合物的结构，揭示其介导的信号通路的分子机制；(3)通过解析调控细胞极化过程的信号通路中几组蛋白质复合物的结构及装配，阐明细胞极化过程的分子调控机理；(4)通过解析ACC、UCA、TC以及PC等具有重要生理功能的羧基转移酶的全酶结构，揭示其在催化代谢过程的生化反应中发挥作用机理。

2）通过本项目的实施，建立完善的蛋白质复合物结构与功能研究的实验研究体系，探索建立运用X-ray、Cryo-EM和NMR三大技术联合攻关高通量解析蛋白质复合物结构的技术平台。

3）通过本项目的实施，培养一批高质量博士后和研究生，扶植一批在蛋白质复合物的结构与功能研究领域具有国际竞争力的优秀中青年科学家和后备人才，建立一支结构合理，具有攻坚能力的国际先进水平的研究队伍。

4）以研究论文形式公布项目研究成果，发表高水平的学术论文。在影响因子大于10的国际一流杂志上发表学术论文15篇以上，其中Cell、Nature、Science论文4篇以上。

三、研究方案

1. 总体思路

本项目将整合X-ray、Cryo-EM及NMR方法，配合细胞生物学、分子生物学、生物化学和生物物理学等多学科技术手段，旨在揭示与细胞发挥正常生理功能密切相关的几类蛋白质复合物的结构与功能，从结构生物学的角度探索蛋白质复合物结构功能关系的一般规律。本项目实施期间，重点研究细胞膜转运相关蛋白质复合物（课题1）、膜上受体蛋白及其下游信号通路相关蛋白质复合物（课题2）、与细胞极性和能量代谢调控相关的蛋白质复合物（课题3和4）的结构与功能，分别从空间和时间两个方向上阐明这些蛋白质复合物在细胞活动中发挥生理功能的分子机理。

2. 技术途径

结构决定功能，因此蛋白质复合物发挥其功能也是建立在其特定三维结构和结构之间相互作用的基础之上的。为深入阐述目标蛋白质复合物的结构与功能关系，我们将采用如下图所示的技术路线，注重三大结构解析技术的结合，注重结构与功能研究的结合。不仅要解析有重要生物学意义的蛋白质复合物的高分辨率结构，并且探索不同学科合作攻坚重要科学问题的新模式，结合功能研究阐明其作用的分子机理。具体来说，在选定目标蛋白质复合物后，功能研究的已知结果将为结构研究的前期蛋白质表达和纯化方面提供指导，同时纯化的蛋白质样品不仅可以用于结构生物学研究，也为功能方面的离体（in vitro）研究提供了材料。对测定的蛋白质复合物三维结构的分析不仅为其已知功能提供结构解释，同时也为拓展其功能研究提供指导。

3．研究方案的特色

本项目的特色是综合运用结构生物学的多种研究方法，特别是X-ray、Cryo-EM和NMR三大技术方法的整合，并结合细胞生物学、分子生物学、生物化学和生物物理多学科技术手段，对蛋白质复合物进行结构与功能研究。这即反映了蛋白质复合物的研究特点，也代表了当前结构生物学研究的最前沿。

目前X-ray和NMR方法仍然是解析生物大分子结构的最重要工具（其中约86％的已知大分子三维结构由X-ray方法测定），但这两种技术在解析大的蛋白质复合物结构时面临困难：X-ray方法解析的结构常常是分子的静态结构，生物大分子在体内发挥功能时常常相互作用并形成稳定或准稳定(动态)的复合物，这些复合物的结晶非常困难，因而难于应用X-ray方法解析它们的结构；NMR方法虽可获得分子在溶液中的结构，并可研究某些大分子复合物结构的动态变化，但目前国际最先进NMR技术水平只能用于分子量较小的生物大分子，三维结构测定通常小于30kD，动态变化测定也需小于100kD，对分子量大的生物大分子尤其是超分子复合物则无能为力。与X-ray和NMR相比，Cryo-EM技术有如下优点：第一，由于生物大分子冻结在天然状态，使得天然结构最大程度的得以保

留，所获得结构接近于其生理状态；第二，由于快速冷冻过程具有较高的时间分

辨率（<毫秒），故可用于生物大分子的动态过程研究。第三，电子显微学的分辨率解析范围（0.19nm-10 m）介于X射线晶体学与光学显微镜之间，适合从蛋白分子结构到细胞到组织结构的解析，无分子量上限，且分子量越大越有利于结构解析，尤其适合膜蛋白结构、蛋白质复合物、病毒、细胞器、细胞和组织的动态结构分析。在蛋白质复合物结晶和结构测定困难的情况下，采用分别击破、然后整合的策略，用X-ray和NMR方法解析蛋白质分子的高分辨结构，用Cryo-EM解析蛋白质复合物的中等分辨结构，然后将高分辨的蛋白质分子的结构拟合到较低分辨的电镜获得的复合物结构中。上述X-ray、NMR和Cryo-EM 方法的综合运用是结构生物学研究方法的发展趋势，但目前在具体方法操作上仍不成熟，我们在本项目中将探索其在实践中的运用。

4．项目的创新性

其一，通过本项目的实施揭示一批重要蛋白质复合物的结构与功能，这些成果将具有原创性；其二，在研究几类重要蛋白质复合物的结构与功能的同时，探索复合物各个组分如何通过相互作用，有序装配中的结构变化，发挥其功能的分子机制，从结构生物学的角度揭示蛋白质复合物结构功能关系的一般规律。5．取得重大突破的可行性分析

1）本项目的课题负责人和学术骨干都是我国结构生物学方面的学术带头人和青年骨干

本项目的研究队伍主要以青年科学家组成，多数是从海外留学归来的优秀青年科学家，并已在国内建立了实验室，拥有丰富的研究成果和研究经验，多次在国际顶尖杂志上发表学术论文。这是确保项目顺利实施和取得成功的最基本和最关键的因素。

2）本项目已有扎实的前期工作基础

4个课题的负责人及学术骨干均积累了丰富的蛋白质复合物结构与功能研究的经验，各个课题都已取得了重要的前期研究成果，为本项目的顺利实施提供了保障。

3）本项目已具备良好的硬件条件