马普所中国博士生首次解析出伴肌动蛋白的三维结构图，或可帮助准父母预测后代患病可能性

“审稿人看完非常开心和激动，认为该工作解决了领域内的一个比较重要的问题，方法也非常完善，很适合在Science发表。”德国马克斯-普朗克分子生理学研究所斯特凡·劳恩瑟（Stefan Raunser）组的博士生王浙鑫表示。

图 | 王浙鑫（左）和共同作者迈克尔·格兰奇（Michael Grange）（右）（来源：王浙鑫）

2 月 18 日，他在Science发表了一篇共同一作论文，题为《完整肌原纤维中的结构揭示伴肌动蛋白调节细肌丝的机制》（Structures from intact myofibrils reveal mechanism of thin filament regulation through nebulin）[1]。

图 | 相关论文（来源：Science）

既突破生物难题，也突破方法难题

该研究主要有两个方向的突破。其一，它解决了生物学上的基本问题，肌肉研究领域的一个研究热点是伴肌动蛋白，它和肌原纤维中的细肌丝紧密相关，也是肌肉中重要的组成部分。而王浙鑫等人不仅解析了伴肌动蛋白的结构，并理解了它的功能。

其二，该工作也是电子显微镜方法学上的突破。研究主要使用了两个方法：一个是冷冻断层扫描，另一个是聚焦离子束切割。此前，人们可通过断层扫描观察到原位状态下的蛋白质。但是，该方法始终对样品厚度有要求，必须是非常薄的样品才能用这种方法成像。

（来源：Science）

而此次运用的冷冻聚焦离子束切割方法，扩展了断层扫描方法的广泛性，即通过切割可得到任意厚度的样品，使得断层扫描基本可用于所有生物样品。但问题在于，作为一种新方法，它的效率比较低，且积累的用户比较少。

而本次研究结合以上两种技术，实现了目前最高的分辨率，借此可以建立蛋白的结构模型。简而言之，这两种方法结合之后，可作为一种独立方法去研究蛋白质在原位状态下的结构。

（来源：Science）

据王浙鑫介绍，该研究是 2021 年他的一篇Cell论文的延续[2]。上次工作也采用了类似方法，也就是使用冷冻断层成像和聚焦离子束，去观测骨骼肌的肌小节的三维影像。不过上次主要关注肌小节整体的图像，这次则观察了具体的蛋白。

据悉，其所在的斯特凡·劳恩瑟团队之前的主要研究方向是单颗粒冷冻电镜，一般研究过程是把蛋白质纯化和分离出来，然后解结构以便达到高分辨率。但是，始终有一些问题无法得到回答，比如这些蛋白质结构是不是真实环境下所展现的状态？

（来源：Science）

说到这里王浙鑫说：“我们的关注重点是肌肉，但是一直都不知道蛋白质分离出来与在肌肉中的状态是否一样。其次，有一些蛋白质没有办法分离出来，或者分离出来之后，与分离前的状态完全不一样。因此要想办法弄清楚蛋白质的位置、结构和功能。”

课题一开始，王浙鑫和导师斯特凡·劳恩瑟决定要回归生物环境，即直接在肌肉中去研究想看到的蛋白质，因此他从单颗粒冷冻电镜转向冷冻断层扫描技术。虽然二者都是用电子显微镜这一设备，但是冷冻断层扫描技术还需要一些其他设备和数据处理上的技术，但在起初他们都没有。

刚开始，王浙鑫的导师负责购买设备，他主要负责学习相关技术，然后和其他同事完善技术和流程，最后收集大量数据、并进行处理和分析，直至完整的论文成型。

（来源：Science）

王浙鑫说，一直以来他觉得科学研究要么“上书架”，要么“上货架”，此次研究便属于后者，其主要意义是加深对肌肉的理解。

可帮助准父母预测未来孩子是否存在患病可能

虽然说是基础研究，但也有不错的应用前景。例如，他所研究的伴肌动蛋白，与杆状体肌病紧密相关，即伴肌动蛋白的基因突变会导致该疾病的发生。然而，也有很多突变不会导致该疾病。因此，如果没有相关蛋白质的结构，就无法判断某一突变究竟重不重要、或者会不会致病。

而本次成果诞生后，即可通过测序进行线状体肌病的早期诊断，以及一些变异体携带者的遗传疾病咨询。准父母们就能据此推测将来的孩子是否会患病，这也是一种直接的价值。

长远来说，此次提出的方法有助于开发肌肉疾病疗法，或者延缓肌肉的衰老。不仅如此，未来还可借此研究不同的****物对肌肉的影响，尤其是在与心脏和生命相关的疾病中。

总的来说，目前该研究只涉及到伴肌动蛋白，接下来王浙鑫所在团队打算将该方法拓展到其他蛋白上。肌肉内有很多类似的、但却功能各异的蛋白，如果把该方法扩展到更广泛的蛋白质上，就可帮助理解更多疾病的分子机理。

同时，还可观测衰老的肌肉中不同蛋白质的状态，借此了解肌肉衰老的机制，从而帮助开发一些延缓肌肉衰老的****物。对于一些基于分子层面开发的****物，可以利用这一手段观测整个肌肉中蛋白质的结构，以判断这些****物对于整体肌肉的影响。

（来源：Science）

毕业后去剑桥做博后，学术伉俪即将团聚

王浙鑫表示：“研究后半段基本上处于新冠期间，没想到新冠会持续这么长时间。虽然大部分时间都是分析数据和写文章，但是由于缺少交流，对生活的影响是特别大的。另外，我在这段时间也结识了我的女朋友，她陪伴着我，也给了我很多帮助。”

在科研方面，比较有意思的算是前段时间AlphaFold2的公布。他表示：“目前来看，AlphaFold2 对于伴肌动蛋白的整体预测是不准确的。但是，AlphaFold2 在局部的预测可以给我们很多灵感。比较遗憾的是，AlphaFold2 发布的时候，我已经完成了结构模型，否则这个人工智能程序其实可以减少我的一部分精力。”

（来源：Science）

至于后续计划，如前所述肌肉中还有很多蛋白，它们的结构都是未知的。此次方法也将逐步应用在各种蛋白上。

“这也将是我们组的大方向，主要是研究其他的蛋白质在肌肉中，以及不同的蛋白质在不同的肌肉状态下是什么样的。最终的目的是为了开发出肌肉疾病的疗法并延缓肌肉的衰老，也就是说，我们会继续研究疾病状态下的肌肉以及衰老状态下的肌肉。”他表示。

据悉，王浙鑫是山东人，其本硕均就读于帝国理工学院。后来到德国多特蒙德的马克思普朗克分子生理学研究所读博，预计 2022 年夏毕业。

对于所选择的结构生物学专业，他说结构生物学相当于一个基石，自然界中各种过程都和蛋白质相关，相关科研人员要做的第一件事就是弄清楚蛋白质的模样。如果不知道蛋白质的结构就去研究，其实会很盲目。所以，他一直都觉得解析蛋白质结构很重要。

但是，他对电子显微镜更感兴趣，可以“所见即所得”。借助显微镜能直接看到蛋白质的样子，而非通过技术手段算出来，前者能让他感受到自然的美感，通过蛋白质可以看到自然界许多年的进化演变，以及每个蛋白质在特定位置形成的特有形状。

图 | 王浙鑫和女友（来源：王浙鑫）

对于后续计划，他说：“我已经定下来去剑桥分子生物学实验室做博后，运用类似的方法解决不同的生物问题，因为我女朋友也在那边。她是医生，也会做一部分科研。将来我们的计划肯定是回国，但具体什么时候还是需要合适的时机。”

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参考：

1、Wang, Z., Grange, M., Pospich, S., Wagner, T., Kho, A. L., Gautel, M., & Raunser, S. (2022). Structures from intact myofibrils reveal mechanism of thin filament regulation through nebulin.Science, 375(6582), eabn1934.

2、Wang, Z., Grange, M., Wagner, T., Kho, A. L., Gautel, M., & Raunser, S. (2021). The molecular basis for sarcomere organization in vertebrate skeletal sarcomere.Cell, 184, 2135-2150.e13.