亚洲二区三区在线,久久久久高清毛片一级,亚洲综合一区二区三区不卡,中文不卡av

為了將蛋白質(zhì)復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化和可視化，科學(xué)家發(fā)明了由彩帶、線條和箭頭組成的絲帶圖，這是當(dāng)今最常用的蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)表示方法。那么，它是怎么被發(fā)明的，它的出現(xiàn)在科學(xué)界又有什么意義呢？

撰文 | 小閘蟹

Don't be afraid to go in new directions. Share, collaborate, and give away ideas and results freely.

不要害怕嘗試新的方向。自由地分享、合作、拿出想法和成果。

——Jane Richardson

1958年，英國(guó)生物學(xué)家John Cowdery Kendrew等人利用X射線衍射的方法，成功確定了抹香鯨肌紅蛋白的三級(jí)結(jié)構(gòu)，并將研究結(jié)果發(fā)表在了Nature上。這是人類歷史上首個(gè)被X射線衍射技術(shù)解出高級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)。1962年， Kendrew和Max Perutz因解析血紅蛋白結(jié)構(gòu)共享了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，自此，結(jié)構(gòu)生物學(xué)作為一門(mén)學(xué)科開(kāi)始蓬勃發(fā)展。

與此同時(shí)，在大西洋彼岸的美國(guó)，一個(gè)名叫Jane Shelby的17歲少女剛剛因?yàn)槁阊塾^測(cè)并計(jì)算出了蘇聯(lián)發(fā)射的人造衛(wèi)星（Sputnik）的軌跡而獲得了西屋科學(xué)人才發(fā)現(xiàn)大賽（Westinghouse Science Talent Search）的第三名。該比賽始于1942年并延續(xù)至今，現(xiàn)由美國(guó)再生元公司冠名（比賽名稱是Regeneron Science Talent Search），旨在在高中生中發(fā)掘和培養(yǎng)科學(xué)人才。

圖1 Jane 的成績(jī)至今可查

Jane的父親是一位電氣工程師，或許受到家庭影響，她從小學(xué)三年級(jí)的一次對(duì)美國(guó)紐約海登天文館的參觀開(kāi)始，就對(duì)數(shù)學(xué)和航空航天產(chǎn)生了濃厚的興趣。她后來(lái)考入美國(guó)頂尖的文理學(xué)院斯沃斯莫爾學(xué)院（Swarthmore College），又在哈佛大學(xué)完成了碩士學(xué)習(xí)。畢業(yè)后，Jane當(dāng)過(guò)一段時(shí)間的中學(xué)老師，隨后進(jìn)入了麻省理工學(xué)院的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任技術(shù)員，開(kāi)始接觸結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域，并在那里遇到了當(dāng)時(shí)正在攻讀博士的David Richardson。

Jane和David在工作中感情升溫，兩人喜結(jié)連理，婚后也一直在為了相同的科研目標(biāo)而努力。在反復(fù)對(duì)Kendrew等人的例子進(jìn)行逆向研究之后，兩人最終在1969年深入分析和展示了細(xì)胞色素C的結(jié)構(gòu)——這也是人類歷史上第十個(gè)被解出結(jié)構(gòu)的蛋白。（題外話：咱們說(shuō)“愛(ài)情的結(jié)晶”是個(gè)比喻，人家是真有結(jié)晶。比不了，比不了。）

隨著越來(lái)越多的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)被解出，結(jié)構(gòu)生物學(xué)家們又面臨著一個(gè)新的問(wèn)題，那就是如何精確地表達(dá)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，尤其是在論文這種二維平面上展示蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。Kendrew等人發(fā)表第一個(gè)結(jié)構(gòu)時(shí)，選擇制作了一個(gè)模型然后拍照。顯然，這樣既不嚴(yán)謹(jǐn)，也不方便。但當(dāng)時(shí)的人們也并沒(méi)有更好的辦法。

時(shí)間來(lái)到了1980年前后，Jane依然在為這個(gè)問(wèn)題而煩惱。有一次，她手中無(wú)意把玩著一根皮帶，卷起的皮帶就像連接起來(lái)的氨基酸骨架，這或許意味著三維蛋白質(zhì)可以被更好地可視化。她以此為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)一年的修修改改，發(fā)明了影響深遠(yuǎn)的絲帶模型（Ribbon diagram，有時(shí)也被翻譯為“飄帶模型”等），并以The Anatomy and Taxonomy of Protein Structure為題撰寫(xiě)論文，發(fā)表在1981年的Advances in Protein Chemistry年刊上。該文占據(jù)了一百七十余頁(yè)的篇幅，從此奠定了Jane Richardson在蛋白質(zhì)“三渲二（通過(guò)計(jì)算機(jī)或人工渲染，三維空間結(jié)構(gòu)渲染在二維的紙張、屏幕等載體上展示，以便讀者和觀眾閱讀、觀看和理解的技術(shù)）”領(lǐng)域的開(kāi)山鼻祖地位。

Jane的工作一經(jīng)推出，便在同行圈子內(nèi)廣受好評(píng)。原因無(wú)他——實(shí)在是太好用了。絲帶模型清晰有效地將組成蛋白質(zhì)的氨基酸骨架排列并展示出來(lái)。由于氨基酸骨架會(huì)自發(fā)地形成能量較低的α-螺旋、β-折疊等結(jié)構(gòu)，所以Jane創(chuàng)造性地用類似于裝飾彩帶的結(jié)構(gòu)表示α-螺旋，用扁平的箭頭表示β-折疊，以及用細(xì)線來(lái)表示連接上述兩種結(jié)構(gòu)之間的回路。

圖2 左圖為JC Kendrew的“模型拍照”；右圖為Jane Richardson的“絲帶模型”手稿。丨圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]/Jane Richardson

這一模型的發(fā)明驚艷了整個(gè)圈子，但是很快同行們就發(fā)現(xiàn)，并不是每一個(gè)人都能畫(huà)出這么優(yōu)美而準(zhǔn)確的圖。于是Jane又成了圈子內(nèi)炙手可熱的“畫(huà)師太太”。大量同行寫(xiě)信給她，問(wèn)：“您能幫忙畫(huà)畫(huà)我的這個(gè)結(jié)構(gòu)嗎？”

顯然，Jane一個(gè)人畫(huà)不完這么多的結(jié)構(gòu)，科學(xué)的發(fā)展也不可能寄托于科學(xué)家的美術(shù)天賦。于是Jane和David夫婦想到了用計(jì)算機(jī)生成。八九十年代正是計(jì)算機(jī)技術(shù)蓬勃發(fā)展的年代，然而大約十年后，他們才終于做出了能夠生成絲帶模型的算法。在這個(gè)計(jì)算機(jī)程序完成后，Jane高興地說(shuō)：“我終于不用再用手畫(huà)圖啦！”很難想象這十年來(lái)她經(jīng)歷了什么。

Jane的工作并沒(méi)有隨著放下畫(huà)筆而終止，她始終在結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域深耕，并不斷為這一模型添加新的特性，其中很多沿用至今，例如氫鍵和結(jié)合水的表示等。

不可否認(rèn)的是，絲帶模型存在一定的局限性，例如其為了精簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)而只描述了氨基酸的骨架，而沒(méi)有體現(xiàn)出側(cè)鏈，因此無(wú)法顯示出蛋白質(zhì)表面的通道、凹凸等和分子間相互作用有重要關(guān)系的結(jié)合位點(diǎn)。因此后人又在這一模型的基礎(chǔ)上發(fā)展出了球棍模型（Ball&Stick Diagram）、空間占用模型（Space Filling Diagram）等經(jīng)典模型，以供讀者理解。

圖3 三種常用模型的比較，左側(cè)為Jane Richardson發(fā)明的絲帶模型，重點(diǎn)體現(xiàn)蛋白質(zhì)的氨基酸骨架和結(jié)構(gòu)域等特征；中間為球棍模型，較為準(zhǔn)確地標(biāo)明了每個(gè)原子的位置；右側(cè)為空間占用模型，通過(guò)顯示每個(gè)原子的體積，能夠更直觀地呈現(xiàn)蛋白質(zhì)分子中原子或原子團(tuán)簇的實(shí)際空間分布，展現(xiàn)了蛋白質(zhì)分子表面的形態(tài)、通道和孔隙等結(jié)構(gòu)特征，有助于在藥物研發(fā)等領(lǐng)域?qū)ふ覞撛诘慕Y(jié)合位點(diǎn)。丨圖片來(lái)源：Protein Data Bank

有人將圖3中的左圖稱為“Cartoon”圖，實(shí)際上，不同的模型系統(tǒng)的命名存在差異。如蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)（RCSB PDB）中，Cartoon和Ribbon均使用絲帶表示α-螺旋和β-折疊，區(qū)別在于Cartoon的無(wú)定形區(qū)采用柱狀細(xì)線，同時(shí)使用箭頭標(biāo)明了β-折疊的方向；而Ribbon的無(wú)定形區(qū)采用和α-螺旋、β-折疊相似的扁形絲帶，同時(shí)β-折疊也沒(méi)有箭頭——這都是在Jane的最初版本之上做的改動(dòng)。

圖4 左圖為PDB中的“Cartoon”；右圖為“Ribbon”（PDB：1FPU）。

其他地方的命名方式也存在不同。例如在PyMol軟件中，“Cartoon”圖類似于本文中提到的“Ribbon”和PDB的“Cartoon”，而“Ribbon”則是一種只展示主干的展示方法，見(jiàn)圖5。

圖5 左圖為PyMol中的“Ribbon”，右圖為“Cartoon”（PDB：1FPU）。

無(wú)論如何，時(shí)至今日，絲帶模型仍然是最成功的蛋白質(zhì)模型，也是最常在科研論文和科普讀物中看到的模型。以至于很多的老師都得反復(fù)告誡學(xué)生：“這玩意兒就是個(gè)大概，你體內(nèi)不是一群箭頭和螺旋。”筆者本人往期的作品中也多有此模型的應(yīng)用，在此一并向Jane奶奶致謝。

圖6 Jane 的早期作圖，已經(jīng)具備了當(dāng)代“Ribbon”或者“Cartoon”的典型特征。丨圖片來(lái)源：doi.org/10.1038/77912

Jane Richardson和愛(ài)人David一起，一直在為結(jié)構(gòu)生物學(xué)的發(fā)展而努力，在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析和結(jié)構(gòu)可視化方法方面做出了巨大貢獻(xiàn)。蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)（Protein Data Bank）的創(chuàng)立有他們一份功勞；2019年，他們慶祝了一起在杜克大學(xué)度過(guò)的50周年紀(jì)念日，杜克大學(xué)官方稱Jane為絲帶模型之母（Mother of Ribbon Diagrams）；新冠疫情期間，他們還對(duì)新冠病毒蛋白的結(jié)構(gòu)解析有所貢獻(xiàn)。時(shí)至今日，他們依然在杜克大學(xué)有自己的課題組。

圖7 Jane Richardson丨圖片來(lái)源：duke.edu

Jane Richardson一生沒(méi)有獲得正式的博士學(xué)位，卻有三個(gè)學(xué)校授予的榮譽(yù)博士學(xué)位。她十分鼓勵(lì)年輕人的探索，并在一次采訪中表示：“有的時(shí)候想想，現(xiàn)在的年輕人看蛋白質(zhì)的方式和我80年代的時(shí)候是一樣的。或許我發(fā)明了一個(gè)好方法，但肯定不是唯一的方法。一個(gè)蛋白質(zhì)長(zhǎng)什么樣子取決于你想如何展示它。”

特 別 提 示

1. 進(jìn)入『返樸』微信公眾號(hào)底部菜單“精品專欄“，可查閱不同主題系列科普文章。

2. 『返樸』提供按月檢索文章功能。關(guān)注公眾號(hào)，回復(fù)四位數(shù)組成的年份+月份，如“1903”，可獲取2019年3月的文章索引，以此類推。

版權(quán)說(shuō)明：歡迎個(gè)人轉(zhuǎn)發(fā)，任何形式的媒體或機(jī)構(gòu)未經(jīng)授權(quán)，不得轉(zhuǎn)載和摘編。轉(zhuǎn)載授權(quán)請(qǐng)?jiān)凇阜禈恪刮⑿殴娞?hào)內(nèi)聯(lián)系后臺(tái)。