【前沿讲座】美国科学院院士Patel阐释结构生物学

  • 文/柳超 牟泽鹏 图/郜家乐 (国科大记者团)
  • 创建于 2015-09-28
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    2015年9月23日晚七点,美国科学院院士Dinshaw J.Patel教授在中国科学院大学玉泉路校区阶一5教室举行了以“免疫、基因和表观遗传调控之结构生物学”为题的讲座。本次讲座由中国科学院生物物理所王艳丽研究员主持。
    在一个多小时的讲座中,Patel教授向同学们介绍了核开关与核酶、RNA沉默、表观遗传调控的结构生物学和胞质DNA传感器的基本要点与原理。
    Patel教授首先对Riboswitches and Ribozymes 进行了说明。Riboswitches是一种单链RNA分子,可分为配体结合域和作用域。当配体与RNA分子结合后,会引发RNA分子的三维构象发生改变,从而隐藏或暴露出相关的结合位点,以抑制或引发转录或翻译。而关于Riboswitches有一个困扰了科学家很长时间的问题,那就是某些氟化物可以作为配体与RNA结合,但是氟化物分子半径非常小,且氟化物和RNA中的磷酸基团都带负电。结构生物学研究给出了完美的答案。每个氟化物分子都与三个带正电的镁离子连接,这些镁离子又与RNA分子上的羟基连接。这样不仅解决了氟化物与RNA负电荷相排斥的问题,还解决了氟化物半径过小的问题。有趣的是,这样的现象也存在于蛋白质中。大自然同时在RNA世界和蛋白质世界中选择这样的机制实在是引人深思。核酶打破了科学界长期认为酶是蛋白质的想法,其中一类核酶是能够实现自我剪切的RNA分子。这类分子通过单链间碱基互补配对形成一定的三维构象,使基团间能通过一系列反应实现自我剪切。
    接下来Patel教授向同学们介绍了Nucleases in RNA Silencing。RNA沉默虽是一个已被科学界广泛了解的现象,但要想真正弄清其分子机理还需借助结构生物学的手段。教授选用病毒感染宿主过程中宿主的免疫过程以及病毒的自我保护机制为例,生动地向同学们解释了其具体机理。大家已经知道病毒p19蛋白可以防止外来DNA被降解,而且只有特定长度的RNA才能与之结合。问题在于,蛋白质通过氨基酸残基识别特定的碱基序列来与RNA结合,但是这些相互作用只发生在双链DNA的沟(groove)处,因此没有特定的机制来识别长度。结构生物学研究表明,在p19蛋白二聚体两端各伸出一条α-螺旋,在两端连接着最大的氨基酸—色氨酸—用来把DNA双联固定住,由此起到选择长度的作用。这个研究结果再次展现结构生物学的重要作用。
    Patel教授对当今生物学领域的热门话题:表观遗传调控,进行了详细说明。利用结构生物学的手段科学家们发现,某一个蛋白质分子中的两个或多个结构域可以同时以序列特异的方式识别并结合 组蛋白上的特定氨基酸。“读出”一个位点的甲基化与否可以决定另一个位点是否被“写入”甲基化。还有些蛋白质可以同时读出两个组蛋白上的氨基酸位点,或是同时识别DNA上5’-甲基胞嘧啶和组蛋白上的表观遗传标志。
    在Patel教授的讲座中,他多次对自然界的神奇以及智慧进行了赞美,并且同学们发现,教授所介绍的多项重要研究成果,都是他的中国学生完成的,这极大地鼓励了大家。

主讲人介绍:
    Dinshaw J. PATEL教授:美国斯隆-凯瑟琳癌症中心教授,康奈尔大学-威尔医学院生物化学和结构学生物学教授,美国国家科学院院士,美国艺术与科学院院士,中国科学院爱因斯坦讲席教授。1968年于纽约大学获得化学博士学位,先后在纽约大学药学院及贝尔实验室做博士后研究,曾在哥伦比亚大学内外科医学院任教授。1992年至今在斯隆-凯瑟琳癌症中心任教授,1994年至今在康奈尔大学威尔医学院担任教授。于2009年和2014年分别获得美国国家科学院院士,美国艺术与科学院院士。主要研究方向是RNA沉默途径中蛋白质和RNA之间的识别机制的结构生物学研究,DNA甲基化和组蛋白修饰的结构机理研究。其主要的研究成果多次发表在Nature、Science和Cell等国际重要生物学杂志上。Dinshaw J. PATEL教授团队始终走在国际结构生物学研究前端,贡献了多个国际热点蛋白质三维结构,推动了结构生物学的发展。

延伸阅读:
    “科学前沿进展名家系列讲座”创办于2014年9月,是中国科学院大学为首批本科生开设的必修课程,同时欢迎研究生和教职工参加,由中国科学院大学本科部主办,讲座召集人为高鸿钧院士(hjgao@ucas.ac.cn)。该课程按照数学、物理、化学、生物、材料、计算机六个专业,邀请相关科学领域的院士等知名专家开展专题讲座。通过讲述科学故事、介绍相关学科方向的科学前沿进展,让学生在本科第一学年了解不同学科的科研方向和主要进展,拓宽学生的学术视野,为他们最终选择学科专业和专业方向提供更丰富的判断依据。

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