不久前，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心姜道華團(tuán)隊(duì)和中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所及趙巖團(tuán)隊(duì)合作，通過(guò)冷凍電鏡單顆粒技術(shù)重構(gòu)出囊泡單胺轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白VMAT2處于不同構(gòu)象的高分辨率結(jié)構(gòu)，揭示了VMAT2在運(yùn)輸單胺底物過(guò)程中的構(gòu)象變化及轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制。該研究成果以“Transport and inhibition mechanisms of human VMAT2”為題在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》(Nature)發(fā)表。

▲ 文章在Nature頁(yè)面

本期【沃的研究所】，我們將對(duì)話文章的第一作者武迪博士，一起了解大腦神經(jīng)遞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)體VMAT2的轉(zhuǎn)運(yùn)及藥物抑制的分子機(jī)制。

▲ 武迪博士（右）與導(dǎo)師姜道華特聘研究員（左）

▲ 神經(jīng)元中VMAT2的作用機(jī)制

課題組從結(jié)構(gòu)入手，使用融合蛋白策略通過(guò)冷凍電鏡單顆粒技術(shù)解析了VMAT2與底物5-羥色胺，以及三種藥物分子的高分辨率復(fù)合物結(jié)構(gòu)。

武迪博士坦言：“VMAT2分子量?jī)H為56 kDa, 利用冷凍電鏡解析如此小的膜蛋白非常困難。”課題組參考了北京大學(xué)陳雷老師2021年在《Nature》發(fā)表的一篇題目為“Structural basis of inhibition of the human SGLT2-MAP17 glucose transporter”的文章，而后通過(guò)篩選融合蛋白位點(diǎn)，成功得到性質(zhì)更加穩(wěn)定，分子量增大的VMAT2樣品用于冷凍透射電鏡數(shù)據(jù)采集。

除了冷凍電鏡，武迪博士也提到了其他基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。“從樣品的制備開(kāi)始，基因調(diào)取、載體構(gòu)建、載體設(shè)計(jì)、突變體構(gòu)建再到后面的同位素檢測(cè)，都是我們自己一步一步做出來(lái)的。需要用到的設(shè)備也很多，比如瑞沃德的PCR儀，在我們做載體構(gòu)建的時(shí)候就起了很大的作用。還有瑞沃德的自動(dòng)細(xì)胞計(jì)數(shù)等細(xì)胞與分子生物研究設(shè)備，都為課題組研究的順利開(kāi)展提供了支持。”
 

▲ 武迪博士實(shí)驗(yàn)室中的PCR儀

然而，實(shí)驗(yàn)過(guò)程也不是一帆風(fēng)順。比如，課題組在重組Nanodiscs（納米盤(pán)）保護(hù)純化得到的蛋白時(shí)，由于缺乏經(jīng)驗(yàn)，重構(gòu)出來(lái)的樣品特別碎，大家都無(wú)從下手。

“調(diào)研文件、走親訪友，能問(wèn)的人都問(wèn)了，聽(tīng)取了各種建議之后，我們做了非常多的嘗試，不同的純化條件、不同的重組條件，最后很幸運(yùn)地拿到了非常穩(wěn)定的樣品來(lái)進(jìn)行電鏡分析。”

“不僅有實(shí)驗(yàn)做不出來(lái)的壓力，也有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的壓力，過(guò)去這一年的時(shí)間很少睡覺(jué)，基本上都要到半夜兩三點(diǎn)。”

但對(duì)于做科研這個(gè)事，武迪博士一直保持著積極樂(lè)觀的心態(tài)：“實(shí)驗(yàn)肯定是會(huì)有做不出來(lái)的時(shí)候，但遇到困難就一定要追根溯源的，從根本上去發(fā)現(xiàn)原因，然后再解決問(wèn)題，這樣實(shí)驗(yàn)也具有可重復(fù)性。”

結(jié)構(gòu)生物學(xué)的執(zhí)著探究
放棄清華錄取，堅(jiān)定自己內(nèi)心選擇

實(shí)際上，武迪博士在本科時(shí)，學(xué)的是生物技術(shù)。對(duì)于從小喜歡生物學(xué)現(xiàn)象的他來(lái)說(shuō)，生物學(xué)是個(gè)自然而然的選擇，即使他學(xué)得最好的學(xué)科是數(shù)學(xué)和物理。

“我覺(jué)得生物并不像數(shù)學(xué)和物理一樣，用一個(gè)公式就可以去界定一個(gè)學(xué)科。對(duì)于我來(lái)說(shuō)，生物學(xué)有更多有意思的機(jī)制和科學(xué)問(wèn)題，這也是當(dāng)時(shí)選擇生物專業(yè)的主要原因。”

隨著學(xué)習(xí)的深入，以及碩士導(dǎo)師的交流，武迪博士了解到更微觀的、分子層面的知識(shí)，發(fā)現(xiàn)了自己更感興趣的東西，便在研究生的學(xué)習(xí)中加深了對(duì)結(jié)構(gòu)生物學(xué)的理解與探究。

研究生期間，武迪博士參加了清華大學(xué)生命科學(xué)聯(lián)合中心博士研究生項(xiàng)目（CLS項(xiàng)目）并拿到了第一，但考慮到研究方向和研究興趣，他毅然放棄了清華，選擇了更匹配的中科院物理所的姜道華特聘研究員作為博士導(dǎo)師。

“是什么促使你想要跟隨姜老師進(jìn)行深造呢？”我問(wèn)。

“姜老師是做晶體學(xué)出身的，之前師從生物理所的張凱老師，后來(lái)又在美國(guó)華盛頓大學(xué)從事博士后研究。姜老師在結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域掌握了晶體學(xué)和冷凍電鏡單顆粒技術(shù)兩項(xiàng)非常重要的技術(shù)，對(duì)于我們的學(xué)術(shù)研究有非常重要的幫助。”武迪博士自豪地說(shuō)，“我們平時(shí)和姜老師坐在一起辦公，交流起來(lái)也非常輕松，在學(xué)術(shù)上會(huì)得到非常專業(yè)和及時(shí)的解答。”

“那生活中的姜老師和做學(xué)術(shù)時(shí)會(huì)不一樣嗎？”我好奇地追問(wèn)。

“平時(shí)我們關(guān)系也很好，我們實(shí)驗(yàn)室的人也不是死板地只做科研，平時(shí)也會(huì)約著去打羽毛球或乒乓球，有些師姐就喜歡做瑜伽，放松身心其實(shí)也很重要。”武迪博士回答道。

▲ 姜老師課題組成員合照

神經(jīng)學(xué)領(lǐng)域充滿挑戰(zhàn)
重要的是培養(yǎng)思維、發(fā)現(xiàn)本質(zhì)

說(shuō)起大部分科研人心目中的發(fā)Nature，武迪博士只是笑笑，“雖然發(fā)文章在知名雜志上會(huì)得到更多人的認(rèn)可，但這并不完全是工作好壞的評(píng)價(jià)結(jié)果，也不是我們的目標(biāo)。更重要的是要在科研過(guò)程中培養(yǎng)自己的思維，就像神經(jīng)可塑性一樣，我們要把自己塑造成一個(gè)能夠敏銳地去探索生物學(xué)基礎(chǔ)問(wèn)題，并從中發(fā)現(xiàn)生命的本質(zhì)的人。至于發(fā)文章，就是水到渠成的順利了。”

目前整個(gè)神經(jīng)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展非�？�，充滿挑戰(zhàn)，也遍布機(jī)遇。對(duì)此，武迪博士也分享了自己對(duì)未來(lái)方向的看法。

“一個(gè)是神經(jīng)的可塑性機(jī)制，即如何在學(xué)習(xí)和記憶的過(guò)程中，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生一些變化，怎么利用這種可塑性來(lái)治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病，這個(gè)是未來(lái)比較重要的方向。另一個(gè)是神經(jīng)元活動(dòng)的動(dòng)態(tài)機(jī)制，當(dāng)神經(jīng)元進(jìn)行時(shí)空之間的信息傳遞時(shí)，會(huì)產(chǎn)生比較復(fù)雜的模式，如果單獨(dú)如通過(guò)冷凍電鏡技術(shù)來(lái)解析的話，可能只得到一個(gè)靜態(tài)的結(jié)構(gòu)，如何去記錄并且解碼分析這種神經(jīng)元群體的活動(dòng)，對(duì)于理解神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的機(jī)制有比較重要的意義。”

“另外，神經(jīng)調(diào)控當(dāng)中的基因表達(dá)不太一樣，不同發(fā)育情況或不同生理?xiàng)l件下，基因表達(dá)在大腦中如何被調(diào)控，也可以幫助理解神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育和功能，這跟神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病因素也有一定關(guān)系。”

至于說(shuō)有什么可以建議可以分享給未來(lái)想要進(jìn)入生物/神經(jīng)領(lǐng)域的新人，武迪博士覺(jué)得課本上的基礎(chǔ)知識(shí)很重要，“可能有些課本上的知識(shí)看起來(lái)很粗糙，但把它代入人體中想象就會(huì)變得很容易理解。技術(shù)本身對(duì)于你去理解更深層次的未知領(lǐng)域是非常關(guān)鍵的，學(xué)習(xí)的過(guò)程可能會(huì)枯燥，但要學(xué)會(huì)把技術(shù)知識(shí)轉(zhuǎn)化為自己的，這特別重要。”

除此之外，也要關(guān)注領(lǐng)域的最新發(fā)展，武迪博士強(qiáng)調(diào)一定要緊跟國(guó)際時(shí)事和新技術(shù)的發(fā)展。“比如說(shuō)這次實(shí)驗(yàn)使用的冷凍電鏡，以前我們很難用 x 射線衍射解析的受體或者是轉(zhuǎn)運(yùn)體，現(xiàn)在通過(guò)冷凍電鏡就能夠比較容易解析，這就是新技術(shù)帶來(lái)的進(jìn)步。”

“總之，多關(guān)注，多學(xué)習(xí)，然后堅(jiān)定自己內(nèi)心的信念走下去吧。”武迪博士笑著說(shuō)。

瑞沃德也祝福武迪博士在今后的學(xué)習(xí)生涯中，科研順利，學(xué)術(shù)長(zhǎng)青。

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