高场核磁共振和全球合作推动哥廷根的新冠肺炎病毒蛋白质研究

在新层面上推进研究

物理学和生物学经常被视为科学界的两个极端，许多科学家倾向于走其中的一条路线或另一条。但是，对于那些准备弥合鸿沟的人来说，会有巨大的回报，Markus Zweckstetter教授博士就是这些人之中的一位。

Zweckstetter教授最初学习的是物理，但他很快就将自己的技能转向了生物物理化学，并于1998年在德国马丁斯里德的马克斯-普朗克生物化学研究所完成了生物分子核磁共振（NMR）波谱学的博士学位。此后，他在同一机构和美国贝塞斯达的国家卫生研究院进行了博士后研究。然后他搬到了德国哥廷根，从2001年起，他在马克斯普朗克生物物理化学研究所担任研究小组组长，从2012年起也在德国神经退行性疾病中心（DZNE）工作。Zweckstetter教授获得了欧洲研究理事会（ERC）的两项资助：2011年的ERC巩固阶段和2018年的ERC高级资助，这帮助他和他的团队利用核磁共振的力量揭示蛋白质结构和功能。

深入探索生物分子的奥秘

在哥廷根工作期间，Zweckstetter教授一直热衷于核磁共振，特别是它能够阐明生物大分子的构象和有可能作为药物使用的小分子的作用模式。

正如他所说："我一直对分子过程和物理学感兴趣，在我职业生涯的早期，我看到核磁共振提供了结合这两个领域的见解的机会。蛋白质具有无可比拟的多样性和复杂性，为核磁共振技术提供了一个引人入胜的肥沃试验场，在过去的25年里，它一直激励着我的研究。

Zweckstetter教授解释道，核磁共振是一种独特的强大方法，能够以超高分辨率剖析生物分子：”因为NMR允许你在生理条件下研究蛋白质、寡核苷酸和RNA——甚至在细胞内——它是详细研究分子结构和相互作用的完美方法，可以开发潜在的药物。“

他工作的一个突出例子是确定哺乳动物易位蛋白（TSPO）的高分辨率结构，该蛋白在脑损伤和炎症区域的表达增加。这项研究于2014年发表在《科学》杂志上[1]，证明了将TSPO与一种名为PK11195的诊断配体耦合，可以稳定其结构，使其结构被确定为一个由五个螺旋组成的束。核磁共振对这项工作至关重要，它允许使用核Overhauser谱（NOESY）来确定特定的1H、13C和15N核的接近程度。其结果是对TSPO如何识别和结合诊断标记物和药物有了更好的理解，具有明确的诊断和治疗意义。

Zweckstetter教授的大部分研究都与参与神经退行性疾病的蛋白质直接相关，特别关注三种肽--tau、α-synuclein和amyloid-β，它们形成的不溶性沉积是阿尔茨海默病和帕金森病的标志。例如，在最近研究阿尔茨海默病患者大脑中tau不溶性沉积物形成的过程中，Zweckstetter教授的团队发现液-液相分离是一个关键驱动因素[2]。作为相分离过程的结果，tau的分子拥挤是通过tau与顺磁标签耦合的二维1H/15N相关谱（HSQC）来发现的。这项研究的发现引发了全世界不同实验室的广泛研究。

Markus Zweckstetter教授是德国哥廷根马克斯-普朗克生物物理化学研究所“利用核磁共振确定蛋白质结构”研究小组的负责人。自2012年起，他还在哥廷根大学医学中心的德国神经退行性疾病中心（DZNE）主管"转化结构生物学"小组。

了解SARS-CoV-2的核壳蛋白

合作在Zweckstetter教授的研究中一直发挥着关键作用，但在最近几个月，随着他参与到Covid-19核磁共振联盟当中，合作已经达到了一个新的水平：核磁共振专家的国际合作，旨在利用核磁共振波谱确定SARS-CoV-2及其蛋白质的RNA结构，并通过此举对小分子的“可药性”提供见解³。

联盟起源于Zweckstetter教授在2020年底发表的一篇论文⁴，该论文描述了发现SARS-CoV-2（Covid-19大流行背后的致病病毒）内的一种蛋白质与病毒的RNA形成微滴。为了揭示这一点，该团队将分子动力学模拟与¹H、¹³C和¹⁵N核的核磁共振波谱相结合，使用NOESY、HSQC和总相关谱（TOCSY），图2显示了所获得的各种见解的一个例子。

这篇论文引起了联盟发起人、德国法兰克福歌德大学的Harald Schwalbe教授的注意，他随后邀请Zweckstetter教授加入联盟。Zweckstetter教授欣然接受，一方面是为了受益于Schwalbe教授的联盟在RNA方面的专业知识，另一方面也是因为合作可以让他的团队获得SARS-CoV-2病毒RNA的样本。在随后的几个月里，这使他们能够建立实验来研究RNA和上述蛋白质（被称为核壳蛋白或“N蛋白”）之间的相互作用。

Zweckstetter教授解释说，许多早期对SARS-CoV-2的研究集中在所谓的“刺突蛋白”上，因为它参与了与宿主细胞的交流。但随着对SARS-CoV-2的理解的发展，N蛋白显然也有一个关键作用。这是因为，正如他所说，"它不仅保护RNA不被降解，而且使转录机器聚集，因此增强了其复制能力"。

Zweckstetter教授说，其结果是，世界各地的许多研究团体现在正在研究N蛋白，以期将其作为治疗Covid-19的一个目标进行评估。例如，通过干扰N蛋白微滴的形成，病毒RNA可能会变得更容易受到外部损害，并且更不能够可靠地复制。他补充道，关于N蛋白的工作的另一个方面是研究激酶参与N蛋白某些残基的磷酸化，因为这些酶可能是小分子抑制剂的潜在靶点。

图1：核磁共振波谱显示阿尔茨海默病相关蛋白tau在液-液相分离凝结物中的分子拥挤。(A) 通过荧光显微镜观察到的tau的液滴。(B）在5℃（左；分散相）和37℃（右；相分离条件）下，tau的微管结合域的2D 1H-13C HSQC谱中的顺磁拓宽，可见其四个苏氨酸残基。tau的微管结合结构在其两个本地半胱氨酸处被贴上MTSL标签。顺磁和逆磁状态分别用金色和黑色表示。转载自参考文献。[2]，采用知识共享协议（CC BY 4.0, http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。

图2：使用核磁共振研究SARS-CoV-2内核衣壳（NCP）蛋白的A182-S197区域的特性，该区域有高比例的丝氨酸和精氨酸驻留（已知与RNA和蛋白质结合）。(A）化学位移分析（蓝色）与分子动力学模拟（红色）一致，该区域的残基非常灵活，在R189旁边有一个小的α螺旋结构倾向。 B）在多尿酸（一种简化的RNA）的存在下重新运行模拟，显示在精氨酸残基和RNA磷酸基之间有大量的分子间接触，R189最大。这与观察到的R189是A182-S197区域中唯一没有在目前已知的大多数SARS-CoV-2毒株中发生突变的残基一致（灰条）。转载自参考文献。[4]，采用知识共享协议（CC BY 4.0, http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。

布鲁克的1.2 GHz核磁共振波谱仪运抵哥廷根

Zweckstetter教授博士在哥廷根的研究工作需要使用布鲁克的一系列高场NMR谱仪。这一设备组合的最新成员是一台1.2 GHz的谱仪，它于2020年中期安装，是世界范围内具有最高磁场的核磁共振波谱仪，可用于研究生物大分子的结构和动力学特征。

该核磁谱仪的线圈是布鲁克独有的，内线圈使用高温超导体，外线圈使用普通低温超导体。只有这样，才能产生28.2特斯拉的均匀磁场。

哥廷根大学的四个研究团队可以使用这台1.2GHz谱仪，其主要功能是表征那些难以用其他方法研究的蛋白质，比如细胞膜中的蛋白质；和有聚集倾向的蛋白质，比如那些与神经退化有关的蛋白质。

最高的分辨率，实现更多可能

直到最近，该团队的大部分工作都使用了600 MHz - 950 MHz的布鲁克核磁共振波谱仪，这对于开展对蛋白质的高灵敏调查至关重要。但现在，Zweckstetter教授可以使用哥廷根的1.2 GHz谱仪："与我们现有的950 MHz谱仪相比，它将使我们的三维和更高维度的核磁共振实验分辨率至少提高两倍，因此，我们可以在巨大的时间和长度范围内研究生物分子标志物的结构动力学"。

高场核磁共振的能力与冷冻电子显微镜等技术完全相反，后者需要冷冻样品，因此只能提供分子作用的快照。教授说：“有了核磁共振，你可以研究生物分子如何在溶液中移动，以及它为执行不同活动所采取的不同形状。不仅如此，你还可以实时观察分子，从而获得关于它们如何发挥其功能和被酶修改的重要见解。”

合作与竞争

Covid-19核磁共振项目让Zweckstetter教授对当今研究和社会的广泛作用进行了思考。他说：“合作在科学中当然受到重视，但研究小组之间固有的竞争限制了这种合作的范围。”

但是Covid-19联盟完全改变了他对合作的重视：“通常我们可能只与一两个小组合作，而现在，我们有机会定期与全球几十个研究小组讨论我们的进展。通过汇集我们的专业知识、设备和试剂，我们可以更快地取得进展，并有可能比我们自己取得更多的成果。”

他希望这项工作的最终结果将是为新冠肺炎的患者提供更好的治疗：”虽然疫苗接种非常重要，但这种病毒在不断适应和进化，带来了再次感染的风险。因此，为了应对它所带来的威胁，我们需要开发治疗Covid-19的药物，而这正是该联盟的作用所在，它提供的数据使我们能够了解该病毒的内部运作情况。“

事实上，他认为重新思考如何进行研究是很重要的：”学术竞争有一个潜在的优势，即最好的想法可能会获胜。另一方面，激烈的竞争给研究人员带来了巨大的压力，尤其是那些处于职业生涯早期阶段的研究人员，此外，它不一定能在最短的时间内产生最好的结果。因此，我认为，建立大型科学合作来解决重大挑战可能是一种补充，甚至可能是取得快速进展的更有力的方式。“

Covid-19核磁共振的工作让Zweckstetter教授加深了他与该联盟其他成员的联系，他们之间的交流也更加广泛。他鼓励其他人沿着类似的思路思考，同时总结道：”也许科学应该是更多的合作，而不是竞争。“

如需了解更多关于Covid19-NMR联盟的信息，请访问https://covid19-nmr.de/ 或者观看联盟成员的访谈https://www.bruker.com/zh/products-and-solutions/mr/make-mr-more-relevant/covid19-nmr-consortium.html

如需了解更多关于Zweckstetter教授的“利用核磁共振确定蛋白质结构”和“转换结构生物学”项目详情，请访问 https://www.mpibpc.mpg.de/zweckstetter 和 https://www.dzne.de/zweckstetter.

Markus Zweckstetter教授（左）和Christian Griesinger教授在布鲁克的1.2 GHz核磁共振波谱仪前留影，该仪器于2020年夏季运抵哥廷根大学。

参考文献

Jaremko Ł, Jaremko M, Giller K, Becker S and Zweckstetter M, Structure of the mitochondrial translocator protein in complex with a diagnostic ligand, Science, 2014, 343: 1363–1366, https://doi.org/10.1126/science.1248725.
Ambadipudi S, Biernat J, Riedel D, Mandelkow E, Zweckstetter M, Liquid-liquid phase separation of the microtubule-binding repeats of the Alzheimer-related protein Tau, Nat Commun, 2017, 17;8(1):275. doi: 10.1038/s41467-017-00480-0.
For more about the Covid-19 consortium, visit https://covid19-nmr.de/
Savastano A, Ibanez de Opakua A, Rankovic M and Zweckstetter M, Nucleocapsid protein of SARS-CoV-2 phase separates into RNA-rich polymerase-containing condensates, Nature Communications, 2020, 11: 6041, https://doi.org/10.1038/s41467-020-19843-1

关于马克斯普朗克生物物理化学研究所

马克斯普朗克生物物理化学研究所目前由11个部门、8个荣誉小组和21个有各自研究重点的研究小组组成，由15个中央科研和一般服务设施支持。本研究所目前有700多位职员，其中约有470名科学家，是马克斯普朗克协会中最大的研究所之一，其多学科的研究方法是独一无二的。

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关于德国神经退行性疾病中心（DZNE）

DZNE成立于2009年，是亥姆霍兹协会的成员和德国健康研究中心（德国乳糜泻协会，DZG）的第一个成员。今天，它分布在10个城市——柏林、波恩、德累斯顿、哥廷根、马格德堡、慕尼黑、罗斯托克/格赖夫斯瓦尔德、图宾根、乌尔姆和维滕，从而在一个研究机构内汇集了分布在全国的专业研究团队。中心的1100多名专家正在努力了解大脑和神经系统疾病的原因，并寻找有效预防、治疗和病人护理的新方法。在世界范围内，DZNE是研究这类疾病的最大研究机构之一。

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布鲁克致力于支持科学家取得突破性的科学发现并开发新的应用以提升人类的生活质量。布鲁克的高性能科技仪器以及高价值分析和诊断解决方案，让科学家能够在分子、细胞和微观层面上探索生命和材料的奥秘。通过和用户的紧密合作，布鲁克致力于科技创新、提升生产力并实现用户的成功。我们的业务领域包括生命科学分子研究、应用和药物应用、显微镜和纳米分析、工业应用、细胞生物学、临床前成像、临床表型组学、蛋白质组学研究以及临床微生物学等。