饶毅：国产博士的记录
2013-12-14 01:03 来源：科学网 作者：饶 毅
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辣和热
辣和热在物理上完全不同，但是
为什么英文问食物有多辣（spicy），可以用多热（hot）？
原因是进食辣味物体时，人的口（和唇）可以同时有两种感觉：辣和热；
不过，辣味并不提高口腔（或唇）的温度。
那么，为什么人同吃辣椒时会同时感到辣和热？
这一司空见惯的“常识”，其原因在1997年被揭开。
旧金山加州大学（UCSF）的David Julius教授，于1980年代在Richard Axel实验室开始用当时算比较新的方法（表达克隆，expression cloning）寻找五羟色胺的受体。十几年后，他继续用这一方法，改为寻找辣椒素（capsaicin）的受体，于1997年找到了一个被辣椒素激活的蛋白质分子VR1，而且发现VR1还被加热所激活，因为辣椒素已知与痛觉通路有关，所以这一工作，同时揭开了温度感受的机理（Caterina et al., 1997）和痛觉的外周感受的部分机理，其中痛觉的研究当时还需后续实验（如Julius实验室的Tominaga et al.，1998；综述如Caterina and Julius，2001）。
在进化上，辣味和热感是可分开的，鸟类用VR1分子只感受热，并不感受辣，因为鸟类与哺乳类VR1蛋白质在氨基酸序列上有差别。Julius实验室于2002年发现和证明了鸟类和哺乳类VR1差别所在（Jordt and Julius，2002）。
Trp通道家族
Julius实验室于1997年找到大鼠的VR1时，发现它属于TRP通道家族。
1969年，美国印地安纳州的Purdue大学生物系教授Willam Pak等研究果蝇的视网膜电图（electroretinogram，ERG），用以研究果蝇的视觉、并寻找影响果蝇视觉的突变种（Pak et al., 1969）。同年，英国爱丁堡大学动物系的Cosens和Manning（1969）发现一种突变，根据ERG的变化，他们称突变果蝇为旬间感受器电位（Transient Receptor Potential，Trp)，相应突变的基因也就是Trp基因。
1970年代后期兴起克隆基因，1980年代很多研究人员克隆基因（笔者做研究生的第一个工作也是靠克隆果蝇的基因混饭吃）。1989年，美国加州大学伯克利分校Gerald Rubin实验室的博士后Craig Montell克隆了果蝇的Trp基因。他们发现Trp基因编码的蛋白质有多重大约19个氨基酸组成的疏水段，这种一般预计为跨细胞膜区域，所以预计Trp蛋白质是跨膜蛋白质（Montell and Rubin，1989）。因为它的突变影响果蝇视网膜对光反应，所以最容易推想的功能是离子通道。但证明它是离子通道花了相当长的时间。
Trp类似的基因后来发现于多种生物，包括人。但不仅果蝇的Trp本身并不感受光，其它的Trp具体起什么作用，如何起作用，也都不清楚，直到Julius实验室1997年的工作，揭示了其直接功能，从此Trp的研究热火朝天，很多人加入Trp研究的行列，发现更多Trp家族成员，发现更多功能，如对Julius实验室2002年用薄荷寻找冷敏感的分子（McKemyet al., 2002），结果发现是Trp家族另一成员，而还有科学家发现Trp通道感受压力，等等。其中曾激动人心的可能性是听觉也用Trp通道，不过2010年美国加州的Scripps研究所的Patapoutian实验室发现Piezo才更可能是听觉用的感受压力的离子通道（Coste et al., 2010, 2012）。
视觉、嗅觉、味觉，其第一级感受分子都是GPCR（G蛋白耦联受体），其关键是视觉研究，而最初发现感受光的蛋白质分子（视紫红质）是十九世纪的德国科学家，其全序列确定是1980年代初的美国和俄国科学家。1990年代，美国科学家沿着视网膜发现的路径，假设嗅觉的感受分子相似于视觉，从而发现了嗅觉的分子，后来味觉再模仿嗅觉也得到类似发现。其中发现嗅觉感受分子的两位科学家获得了生理诺奖，而1980年代发现视觉第一级分子的被愚钝的委员会所忽略。
Trp通道功能的确定，解决了其他常见感觉（温、压、部分的痛）第一级的分子机理，有较大意义。
解析Trp通道结构
在公认Trp通道蛋白有多种重要作用后，其机理就为人们很想理解。
这时，结构生物学就显得很重要。结构生物学以前主要依赖X线衍射，也可用核磁共振（NMR）研究部分小分子的结构，而电子显微镜（EM）一般认为太粗，对蛋白质分子中的关键结构来说，EM的分辨率不够高。
多年来，少数一些科学家努力提高EM的分辨率，他们的工作前期进展缓慢，最近有重要突破。
2013年，好几篇文章报道科学家们用冷冻电镜 （Cryo-EM）解析蛋白质的结构。
12月5日，UCSF的程亦凡与Julius两个实验室合作，解出了TRP通道家族V1的结构，引起很大兴趣（Liao et al., 2013; Cao et al., 2013），第一作者皆华人，通讯作者为程与Julius。
如果没有结构分析，Julius可能单独获诺贝尔生理或医学奖。
现在有结构分析，而且是冷冻电镜应用成功的早期例子之一，Julius与程亦凡获诺贝尔化学奖的可能很大。
近十年来，诺贝尔化学奖不仅常给生物相关的工作，而且是每三年就有一次给结构生物学，化学奖委员会的热心对Julius和程亦凡不是坏事。
长期坚持
程亦凡为武汉大学1978级物理系本科生，在武大物理系再获硕士后于1991年获中国科学院物理所获博士。他在欧洲和美国几经周折，改为用物理学方法研究生物学问题，加入结构生物学，用过X线衍射，而用冷冻电镜创造了2013年的成就。
程亦凡到2006年才任助理教授，这时他的学术同龄人多半或是教授、或放弃学术生涯，一般人很难坚持这么久。
国产博士，学科交叉是一优势。
我国努力提高培养研究生的能力，使研究生的质量不断提高。目前的国内博士研究生，会有一批、而不是个别，做的非常好。
今后国产博士将做的更好。
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编辑： 国兴
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