施一公团队的跨膜蛋白是个什么鬼？
施一公这个名字，经常在微信群听人提起，并且常常看见群友们打嘴仗，有说施一公是个了不起的科学家的，也有说施一公是个狗屁的。至于施一公究竟是什么，我还真的不知道，因为从未注意过施一公团队的研究方向。不过，今天注意到一条广为传播的科学新闻，说是施一公团队日前（8月10日）在《科学》在线发表年内第三篇论文，不明觉厉，一个团队年内能在《科学》这种刊物上在线发表三篇论文，令人刮目相看。
那么，施一公团队这一回究竟发表了什么成果呢？
概括地说，施一公团队解析了两个跨膜蛋白。
跨膜蛋白又是什么鬼呢？
跨膜蛋白是细胞的亚结构。地球上的绝大多数生命都是由细胞构成的，细胞的边界叫细胞膜，细胞膜上有通道，供机械颗粒、大分子或小分子、离子进出细胞。物质通过细胞膜的转运方式，通常有直接渗透、通道转运、转运蛋白转运、胞吞胞吐等。施一公团队解析的跨膜蛋白属于通道蛋白。通道蛋白，就是蛋白质以特定的空间构型跨越细胞膜，通过电压变化，实现通道的瞬间开合，供小分子或离子进出。物质的跨膜转运是一种生命活动，生命活动没有那么简单，跨越细胞膜的跨膜蛋白往往是来回折返几次(好怪怪)。科学家目前了解清楚的跨膜蛋白还不是很多。
施一公团队解析的跨膜蛋白，一个叫PKD1蛋白（多囊蛋白PC1），一个叫PKD2蛋白（多囊蛋白PC2）。其中，PC1非常“变态”，居然来回折返11次，是一个11次跨膜的螺旋蛋白质，其相对分子质量约为47万，是由4302个氨基酸残基组成的糖蛋白(糖基在膜外)。
科学家早就知道PC1和PC2，早在1994年和1996年就先后成功克隆出来，测定了氨基酸序列和分子量，给出拓扑学结构示意图。那么，施一公团队对这两个已知的蛋白质还解析什么呢？因为以前的科学家，虽然克隆出蛋白质，还不清楚PC1和PC2的三维结构，PC1和PC2之间的关系、PKD1和PKD2基因突变为什么会表达出肾脏多囊的表现型等关键问题。多囊肾病是一种单基因遗传病，虽然科学家活医生不能改变致病基因，但是理论上可以开发出靶向药物，控制发病或稳定病情。施一公团队就是想搞清楚一些关键问题，为研发靶向药物提供基础理论支持。施一公团队研究出什么名堂？见下图：
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图中B和C即为施一公团队的研究成果。图中文字说明中“人源”二字的意思是，样品不是直接取自人类活体，而是用人工办法克隆出来的，大概率是找大肠杆菌帮忙生产出来的。把人的致病基因转到大肠杆菌的基因序列中，把大肠杆菌搞成转基因生物，然后好好饲养大肠杆菌，给大肠杆菌好吃好喝、好好伺候，大肠杆菌就会大量生产致病基因的表达产物——PC1蛋白和PC2蛋白。所以叫“人源”。哈哈，大肠杆菌成了科学家的“代工厂”了。
施一公团队说，他们合成了PKD1蛋白和PKD2蛋白的复合物。是1一个PKD1蛋白和3个PKD2蛋白依靠分子间力结合在一起的复合大分子。这么一个一团乱麻似的跨膜蛋白（见上图B）究竟是个什么鬼呢？
原来，人类有一大类分子病，叫单基因显性遗传病。是遗传病，就有致病基因。有一种单基因显性分子病，是跨膜蛋白分子病，叫多囊肾病。多囊肾病有三种，其中致病基因PKD1引起的约占85%，致病基因PKD2引起的约占15%，其余约占1%。前两种致病基因已经找到他们在染色体中的位置。PKD1基因定位于16p13.3（16号染色体长臂上），编码的蛋白质就是PKD1跨膜蛋白；PKD2基因定位于4q22~23（4号染色体短臂上），编码的蛋白质就是PKD2跨膜蛋白。这两种跨膜蛋白将导致人类的多囊肾病。第一种发病率约为0.1%到0.25%，多发于成人，50%的患者60岁左右可发展为终末期肾病，占晚期肾病的10%左右。第二种发病率约为1/20000，多发生于婴儿和儿童，多在早年死亡。
第二军医大学附属长征医院肾内科主任兼内科学教研室主任、全军肾脏病研究所所长梅长林教授是研究多囊肾病的专家，2003年梅长林教授发表了一篇题名《常染色体显性遗传性多囊肾病研究的热点问题》的综述。施一公团队说，他们看过梅长林教授的综述文章……可以推测，施一公团队课题立项的灵感可能来自梅长林教授的综述。不过梅长林教授虽然在肾病研究领域很厉害，但是PKD1和PKD2的发现和初步研究并非梅长林教授，而是外国科学家。
立项容易，真的做起来，难度不小，且非常费时耗力。
跨膜蛋白是细胞的亚结构。而细胞是有周期的，分为有丝分裂和间期两个阶段，还可以细分，也就是说，细胞是一直在“动弹”的；而跨膜蛋白，来回跨越细胞膜的，它也是动态的，并不会老老实实静止地趴在那里供人研究。跨膜通道的打开时间只有几毫秒。跨膜蛋白上的基团，每时每刻都在发生眼花缭乱的变化，其中分子、原子和基团尺度上，还有量子性呢。量子性的“东东”，就要遵守海森堡测不准原理和薛定谔方程……哈哈，测不准原理……可见，直接对一个分子做解析研究，难度很大，如果集合一大堆分子，变成宏观尺度，就方便研究了。
为此，施一公团队要先“麻烦”大肠杆菌给克隆一大堆PKD1和PKD2蛋白。这个工作量也不小。在经过了大量的实验摸索之后，课题组获得目标蛋白却仍旧非常珍贵稀少。“50升的细胞只能提取出100微克左右蛋白。”施一公团队成员王廷亮表示，这些蛋白只够完成3-5次的冷冻电镜样品的制备，而能够符合电镜数据收集要求的样品往往只有1到2个。
然后，施一公团队祭出一个“法宝”，叫冷冻电镜。研究膜不对称的方法有多种，其中最重要的是冷冻蚀刻技术。冷冻蚀刻技术是一种透射电子显微镜样品制备技术，其过程包括冰冻断裂与蚀刻复型两步，因此又叫冰冻断裂-蚀刻复型技术。具体的操作步骤很繁琐，很考验研究者的耐心。一位施一公团队成员说：“冷冻电镜通过发射电子、并测定电子通过蛋白质分子后轨迹变化的方式，达到蛋白质结构Å级精度地呈现。其每次扫描的视域非常狭小。一个‘镊子尖’大小的小金片（直径约2毫米），会被分为大约200个左右的均匀小孔，每个小孔中再分150个小孔，电子束一次只‘看’其中一个小孔。整个蛋白质三维结构的成型犹如蚂蚁搬家，在获得大量的多角度的二维图片后，由后期的三维重建系统对图片数据进行计算和重构，并通过可视化系统形成蛋白质三维结构的示意图。最终，施一公团队获得了多囊蛋白1和多囊蛋白2形成了独特的一比三的复合物结构，并对该结构和生化数据进行了要进一步的分析。研究组发现二者在没有蛋白C端卷曲螺旋结构的情况下仍能形成复合物。”（1Å=0.1纳米）
最后，研究人员还发现多囊蛋白1中存在区别于传统电压门控离子通道（细胞膜内外跨膜电位的变化能够开启、关闭的离子通道）的结构特征，暗示了多囊蛋白1和多囊蛋白2形成的复合物不利于钙离子的通透。
论文第一作者宿强解释，“多囊肾研究领域内对这两个蛋白是否形成钙离子通道一直存有争议，该结构不支持复合物为钙离子通道的假说，给多囊肾病发病机理带来全新思考。”
不知道施一公团队的解析对第二军医大学附属医院的全军肾病专家梅长林教授是否有帮助？
