程亦凡专访: 冷冻电镜解析蛋白结构的现实与未来

程亦凡，加州大学旧金山分校(UCSF)教授，HHMI 研究员。本科及硕士毕业于武汉大学物理系，1991年于中国科学院物理所获博士学位，随后在挪威、德国从事材料科学方面的电镜研究。1996年转到生物学领域，先后在美国和日本的三家研究机构，利用冷冻电镜研究二维晶体和膜蛋白结构。2006年到加州大学旧金山分校(UCSF)建立自己的实验室。

2010年前后，程亦凡教授开始与David Julius教授合作研究一种在感知热和疼痛过程中起重要作用的离子通道蛋白TRPV1，并于2013年在近原子分辨率水平上解析了TRPV1这一膜蛋白的结构^[1,2]。此前，冷冻电镜一直被认为分辨率不够，比不上X射线晶体学，程教授的研究极大地改变了这一看法，并推动了冷冻电镜的使用和发展。北大饶毅教授在其博文中称，程亦凡教授将来很可能凭此项工作获诺贝尔奖^[3]。

程亦凡教授 (中国生物物理所王强拍摄)

近日，程亦凡教授刚刚结束在香港举行的关于三维电镜的Gordon Research Conference（程教授是此次会议的主席），来到北京参加由清华大学与中国生物物理学会（以下简称“学会”）联合举办的“2016冷冻电镜三维分子成像国际研讨会”，会议期间“学会”对程亦凡教授进行了采访。

学会：冷冻电镜目前已经实现了对蛋白进行原子水平的结构解析，权威学者Joachim Frank在此次会议的报告中也称“冷冻电镜的梦想已经实现”，您认为该领域下一步的发展目标是什么？

 

程亦凡教授：冷冻电镜和X射线晶体学及核磁共振一样，都只是一种技术。所以冷冻电镜以后的发展，一方面当然是技术层面的提高。在样品制备、仪器、计算方法等方面的提高，将有助于更有效率、更容易地获得更清晰的蛋白结构信息。另一方面，也是所有科学研究中更重要的，就是科学问题，即以后的发展，将更注重于思考用冷冻电镜去解决哪些有价值的生命科学问题。随着技术水平的提高，在不久的将来，蛋白的结构信息可能会很容易获得，蛋白结构解析技术可能就像现在的基因测序一样成熟、简便，那么更重要的无疑是去寻找和解答无论是出于实用的，或者是好奇心驱动的重要的科学问题。

 

学会：冷冻电镜会逐渐取代X射线晶体学技术吗?

程亦凡教授：冷冻电镜和晶体学技术各有其优势，冷冻电镜不需要蛋白结晶，这对于难以得到晶体的膜蛋白、复合体蛋白（如施一公教授解析的剪接体结构）等提供了一种新的选择。此外，冷冻电镜具有晶体学所不具备的另一大优势，就是能展示蛋白在原位的动态过程，这对于深入研究生命现象及其机制是至关重要的。随着冷冻电镜技术的发展，希望将来能实现用很少量的样品，就能得到蛋白的结构信息，由此来寻找及设计靶向性药物，这对于精准医学及个性化医学都将大有帮助。

但是，冷冻电镜所具有的上述优势，并不表明晶体学将被取代。晶体学的一大优势在于其成熟的技术条件，而冷冻电镜的技术条件目前还没有那么成熟，加上每个研究人员的技术不同，每个蛋白不同，有些时候经过很多的尝试和努力也未必能用冷冻电镜解出蛋白的结构，这种情况下，结合晶体学（甚至将来可能开发出更新的技术）也许是一种更好的选择。从根本上来说，研究技术的选定取决于研究目的，并不是所有的结构解析都需要使用冷冻电镜，毕竟冷冻电镜设备比较昂贵，实验成本很高。另外，冷冻电镜研究没有人们想象的那么容易，所以近几年来国内、国外的结构生物学家共同努力，开办了郭可信电镜暑期学校，一方面是讲解冷冻电镜的基本技术，另一方面是促进交流，避开实验中的误区，避免走弯路和错路。

 

学会：您怎样看待目前中国冷冻电镜的研究情况，及中国的科研环境？

程亦凡教授：目前中国冷冻电镜的研究做得很好，现在有很多家研究机构已拥有冷冻电镜，包括清华大学、中国科学院生物物理所、上海国家蛋白质中心、浙江大学、中山大学、厦门大学、上海科技大学等，世界上其他地方很少有象北京、上海这样集中的冷冻电镜仪器。

国内的研究常常有跟踪热门、团队作战的特点，这在某些研究上是一个优势，比如卫星发射，集中资源和优势力量，在短期内就能见到效果。但是，对很多基础科研项目来说，这样的做法长远来看并不一定有利，因为很多开创性的研究在一开始并不是热门的。更重要的是，在跟风的科研环境中成长起来的学生，他们以后可能很难转变，去开展以好奇心驱动的科学研究，这对中国的创新是不利的。

学会：国外在冷冻电镜研究方面有哪些实力很强，有望产生突破性成果的研究机构？

 

程亦凡教授：国外有一些在冷冻电镜方面基础比较好、研究工作也做得比较好的机构，比如英国剑桥MRC，美国旧金山湾区的加州大学伯克利分校、旧金山分校，以及纽约地区的一些研究机构等。像MIT,斯坦福这样顶尖的研究机构，才刚刚开始冷冻电镜方面的工作。但总体来说由于国外的人才、设备资源分布相对更均衡一些，虽然上面提到的几家比较有优势的研究机构更可能有好的成果，但真正突破性的成果会在哪些地方产生，是很难预测的。

 

学会：在中国冷冻电镜的发展方面，您认为当前有什么需要注意的？

 

程亦凡教授：其实不限于冷冻电镜,对大多数大型昂贵的仪器设备都一样,需要一个规范的仪器使用的申请标准,而且拥有仪器的机构要能做出正确评估。因为这类的仪器肯定都需要研究人员排队来用,如果不用排队的话,说明资源是浪费了的（笑）。同步辐射光源在这方面使用的评估标准比较成熟，可以借鉴。我们的做法是第一、冷冻电镜是否是该实验最适合的方法；第二、实验样品是否已经准备好。至于样品是不是重要、相关研究是不是热门，仪器中心并不关注，大家按照以上标准排队等候就可以了。希望中国可以建立起适合国情的标准，能够提高大型仪器的利用率，惠及更多真正需要这些仪器来做工作的研究人员。

参考文献：

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.Nature 2013, 504: 113-118.

3.饶毅. 国产博士的记录. 科学网, http://blog.sciencenet.cn/blog-2237-749393.html