首篇文章即頂刊！90后博士開辟神仙實驗室新方向

文 ｜ 《中國科學報》見習記者 江慶齡

“目前由于沒有已發表的文章，簡歷比較寒酸簡潔，所以把我畢業答辯的PDF附上了，希望徐老師能給一次面試的機會。”2022年5月末，張衡給中國科學院上海藥物研究所（以下簡稱上海藥物所）研究員徐華強發了一封申請博后的郵件。摁下發送鍵的那一刻，張衡內心有些忐忑，因為他博士期間的工作還未整理成論文發表——盡管他為了這個課題，花了6年時間才畢業。

“Thank you for your interest in our lab. We should arrange a lab meeting for you to presentation Next Tuesday, 6:30PM.”（謝謝你對我們實驗室感興趣。我們安排下周二晚上6:30的實驗室會議，請你做報告。）張衡很快收到了徐華強的答復。面試很順利，張衡加入了徐華強課題組。

2024年5月15日，張衡作為共同一作，在《自然》發表了人生中的第一篇論文。這項由上海藥物所徐華強課題組、楊德華課題組和臨港實驗室蔣軼課題組合作完成的工作，在研究去甲腎上腺素轉運體（NET）的過程中，首次在近原子分辨率上發現了由膽固醇和脂質介導的膜蛋白同源二聚體形成機制，為細胞膜“脂筏模型”提供了眼見為實的依據。

《自然》論文截圖

意外為27年前的假說提供了依據

人們很早以前就知道，細胞膜不僅為細胞提供了一個相對獨立的空間，也是其同外界溝通聯系的窗口。在由磷脂雙分子層構成的細胞膜上，分布著多種多樣的蛋白，這些蛋白起到了“郵遞員”的作用，維持著細胞和外界環境之間的交流。

這些“郵遞員”是如何在高度流動的細胞膜上工作的？1997年，芬蘭學者Kai Simons和Elina Ikonen提出“脂筏模型”，即細胞膜上存在一些結構致密、流動性較低的區域，這些區域由特殊的脂質形成，就像漂浮在水面上的竹筏一樣，其內聚集著一些可以傳遞物質的特殊蛋白質。

盡管有越來越多的證據證實了“脂筏模型”的準確性，但以往的研究手段均未能直接觀察到這一結構，依然有人發出疑問：“脂筏”真的存在嗎？

“90后”張衡在探索跨膜蛋白結構的藥理學意義時，意外為這個問題提供了一些參考。

之前報道的真核神經遞質-鈉協同轉運體（NSS）蛋白都為單體形式，張衡在冷凍電鏡單顆粒數據處理過程中，發現NET大多“成雙成對”，兩兩錯位相依，一開始以為是人工（artificial）的結果，后來通過不同的樣品制備方式發現，NET都呈現二聚體的形式。不同于常見的由蛋白-蛋白相互作用形成的多聚體膜蛋白，張衡觀察到的二聚體結構呈現出由膽固醇和脂質分子介導的“漢堡模型”——兩個NET單體組成了漢堡的“面包”，不同的脂質分子則構成了中間的“菜”和“肉”。

人源NET二聚體分別與底物和六種抗抑郁藥物復合物的代表性結構

致密排列的脂質分子、依賴脂質的蛋白質，很好地契合了“脂筏模型”的定義。進一步，團隊利用單顆粒冷凍電鏡技術，獲得了人源NET同源二聚體分別與底物結合、無底物結合，分別與6種抗抑郁藥物結合共8個高分辨率結構。

生化細胞實驗證實，較單體結構，NET二聚體結構能更為高效地轉運神經遞質。此外，與不同的抗抑郁藥物結合時，NET展現出與其他轉運體的明顯差異，如馬普替林對NET的親和力是血清素轉運體的520倍，而尼索西汀對NET的親和力是多巴胺轉運體的576倍。這些發現為抗抑郁藥物研發提供了重要的結構基礎和藥物設計參考。

2023年教師節這天，他們完成了論文，投稿給《自然》編輯部。今年5月15日，論文正式上線。

“編輯和審稿人都對我們觀察到的類似‘脂筏’的二聚體結構非常感興趣。”張衡補充，“但是我們得到的類似‘脂筏’結構還不夠大，偏向于人為模擬的狀態，我們后面在嘗試做更大的、更接近自然狀態的‘脂筏’結構。”

提供給《自然》編輯部的候選科學插圖，Zihao Li設計，蝴蝶意象由崔娜娜提供。（蝴蝶蘭象征NET 同源二聚體，白色花瓣暗指 NET單體。中間的黃色唇瓣代替膽固醇和脂質分子。落在花朵上的蝴蝶象征選擇性靶向藥物，蝴蝶翅膀裝飾著抗抑郁藥物的化學結構。）

“轉運”的轉運體研究

NET屬于單胺類轉運體（MATs）家族，與同家族的血清素轉運體（SERT）和多巴胺轉運體（DAT）共同調控神經突觸神經遞質的濃度，維持體內神經遞質的平衡。其中NET能夠把過多的去甲腎上腺素和多巴胺進行回收，防止人們長期處于亢奮狀態。

由于其在神經遞質傳遞中的重要作用，MATs是精神刺激劑和抗抑郁藥物的主要靶點。在過去的近70年，MATs與抑郁癥病理學的關聯從藥理學、遺傳學、分子生物學和臨床研究等多個角度被證實，單胺假說也曾主導了近幾十年抗抑郁藥物的研發。

諸多研究表明，NET的功能異常同多種精神疾病相關，如抑郁癥、焦慮癥、注意缺陷多動障礙和帕金森病等。

“我博士期間的課題和轉運體相關，做一個轉運體的結構是我的個人愿望，蔣軼老師通過徐老師問我有沒有意愿一起做神經遞質相關的轉運體，我們一拍即合。”張衡告訴《中國科學報》。

然而，徐華強團隊以往并不關注轉運體，這幾乎是一個“從頭開始”的項目。值得一提的是，從確定選題到論文上線，僅耗時15個月。當被問及實驗何以如此迅速推進時，徐華強總結了3個原因。

首先是張衡“心靈手巧”。

NET是一類高度動態化的跨膜蛋白，一共有12個疏水跨膜結構域，包含了底物結合區域、外向通道和內向通道，在運輸神經遞質的過程中，涉及細胞膜內外通道的交替開放。同時，蛋白膜內外的區域都很少，難以利用以往的方法對其進行定位。再加上在前期樣品處理的過程中，涉及把蛋白從細胞膜上分離的步驟，很容易丟失重要的信息。

為此，張衡引入了脂質納米盤的方法。納米盤是由磷脂和膜支架蛋白顆粒組裝而成的盤狀磷脂雙分子層，可以模擬天然的磷脂雙分子層膜環境。在納米盤的環境中，NET的二聚體結構清晰可見。

NET二聚體結構

其次是實驗室前期在基礎研究和技術方面的積累。

徐華強團隊長期致力于神經遞質受體的結構與功能研究。2013年以來，先后在5-羥色胺受體、多巴胺受體、阿片受體等系列受體的結構和識別機制等方面取得了系列進展。

實驗室也相對應地發展了新技術。比如這項研究中，文章共同一作、蔣軼課題組在站博士后殷裕玲通過NanoBiT交聯技術（俗稱“納米鉤”），進一步驗證了NET在細胞膜上傾向于形成同源二聚體結構。這項技術的發明者為徐華強的博士研究生——現已成為上海藥物所研究員的段佳。

最后，有非常“給力”的合作伙伴。

第一次投稿之后，幾位審稿人都建議團隊補充轉運體和藥物之間結合力的實驗，從而更直觀地描述藥物對不同轉運體親和力的差異。

“我們一開始采用了一種間接測量結合力的方法，但整整兩個月時間沒有拿到令人滿意的數據。”張衡回憶，“后來我們聯系了楊德華老師，他們利用放射性同位素標記技術，一個月時間我們就整理修回了。”

“結構生物學的競爭非常激烈，所以必須充分利用好實驗室和研究所的平臺。”徐華強補充，“我相信通過這段經歷，張衡能夠更為深刻地理解找尋能夠‘強強聯合’的合作者，也是科學研究的重要組成部分。”

開辟實驗室新方向

目前徐華強團隊圍繞轉運體，開展了一些與結構藥理學相關的工作。

“我其實一開始沒想到張衡可以把NET的結構做出來，可以說是超出了我的預期。”在徐華強看來，張衡是一個很有主見、能夠自主開展選題的學生。“我們實驗室原來主要做的是GPCR，張衡加入后也開始關注轉運體。他給實驗室開辟了一個很好的方向。”

參與工作的部分人員，從左到右分別為張超、代安濤、楊德華、徐華強、張衡、吳燦榮、胡雯。

徐華強團隊的成員展現出一些共性——想要把事情做好的自我內驅力、不懼困難的自信。

“徐老師會給我們自由探索的空間，也會站在我們的角度幫我們克服科研中的困難。”張衡感慨，盡管加入課題組的時間不算很長，在實驗室整體氛圍的影響下，他能夠更加專注于科研本身。同時徐華強極強的執行力，也帶動著實驗室的每個人前進。

潛移默化間，張衡的行動力也提高了。如今他正迎來階段性的“收獲期”，除了剛剛上線的《自然》論文，多個課題組合作的基于單胺類轉運體結構設計的小分子化合物研究正在整理結果，另有一篇文章已經投稿。

“上海藥物所在神經藥理領域有非常好的積淀，我們實驗室也做了系列中樞神經遞質相關受體的工作。張衡以及其他的學生獨立之后，如果對這些科學問題感興趣，我也很期待他們開展下一代藥物分子研究，把研究所在神經系統疾病領域的傳統延續下去。”徐華強相信，互相尊重、自由探索的實驗室文化，也可以同科學探索一樣，繼續傳遞下去。

相關論文信息：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07437-6