国产博士的记录

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，他们称突变果蝇为瞬间感受器电位（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。

2013年12月12日星期四

事由：昨天下午在北大-清华生命科学联合中心的学术讨论会上，冷冻电镜是激烈讨论的主题之一，与其只说几句，不如写下道理来。这种文章，一共只要约两小时，因为有些人是我在混饭吃时遇见过的科学家，很早知道他们的人或工作（如研究果蝇的Montell、或我在UCSF做学生时就做助理教授的Julius），而还有些内容是我在2000到2003年主讲科学院/北大/清华生物学研究生BIO2000课程的内容，基本文献可以从那时的PPT拷贝。

将口头讨论变成文字，可增加自己的记忆、可从不在场的人中再发现其他有兴趣进行intellectual exchange的学者、也可能在学生读者中对他们的科学兴趣有所裨益、还可以增加聊天的内容。

Cao E, Liao M, Cheng Y, Julius D (2013) TRPV1 structures in distinct conformations reveal activation mechanisms. Nature 504:113-118.

Caterina MJ, Schumacher MA, Tominaga M, Rosen TA, Levine JD, Julius D (1997) The capsaicin receptor: a heat-activated ion channel in the pain pathway. Nature 389:816-24.

Caterina MJ, Julius D (2001) The vanilloid receptor: a molecular gateway to the pain pathway. Annu Rev Neurosci 24:487-517

Cosens DJ, Manning A (1969) Abnormal electroretinogram from a Drosophila mutant. Nature 224: 285-287.

Coste B, Mathur J, Schmidt M, Earley TJ, Ranade S, Petrus MJ, Dubin AE, Patapoutin A (2010) Piezo1 and Piezo2 are essential components of distinct mechanically activated cation channels. Science 330:55–60.

Coste B, Xiao B, Santos JS, Syeda R, Grandl J, Spencer KS, Kim SE, Schmidt M, Mathur J, Dubin AE, Nontal M, Patapoutian A (2012). Piezo proteins are pore-forming subunits of mechanically activated channels Nature 483:176-181.

Jordt SE, Julius D (2002) Molecular basis for species-specific sensitivity to “hot” chili peppers. Cell 108:421-30.

Liao M, Cao E, Julius D, Cheng Y (2013) Structure of the TRPV1 ion channel determined by electron cryo-microscopy. Nature 504:107-112.

McKemy DD, Neuhausser WM, Julius D (2002) Identification of a cold receptor reveals a general role for TRP channels in thermosensation. Nature 416:52-8.

Montell C, Rubin GM (1989) Molecular characterization of the Drosophila trp locus: a putative integral membrane protein required for phototransduction. Neuron 2:1313-1323.

Pak WL, Grossfield J, White NV (1969) Nonphototactic mutants in a study of vision of Drosophila. Nature 222:351-354.

Tominaga M, Caterina MJ, Malmberg AB, Rosen TA, Gilbert H, Skinner K, Raumann BE, Basbaum AI, Julius D （1998）The cloned capsaicin receptor integrates multiple pain-producing stimuli. Neuron 21:531-43.