傑出的結構生物學家 Dinshaw J. Patel 教授

撰文 | 十一月

責編 | 兮


傑出的結構生物學家 Dinshaw J. Patel 教授

小分子非編碼RNA一直是分子生物學中的暗物質。從小干擾RNA沉默侵入病原體到小RNAs調控基因表達,非編碼RNA在細胞中發揮著各種各樣的作用。"在分子生物學的早期階段,大家普遍認為RNA只是從DNA到蛋白質的中間產物,但是非編碼RNA的結構及與其他蛋白的相互作用是錯綜複雜且充滿樂趣的。"結構生物學家Dinshaw Patel如是說道。


Dinshaw Patel在2009年被選為美國科學院院士,Patel一直致力於揭示生物分子的結構以及分子複合物形成的基本規律。Patel在就職紀念斯隆-凱瑟琳癌症中心的演說中,介紹到PIWI蛋白的PAZ結構域是如何形成一個"口袋"結合piRNA的3'末端,非編碼RNA如何幫助維持生殖細胞DNA的完整性。


美國的召喚

Patel於1942年出生在印度孟買,並且成長於拜火教的社區之中。他的父親是國內的工程師,這使得Patel具有良好的教育條件,能夠徜徉於科學世界之中。"因為印度是一個發展中國家,很多科學只是都只是紙上談兵,幾乎沒有很好的實踐經驗。"Patel如是說受到美國科研的魅力與迅猛發展所吸引的Patel在十九歲那年註冊成為了加州理工的一名研究生。在Jack Roberts實驗室中,Patel第一次使用核磁共振光譜分析進行實驗一種能夠可視化分子結構的工具,這在他的早期職業生涯中發揮了重要的作用。"

加州理工科研環境的創造性與強度塑造了我未來的科研生涯",Patel說道。

由於研究小環狀環丙烷化合物的開環重排而順利在1963年拿到碩士學位後,Patel前往紐約大學與光化學家David Schuster開始一起工作。三年後,在拿到化學博士時,Patel發現自己站在了人生的十字路口。"很明顯研究的熱點風向已經轉到生命科學領域了"他說。

轉換領域之後,Patel跟隨生物化學家Robert Chambers在紐約大學藥學院開始了他的第一次博士後訓練,主要研究轉運RNA。同時,一個先前同處於加州理工的同事Angelo Lamola 1968年搬到了位於新澤西的默裡山的貝爾實驗室,邀請Patel成為博後參加他的實驗室的一個生物物理學小組。Patel回憶起當時Lamola和剛剛建立的實驗室,每個實驗室配備一名科學家和一名技術員,提供獨立的空間也極大的培養了創造力。之後,Patel發表了幾篇單獨作為作者的視網膜上異構化,眼睛中的髮色團結合視紫紅質【1】

兩年後,貝爾實驗室高分子化學部門負責人弗蘭克博維為Patel提供了永久職位。Patel開始使用核磁共振研究具有生物活性的肽、亞鐵血紅素蛋白和轉運RNA的構象。"在核磁共振的使用處於初期的階段,我們集中使用簡單的實驗手段去監測生物聚合物的摺疊、相互作用以及構象轉變"。到1983年,Patel榮獲貝爾實驗室傑出實驗人員獎,"在某些方面,在'貝爾電話公司'從事生命科學研究最後還因為這個獲了個獎是個有點尷尬的事情,哈哈",雖然如此調侃,但是Patel指出在貝爾實驗室工作的這17年是他重要的"轉型期",因為在這期間培養了自己對

"好奇心驅使的新發現充滿了熱情和渴望"。

最終,貝爾實驗室的解散,Patel說到"我彷彿還能看到牆壁上的那些字,尤其那些在做生命科學研究的人們。"隨後,他開始申請研究工作,最後1984年在哥倫比亞大學藥學院得到了生物化學與分子生物物理學系的教授職位。他回憶到,"環境變化是非常大的",因為當時的Patel需要建立自己的研究組、申請基金以及教書。他開始學習DNA雙螺旋結構中的"錯誤",比如說鹼基錯配,以及化學修飾還有藥物-DNA複合體靶向雙螺旋等等。

在1992年,Patel搬到了他現在的學術之家:紀念斯隆-凱瑟琳癌症研究所,在那和生物化學家James Rothman一起建立和發展了結構生物學項目。Patel指出,這一舉措帶來了相當多的長期資源,可以啟動具有挑戰性的項目。"在Paul Marks的領導下斯隆-凱瑟琳所一直處於上升的勢頭,"Patel說,那時他還沒有意識到那的科研環境有多特殊和優越,因為過了街對面就是洛克菲勒大學和威爾康奈爾醫學院。

Patel說與洛克菲勒大學的教授們的合作對於他的成長非常關鍵,包括分子與細胞生物學家Thomas Tuschl、David Allis、Robert Roeder以及Paul Greengard。"結構生物學非常強大,"他說,因為"它能夠精確地定義蛋白、核酸以及他們的複合體中的原子的位置。"

重要的是,結構能夠允許人工設計特異的、靶向性很強的突變,定向的有選擇性的去觀測這些突變對於生物功能的影響。

Patel一直在研究高階的DNA結構。DNA通常是雙鏈形式。Patel以核磁共振為基礎實驗手段研究三鏈或者是四鏈DNA的結構,從而探明三鏈或者是四鏈配對方式的生物學功能和意義。

在癌症研究中心的第一個十年,Patel研究了一些環境中的致癌物,比如多環芳香烴,能夠破壞DNA。與生物學家Suse Broyde和化學家Nicholas Geacintov一起進行研究,Patel解釋了手性的作用,致癌物質會共價結合在DNA的損傷位置。"這樣的研究與直接基於大溝小溝的研究不同,致癌物插入排列方式在本領域中是第一次被研究。"這些結果說明了為什麼那些損傷的位置會更容易被容易出現在修復機器附近並且這些損傷難以修復【2】。Patel提到該致癌性研究獲得了紐約大學1997年傑出校友獎。

RNA:比看到的更深奧

Patel搬到紀念斯隆-凱瑟琳研究中心之後,對他的研究領域作出了兩個重要調整。首先他將自己的研究領域擴展到X射線衍射晶體學方面,從而能夠從更高的分辨率和更好的時間性來研究大分子複合體的結構。另外一方面他開始轉向RNA領域,RNA可以以多種獨特的方式進行摺疊。Patel將他的研究聚焦於核糖體開關、核糖酶以及RNA干擾。

核糖開關是信使RNA的非編碼包含傳感域能夠結合配體的部分,如一些代謝物。結合不同的配體會改變RNA的結構,使得其能夠作為依賴於配體濃度的相關的On-off開關從而調控基因的表達。Patel關於核糖蛋白開關的工作鑑定出了一系列高階的RNA結構、配體結合口袋以及Mg2+調控的分子內相互作用,對於配體識別的特異性有重要的作用。核糖酶是具有催化活性的RNA分子。最近,Patel與化學家Ronald Micura合作研究能夠切割核酸的小的核糖酶。該工作鑑定除了高階的RNA結構在核酸的磷酸二酯骨架的特定位置如何進行切割以及鑑定出了對於RNA摺疊的穩定性以及促進催化作用的扭轉核酶【3】。"將結構、識別、轉變以及切割化學對與基因調控和催化作用的基礎機制給出了一些見解,從而提出了關於RNA具有多種功能的獨特的概念",Patel說道。非編碼RNA在保護細胞方面也發揮了作用。"雙鏈的DNA或者是RNA在細胞質出現是不正常的,自然界中細胞發展出了能夠感應該現象的抵禦機制",Patel解釋道。一個叫做Dicer的酶能夠將入侵的RNA切割成小的片段,被稱為siRNA。siRNA的一條鏈即引導鏈,像釣魚一樣使用尋找並降解互補的病毒信使RNA防止病毒蛋白質的產生。Patel將他的研究集中在Dicer以及另外一個核酸酶Argonaute (Ago)上,主要在RNA干擾中發揮作用。在與分子生物學家Thomas Tuschl的合作中,Patel解決了雙元原核Ago複合體用於識別靶標RNA

【4】

病毒對他們RNA降解的反擊涉及到一些蛋白質抑制子能夠靶向RNA干擾信號同路的多個步驟。Patel建立了病毒p19抑制子是如何形成同源二聚體以及使用卡尺類似的機制來靶向siRNA。回憶這個階段的工作,Patel說道"在這十幾年中有一些瞬間將一些新穎的摺疊與我們的研究與RNA干擾的相互作用的基本原則相聯繫,那些其實是系統中早先難以被界定的黑匣子"。

生命的代碼

從2005年開始,Patel開始進入表觀遺傳調控領域的研究。表觀遺傳,指的是DNA表達的量的不同並不是由於DNA序列本身而是由於表觀遺傳標記的不同。DNA緊密纏繞的球形蛋白被稱為組蛋白。組蛋白暴露的尾巴可以被一些酶特異性的加上一些修飾。這些組蛋白的修飾會形成一些關於說明時間以及DNA的特定部分如何具有可接近型的特定說明,該過程對於細胞發育過程非常重要。"現在你有另外的編碼能夠通過酶來動態地以及位點特異性地控制這些編碼的寫入、讀出以及擦寫。"Patel解釋道。組蛋白尾部的修飾對於基因表達提供了另外一個水平的調控。舉例來說,H3K4me3與轉錄起始點相關。Patel記得洛克菲勒的生物學家David Allis跨過街來討論想要闡明H3K4me3被最大的核小體重塑因子亞基的PHD指結構識別的結構基礎的那個時候。最終解析出來的結構不僅僅說明甲基化的賴氨酸在分子籠的側面,也同時解釋了序列識別特異性的來源

【5】。"在那次會面之後我對錶觀遺傳調節背景下的結構基礎產生了極大的興趣"。Patel同時也對DNA複製過程中的甲基化以及母鏈DNA的甲基化模式是如何轉化到新的DNA鏈上的進行了解析。他的團隊揭開了人類DNMT1酶的在結合DNA時候的結構【6】,不僅展示了DNMT1在所需要的位置是如何加上甲基化標記,同時也揭開了自抑制的機制【7】。Patel解釋道這個DNA甲基轉移酶的維持作用通過連續的細胞分裂將對於甲基化標記放在正確的位置而避免標記在錯誤的位置。Patel說他關於表觀遺傳調控方面的貢獻,最近已經擴展單組蛋白伴侶的方面【8】

擴展視野

與生物化學家Rhoderick Brown合作過程中,Patel也研究了由脂質轉移蛋白調控的脂質獲得與釋放過程。結構方面的數據表明其與裂口類似的門結構機制一致的,在囊泡的生物合成與運輸過程中糖脂鏈順序進入和離開與膜相關的疏水通道【9】。Patel一直在擴展新的研究領域。他目前在研究天然免疫的分子機制,與免疫學家Winfred Barchet以及化學家Roger Jones共同研究cGAS的構象變化。cGAS是後生動物中雙鏈DNA感應器,能夠激活適配子蛋白STING開啟干擾素信號途徑。關於此方面的結構研究表明,當暴露在DNA存在的情況下,cGAS會產生一個口袋結構,使得ATP與GTP進入其中產生不同尋常的循環的2,5-cGAMP從而激活STING

【10】

Patel對他的導師仍然非常感激,感謝他們對他的思維方式以及研究方向的影響。Patel強調"有研究組的成員們不可思議的才華與專注的加持,有合作者們及時的幫助,有新興領域的開放的機會,也有意外發現的現象、充足的資源支持與足夠的幸運,讓科學研究對於他來說成為一個非常具有挑戰性同時也令人興奮的事業。"


附Dinshaw J. Patel實驗室培養的在國內獨立的PI名單:

麻錦彪(復旦大學生科院教授)

李海濤(清華大學醫學院教授)

葉克窮(中科院生物物理研究所研究員)

王豔麗(中科院生物物理研究所研究員)

王佔新(北京師範大學生命科學學院教授)

張 鈉(中國科學院強磁場研究中心教授)

高 璞(中科院生物物理研究所研究員)

任艾明(浙江大學生命科學研究院研究員)

杜嘉木(南方科技大學教授)

楊 薈(中科院生化細胞所研究員)

黃鴻達 (南方科技大學副教授)

陳守登(中山大學附屬第五醫院研究員)

甘建華(復旦大學生科院教授)


原文鏈接:
www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1512793112

參考文獻


1. Patel, D. J. 220 MHz proton nuclearmagnetic resonance spectra of retinals. Nature221, 825-828 (1969)

2. Cosman,M. et al. Solution conformation ofthe major adduct between the carcinogen (+)-anti-benzo[a]pyrene diol epoxideand DNA. Proceedings of the NationalAcademy of Sciences of the United States of America 89, 1914-1918 (1992).

3. Ren,A. et al. In-line alignment andMg(2)(+) coordination at the cleavage site of the env22 twister ribozyme. Nature communications 5, 5534, doi:10.1038/ncomms6534 (2014).

4. Wang,Y., Sheng, G., Juranek, S., Tuschl, T. & Patel, D. J. Structure of theguide-strand-containing argonaute silencing complex. Nature 456, 209-213,doi:10.1038/nature07315 (2008).

5. Li,H. et al. Molecular basis forsite-specific read-out of histone H3K4me3 by the BPTF PHD finger of NURF. Nature 442, 91-95, doi:10.1038/nature04802 (2006).

6. Song,J., Rechkoblit, O., Bestor, T. H. & Patel, D. J. Structure of DNMT1-DNAcomplex reveals a role for autoinhibition in maintenance DNA methylation. Science 331, 1036-1040, doi:10.1126/science.1195380 (2011).

7. Song,J., Teplova, M., Ishibe-Murakami, S. & Patel, D. J. Structure-basedmechanistic insights into DNMT1-mediated maintenance DNA methylation. Science 335, 709-712, doi:10.1126/science.1214453 (2012).

8. Elsasser,S. J. et al. DAXX envelops a histoneH3.3-H4 dimer for H3.3-specific recognition.Nature 491, 560-565,doi:10.1038/nature11608 (2012).

9. Simanshu,D. K. et al. Non-vesiculartrafficking by a ceramide-1-phosphate transfer protein regulates eicosanoids.

Nature 500, 463-467, doi:10.1038/nature12332 (2013).

10. Gao,P. et al. Cyclic [G(2',5')pA(3',5')p]is the metazoan second messenger produced by DNA-activated cyclic GMP-AMPsynthase. Cell 153, 1094-1107, doi:10.1016/j.cell.2013.04.046 (2013)


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