蛋白質(zhì)晶體學中的直接法研究取得新的進展

        中國科學院物理研究所的范海福院士等研究人員幾十年來從事蛋白質(zhì)晶體學中直接法的研究，近年來又取得了重要進展：2004年提出基于直接法的“雙空間SAD（單波長異常衍射）相位迭代推演”方法；2006年又提出基于直接法的“雙空間MR（分子置換）結(jié)構(gòu)模型迭代擴展”方法。這兩種方法顯著地提高了原有SAD和MR方法的效能（見附圖）。
        測定蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)，是研究生物大分子結(jié)構(gòu)與功能之間關(guān)系所不可缺少的實驗基礎(chǔ)。SAD法和MR法是當前測定蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)的主要方法。如果待測蛋白質(zhì)有可供參照的、結(jié)構(gòu)已知的類似物，通常都使用MR法求解；否則，多用SAD法求解。近年來登錄到國際蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫中的新蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)，約有80%是使用上述兩種方法之一測定的。
        中科院物理研究所從1965年開始研究將直接法與SAD（單波長異常衍射）或SIR（單對同晶型置換）法相結(jié)合以測定蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)。這一研究方向在上世紀八九十年代，發(fā)展為國際晶體學直接法研究的一個熱點。世界上主要的直接法研究單位大都參與了這一研究，其中包括兩個由諾貝爾獎得主領(lǐng)導(dǎo)的小組。1984年～1985年間，中科院物理研究所的晶體結(jié)構(gòu)分析方法研究小組對自己1965年提出的方法作了重大的改進。此后，他們對于直接法與SAD或SIR方法相結(jié)合的研究一直具有重要的國際影響。
        當前直接法在測定蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用有三大類：
        一、測定蛋白質(zhì)晶體的重原子亞結(jié)構(gòu)；
        二、從頭測定蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)；
        三、與傳統(tǒng)蛋白質(zhì)晶體學方法相結(jié)合以破解原有方法中的“相位模糊”問題。
        其中第一類并不解決蛋白質(zhì)的整體結(jié)構(gòu)；第二類對實驗數(shù)據(jù)要求很高，在已經(jīng)測定的蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)中只有5%左右可以滿足其要求；第三類則適用于大多數(shù)情況。物理所的工作屬于第三類。范海福課題組以自己的研究成果為基礎(chǔ)編寫的電子計算機程序OASIS是國際上用于執(zhí)行第三類直接法的最重要的程序。OASIS程序的第一個版本發(fā)布于2000年，當年就被國際上使用最廣泛的蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)分析程序庫CCP4收錄，成為其中用于推演蛋白質(zhì)SAD或SIR相位的唯一的直接法程序。OASIS程序的第三個版本OASIS-2006包含了2004年和2006年兩項重要的方法研究成果。2008年CCP4的最新版本已將其收錄并用以替換原有的OASIS程序。另外，歐洲分子生物學組織EMBO的漢堡分部建立了一個蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)自動解析網(wǎng)絡(luò)平臺Auto-Rickshaw。該平臺從2006年起采納了OASIS，使這個平臺從原來單向運作的模式變成可以循環(huán)迭代的模式。發(fā)表于J. Mol. Biol. (2008). 383, 49-61上的一篇論文，包含了關(guān)于Auto-Rickshaw自動解析蛋白質(zhì)復(fù)合物DctBp/SIN晶體結(jié)構(gòu)的記述：在使用OASIS之前，Auto-Rickshaw可以自動構(gòu)建出相當于整體結(jié)構(gòu)57%的模型；加入OASIS之后，建模比例提高至89%。
        OASIS自發(fā)布以來，已有中、英、美、法、日、德等國的研究單位用來解決了多例其它程序難以解決的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析問題。2005年至2008年三年間，范海福和同事們先后6次應(yīng)邀在重要的國際學術(shù)會議和講習班上介紹OASIS程序的原理和實際操作。目前，OASIS程序還在不斷的更新之中，2009年內(nèi)該研究小組將要發(fā)布一個性能和自動化程度都有明顯提高的新版本。
        圖一、基于直接法的雙空間SAD相位迭代推演

        

        圖中自左至右三個蛋白質(zhì)Lysozyme、Azurin和Xylanase，用第一版的OASIS (2000)聯(lián)合DM, RESOLVE, ARP/wARP等程序求解，所得結(jié)果示于圖的上半部；如改用OASIS-2004聯(lián)合DM, RESOLVE, ARP/wARP等程序進行“雙空間SAD相位迭代推演”，由此自動構(gòu)建的三個結(jié)構(gòu)模型（示于圖的下半部）其完整度都有成倍的提高。 
        

        圖二、基于直接法的雙空間MR結(jié)構(gòu)模型迭代擴展
        
        圖中所示為蛋白質(zhì)復(fù)合物E7_C–Im7_C的MR模型迭代過程。左邊是由分子置換(MR)法求得的部分結(jié)構(gòu)模型；右邊是經(jīng)過精修之后的“最終”模型。從MR模型出發(fā)用ARP/wARP-DM迭代，所得結(jié)構(gòu)模型逐輪退化如圖底部所示。及至第三輪還出現(xiàn)運行錯誤。但是，在ARP/wARP和DM之間加入OASIS-2006，則可以自動構(gòu)建出相當于整體結(jié)構(gòu)90%以上的結(jié)構(gòu)模型，如圖頂部所示。