程亦凡專訪：冷凍電鏡解析蛋白結構的現實與未來

程亦凡，加州大學舊金山分校(UCSF)教授，HHMI 研究員。本科及碩士畢業於武漢大學物理系，1991年於中國科學院物理所獲博士學位，隨後在挪威、德國從事材料科學方面的電鏡研究。1996年轉到生物學領域，先後在美國和日本的三家研究機構，利用冷凍電鏡研究二維晶體和膜蛋白結構。2006年到加州大學舊金山分校(UCSF)建立自己的實驗室。

2010年前後，程亦凡教授開始與David Julius教授合作研究一種在感知熱和疼痛過程中起重要作用的離子通道蛋白TRPV1，並於2013年在近原子解析度水平上解析了TRPV1這一膜蛋白的結構[1,2]。此前，冷凍電鏡一直被認為解析度不夠，比不上X射線晶體學，程教授的研究極大地改變了這一看法，並推動了冷凍電鏡的使用和發展。北大饒毅教授在其博文中稱，程亦凡教授將來很可能憑此項工作獲諾貝爾獎[3]。

程亦凡教授 (中國生物物理所王強拍攝)

近日，程亦凡教授剛剛結束在香港舉行的關於三維電鏡的Gordon Research Conference（程教授是此次會議的主席），來到北京參加由清華大學與中國生物物理學會（以下簡稱「學會」）聯合舉辦的「2016冷凍電鏡三維分子成像國際研討會」，會議期間「學會」對程亦凡教授進行了採訪。

學會：冷凍電鏡目前已經實現了對蛋白進行原子水平的結構解析，權威學者Joachim Frank在此次會議的報告中也稱「冷凍電鏡的夢想已經實現」，您認為該領域下一步的發展目標是什麼？

程亦凡教授：冷凍電鏡和X射線晶體學及核磁共振一樣，都只是一種技術。所以冷凍電鏡以後的發展，一方面當然是技術層面的提高。在樣品製備、儀器、計算方法等方面的提高，將有助於更有效率、更容易地獲得更清晰的蛋白結構信息。另一方面，也是所有科學研究中更重要的，就是科學問題，即以後的發展，將更注重於思考用冷凍電鏡去解決哪些有價值的生命科學問題。隨著技術水平的提高，在不久的將來，蛋白的結構信息可能會很容易獲得，蛋白結構解析技術可能就像現在的基因測序一樣成熟、簡便，那麼更重要的無疑是去尋找和解答無論是出於實用的，或者是好奇心驅動的重要的科學問題。

學會：冷凍電鏡會逐漸取代X射線晶體學技術嗎?

程亦凡教授：冷凍電鏡和晶體學技術各有其優勢，冷凍電鏡不需要蛋白結晶，這對於難以得到晶體的膜蛋白、複合體蛋白（如施一公教授解析的剪接體結構）等提供了一種新的選擇。此外，冷凍電鏡具有晶體學所不具備的另一大優勢，就是能展示蛋白在原位的動態過程，這對於深入研究生命現象及其機制是至關重要的。隨著冷凍電鏡技術的發展，希望將來能實現用很少量的樣品，就能得到蛋白的結構信息，由此來尋找及設計靶向性藥物，這對於精準醫學及個性化醫學都將大有幫助。

但是，冷凍電鏡所具有的上述優勢，並不表明晶體學將被取代。晶體學的一大優勢在於其成熟的技術條件，而冷凍電鏡的技術條件目前還沒有那麼成熟，加上每個研究人員的技術不同，每個蛋白不同，有些時候經過很多的嘗試和努力也未必能用冷凍電鏡解出蛋白的結構，這種情況下，結合晶體學（甚至將來可能開發出更新的技術）也許是一種更好的選擇。從根本上來說，研究技術的選定取決於研究目的，並不是所有的結構解析都需要使用冷凍電鏡，畢竟冷凍電鏡設備比較昂貴，實驗成本很高。另外，冷凍電鏡研究沒有人們想像的那麼容易，所以近幾年來國內、國外的結構生物學家共同努力，開辦了郭可信電鏡暑期學校，一方面是講解冷凍電鏡的基本技術，另一方面是促進交流，避開實驗中的誤區，避免走彎路和錯路。

學會：您怎樣看待目前中國冷凍電鏡的研究情況，及中國的科研環境？

程亦凡教授：目前中國冷凍電鏡的研究做得很好，現在有很多家研究機構已擁有冷凍電鏡，包括清華大學、中國科學院生物物理所、上海國家蛋白質中心、浙江大學、中山大學、廈門大學、上海科技大學等，世界上其他地方很少有象北京、上海這樣集中的冷凍電鏡儀器。

學會：國外在冷凍電鏡研究方面有哪些實力很強，有望產生突破性成果的研究機構？

程亦凡教授：國外有一些在冷凍電鏡方面基礎比較好、研究工作也做得比較好的機構，比如英國劍橋MRC，美國舊金山灣區的加州大學伯克利分校、舊金山分校，以及紐約地區的一些研究機構等。像MIT,斯坦福這樣頂尖的研究機構，才剛剛開始冷凍電鏡方面的工作。但總體來說由於國外的人才、設備資源分布相對更均衡一些，雖然上面提到的幾家比較有優勢的研究機構更可能有好的成果，但真正突破性的成果會在哪些地方產生，是很難預測的。

學會：在中國冷凍電鏡的發展方面，您認為當前有什麼需要注意的？

程亦凡教授：其實不限於冷凍電鏡,對大多數大型昂貴的儀器設備都一樣,需要一個規範的儀器使用的申請標準,而且擁有儀器的機構要能做出正確評估。因為這類的儀器肯定都需要研究人員排隊來用,如果不用排隊的話,說明資源是浪費了的（笑）。同步輻射光源在這方面使用的評估標準比較成熟，可以借鑒。我們的做法是第一、冷凍電鏡是否是該實驗最適合的方法；第二、實驗樣品是否已經準備好。至於樣品是不是重要、相關研究是不是熱門，儀器中心並不關注，大家按照以上標準排隊等候就可以了。希望中國可以建立起適合國情的標準，能夠提高大型儀器的利用率，惠及更多真正需要這些儀器來做工作的研究人員。

參考文獻：

1.Liao M, Cao E, Julius D, Cheng Y.Structure of the TRPV1 ion channel determined by electron cryo-microscopy.Nature 2013, 504:107-112.

2.Cao E,Liao M,Cheng Y,Julius D. TRPV1 structures in distinct conformations reveal activation mechanisms.Nature2013,504: 113-118.

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來源：中國生物物理學會

本期編輯：Tony

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