2017年，諾貝爾化學獎花落冷凍電鏡（Cryo-EM）技術(shù)；2021年，諾貝爾生理學或醫(yī)學獎授予兩位美國科學家戴維·朱利葉斯（David Julius）和阿登·帕塔普蒂安（Ardem Patapoutian），表彰他們在“發(fā)現(xiàn)溫度和觸覺感受器”方面作出的貢獻。  

細細翻閱這兩份諾獎級成果背后的故事，我們會發(fā)現(xiàn)有一位華人學者都緊密聯(lián)系其中。美國科學院院士、加利福尼亞大學舊金山分校程亦凡教授，是冷凍電鏡技術(shù)革命中的佼佼者，正是他和朱利葉斯研究組用冷凍電鏡首次得到了膜蛋白TRPV1的3.4埃接近原子級別高分辨率三維結(jié)構(gòu)，這一結(jié)果被視為具有里程碑意義。

“我和戴維差不多從2009年就開始合作，總是想他應(yīng)該有一天能夠得獎，所以我非常高興?！背桃喾苍诮邮芘炫刃侣劊╩.nxos.com.cn）采訪時仍難掩其對合作伙伴獲獎的激動和喜悅。

程亦凡1982年本科、1987年碩士畢業(yè)于武漢大學物理系。1987 年進入中國科學院物理研究所跟隨李方華院士攻讀博士學位，從事電子光學，成象理論和高分辨電鏡的理論和實驗技術(shù)的學習、研究和應(yīng)用。博士畢業(yè)之后，程亦凡先后輾轉(zhuǎn)于挪威和德國做博士后，從事材料科學方面的電鏡研究。 

1996年，程亦凡以34歲“高齡”從物理跨界轉(zhuǎn)行到生物學領(lǐng)域，在美國和日本繼續(xù)做博士后，開始對冷凍電鏡技術(shù)非常感興趣，利用冷凍電鏡研究二維晶體和膜蛋白結(jié)構(gòu)。2006年，程亦凡成為加利福尼亞大學舊金山分校助理教授，建立了自己的實驗室，2012 年拿到終身教職。2019年當選美國藝術(shù)與科學學院院士，2020年當選美國科學院院士。 

程亦凡曾自稱是加利福尼亞大學舊金山分校年齡最大的初級教授，博士畢業(yè)后用了15 年時間才任助理教授。這份坦然和純粹在采訪中也體現(xiàn)一二，“當然，這次戴維他們得獎不是因為解出結(jié)構(gòu)，是因為他們長期的蛋白研究，但是我們做結(jié)構(gòu)生物學的人同樣覺得非常興奮，因為結(jié)構(gòu)生物學確實對這個領(lǐng)域的發(fā)展起了一定的推動作用?！?nbsp;

就在近日，程亦凡還在社交軟件上分享了自己以3小時17分50秒完賽第125屆波士頓馬拉松，而他也已經(jīng)在期待來年。喜歡跑馬拉松的他對于科研的態(tài)度類似，樂在其中、享受過程。

這正如他對澎湃新聞記者提到，技術(shù)手段和科學問題實際上都在互相促進，技術(shù)的進步，就能夠讓你嘗試去問一些更深層的問題，“回答更深刻的問題以后，它同樣會引發(fā)你去思考更深刻一層的問題，這時候又需要更進一步的技術(shù)手段?！?/p>

2013年，程亦凡（右一）和朱利葉斯（左一）研究組用冷凍電鏡首次得到了膜蛋白TRPV1的3.4埃接近原子級別高分辨率三維結(jié)構(gòu)，論文另兩位作者Erhu Cao（左二）、Maofu Liao（右二）。受訪者供圖

諾獎成果需要有臨床應(yīng)用？“這不是唯一的標準”

北京時間10月4日17時30分許，瑞典卡羅琳斯卡醫(yī)學院在斯德哥爾摩宣布，將2021年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎授予戴維·朱利葉斯以及阿登·帕塔普蒂安，以表彰他們在“發(fā)現(xiàn)溫度和觸覺感受器”方面作出的貢獻。 

“戴維·朱利葉斯是在1997年發(fā)現(xiàn)TRPV1，第一次找到了感覺溫度的一個分子受體，然后阿登·帕塔普蒂安是在2010年，實驗室接連發(fā)現(xiàn)了Piezo1和Piezo2，能介導(dǎo)機械力的刺激?！?007年至2012年期間曾在帕塔普蒂安實驗室進行博士后研究、現(xiàn)為清華大學藥學院長聘教授的肖百龍在接受澎湃新聞（m.nxos.com.cn）專訪時曾表示，“這都是非常重要的生理功能，能夠揭示它的分子機制是非常重要的?！?nbsp;

程亦凡在第一時間對澎湃新聞記者表示，“兩位得獎?wù)叩墓ぷ鞫际腔A(chǔ)研究，也說明基礎(chǔ)研究，特別是開創(chuàng)性的基礎(chǔ)研究的重要性！”在加利福尼亞大學舊金山分校發(fā)布的新聞稿中，朱利葉斯本人也談到了基礎(chǔ)研究的重要性，這些研究一開始并沒有特定的治療目標，但最終可能助力治療。

“大多數(shù)在理解醫(yī)學機制方面取得的重大進展，實際上都始于科學家追隨自己的好奇心，而事先并不知道他們所從事的工作有朝一日可能在治療方面有用?！敝炖~斯說，“我很慶幸，我們有美國國立衛(wèi)生研究院這樣的公共機構(gòu)和學校向我和其他研究人員提供資金，我們在探尋一些基本問題，不知道是否‘有用’或?qū)⒃谀骋豢棠軌蜣D(zhuǎn)化?！?/p>

對于此次朱利葉斯和帕塔普蒂安的獲獎，程亦凡評價道，“我個人認為并沒有得到的早了，很多時候基礎(chǔ)研究確實能夠增進我們的認知，而臨床能不能夠有應(yīng)用，并不是做基礎(chǔ)研究的唯一目的?！彼杏|頗深，“我覺得這是對基礎(chǔ)研究的一個非常大的肯定，包括所有做基礎(chǔ)研究的人?！?/p>

在程亦凡看來，近些年來，諾貝爾獎大多頒發(fā)給了有重大臨床應(yīng)用的發(fā)現(xiàn)，但在歷史上也有很多次是頒發(fā)給完全是基礎(chǔ)科學的突破。他舉例提到，2011年的諾貝爾化學獎頒給了準晶領(lǐng)域，時年70歲的色列科學家丹尼爾·舍特曼(Daniel Shechtman)摘得獎項，其貢獻在于發(fā)現(xiàn)了準晶體(quasicrystals)。根據(jù)定義，準晶是不具有平移對稱性和周期性，卻具有普通晶體所沒有的旋轉(zhuǎn)對稱性的有序固體。

“我做博士的時候，論文就是做的準晶研究，準晶到現(xiàn)在為止沒有任何的應(yīng)用，但它是認知上的一個突破?！背桃喾舱劦?，當然很多研究最后可能都會產(chǎn)生一些臨床的應(yīng)用，“但這不是一個唯一的標準?！?/p>

實際上，一些制藥公司已經(jīng)瞄準靶向TRP受體的緩解疼痛的新療法。例如，對患者生活質(zhì)量產(chǎn)生極大影響的慢性疼痛，目前臨床上廣泛應(yīng)用的阿片類藥物具有成癮性。一種的新的思路是，直接靶向產(chǎn)生疼痛的受體，即TRP受體蛋白。

當然，就目前而言，此次諾獎中涉及的TRP受體或是Piezo通道，目前均還沒有可以用于臨床的藥物被發(fā)現(xiàn)。程亦凡談到，“TRPV1作為止痛的藥物靶標進行過藥物開發(fā)，但因為藥物對體溫調(diào)節(jié)造成影響而不成功。”肖百龍也提到，“我們實驗室也在致力于對它的藥物進行發(fā)現(xiàn)和開發(fā)，但這個可能還需要時間，針對這樣全新的靶點來進行全新的藥物的設(shè)計和開發(fā)是非常困難的?！?/p>

“黃金搭檔”：從結(jié)構(gòu)上理解TRP通道的功能和調(diào)控機理

諾貝爾獎委員會對于此次獲獎的官方解讀中寫道，我們對熱、冷和觸覺的感知能力對生存至關(guān)重要，這也是我們與周圍世界互動的基礎(chǔ)。在日常生活中，我們認為這些感覺是理所當然的，但神經(jīng)沖動是如何產(chǎn)生的，從而使溫度和壓力可以被感知？“人類面臨的最大謎團之一是我們?nèi)绾胃兄h(huán)境?！?/p>

在歷史發(fā)展的進程中，科學家們接力探索上述謎團。然而，在朱利葉斯和帕塔普蒂安的發(fā)現(xiàn)之前，我們對神經(jīng)系統(tǒng)如何感知環(huán)境，仍然存在著一個根本性的懸而未決的問題：在神經(jīng)系統(tǒng)中，溫度和機械刺激是如何轉(zhuǎn)化為電脈沖的？

朱利葉斯的貢獻在于，自其1989年加入加利福尼亞大學舊金山分校以來，朱利葉斯和他實驗室的學生、博士后研究員和其他研究人員一直在探索神經(jīng)遞質(zhì)、藥物和天然產(chǎn)物是如何調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)的。

他們利用動植物產(chǎn)生的各種有毒物質(zhì)，包括狼蛛和珊瑚蛇的毒素、辣椒中產(chǎn)生“辣味”的分子辣椒素、辣根和芥末刺激性背后的化學物質(zhì)，嘗試了解負責溫度和痛感的信號是如何通過神經(jīng)回路傳遞到大腦的。

紅辣椒是朱利葉斯離子通道研究的靈感來源，這也成為他諾獎慶祝會的背景圖片之一。他的工作最終揭示了TRPV1，一個位于感覺神經(jīng)外端的特殊離子通道，對辣椒中的辣椒素和超過110華氏度的溫度都有反應(yīng)，會被激活作為熱感傳遞給大腦。這種蛋白質(zhì)在疼痛和熱的感知中起著核心作用。

程亦凡談及，朱利葉斯的貢獻不止于此。其團隊還鑒定研究了負責其他類型感覺的不同的TRP通道。2002年，朱利葉斯實驗室使用薄荷和相關(guān)化合物識別了TRPM8通道，它對低溫做出反應(yīng)。他們還發(fā)現(xiàn)了TRPA1，也被稱為“芥末受體”（ wasabi receptor），能對芥末的刺激性化合物有反應(yīng)，也參與了炎癥性疼痛。

而程亦凡和朱利葉斯兩個實驗室的合作始于2009年左右，彼時他組建自己的實驗室才3年。“戴維實驗室以前一直做生理學研究，從他們1997年發(fā)現(xiàn)TRPV1蛋白以后，TRP通道領(lǐng)域在后面一段時間發(fā)展非?？?，但是TRP通道的結(jié)構(gòu)研究是受限制的?！背桃喾不貞浧甬敃r的研究需求，“大家覺得必須要從結(jié)構(gòu)上對它的功能和調(diào)控的機理有很好的了解。

實際上，在二人合作之前，相關(guān)實驗室已經(jīng)在嘗試解析TRP通道結(jié)構(gòu)，而朱利葉斯也尤其注重?！八麄冊谀嵌螘r間試圖用結(jié)晶的辦法做結(jié)構(gòu)，但是結(jié)晶辦法實際上是比較困難的。我們實驗室也是做結(jié)構(gòu)生物學，但是我們是用冷凍電鏡的辦法?！背桃喾蔡岬?，“我是在跟戴維合作之前，說實話我對TRP通道完全不了解?！?/p>

2009年，在系里組織召開的一次會議上，程亦凡聽了朱利葉斯的演講報告，“我們兩個就一起聊了一下，討論用冷凍電鏡的辦法去做，當時的方法還根本達不到夠解出原子分辨率結(jié)構(gòu)的程度，但是我們是實驗室一直在做方法方面的研究?！彪S后，兩個實驗室共同推動，一邊繼續(xù)改進方法，一邊不斷嘗試結(jié)構(gòu)解析。

時至今日，將程亦凡和朱利葉斯稱作“黃金搭檔”也不為過。在朱利葉斯實驗室頁面的已發(fā)表成果中，其和程亦凡的合作論文多篇被羅列顯示?！拔覀儗嶒炇壹釉谝黄鸷献鞯奈恼掠惺畞砥耍椰F(xiàn)在也是一直有很多的合作，好幾個學生和博士后也都是聯(lián)合培養(yǎng)?！?/p>

在加利福尼亞大學舊金山分校發(fā)布的新聞稿中，程亦凡的名字也被著重提及：近年來，朱利葉斯將他的注意力轉(zhuǎn)向了更好地了解TRPV1和相關(guān)分子的結(jié)構(gòu)，希望這些信息可以驅(qū)動新的止痛藥的設(shè)計。在2013年的一次科學突破中，他和同事程一凡博士使用冷凍電鏡技術(shù)，在接近原子的尺度上確定了TRPV1的結(jié)構(gòu)。2015年，朱利葉斯和程程一凡使用冷凍電鏡確定了“芥末受體”TRPA1的結(jié)構(gòu)。

值得一提的是，除了諾獎得主們的長期貢獻，冷凍電鏡時代的真正來臨，還得益于樣品制備技術(shù)、新一代電子探測器發(fā)明、軟件算法優(yōu)化等多方面技術(shù)的進步。程亦凡等人對“直接探測相機”的開發(fā)最終掀起了冷凍電鏡在生物學領(lǐng)域的“分辨率革命”。

“花了好幾年的時間，到2012年年底的時候有了一些很不錯的進展?！?013年底，頂級學術(shù)期刊《自然》發(fā)布了他們的研究成果，程亦凡和朱利葉斯兩個團隊合作，首次利用冷凍電鏡技術(shù)解析得到膜蛋白TRPV1 的3.4 埃接近原子級別的高分辨率三維結(jié)構(gòu)。

研究一經(jīng)發(fā)表，就引起了科學界巨大的轟動，這一結(jié)果被視為具有里程碑意義?！爱敃r是第一次用冷凍電鏡解析膜蛋白結(jié)構(gòu)，也是第一次用冷凍電鏡解完全未知的結(jié)構(gòu)，當然對TRP通道來說也是第一個結(jié)構(gòu)，所以說當時的工作影響力很大?！?/p>

TRPV1。

程亦凡同時提及，對整個結(jié)構(gòu)生物學來說，當時的成果也是影響深遠。在他們的結(jié)果發(fā)表之前，盡管有些實驗室已經(jīng)把分辨率提高到3埃左右，但大家覺得冷凍電鏡解析的都是X射線晶體學成像此前已經(jīng)得到的結(jié)構(gòu)。“到那個時候為止，還從來沒做過一個未知的結(jié)構(gòu)，所以說對整個結(jié)構(gòu)生物學影響很大，原來做晶體學的實驗室都是從那個時候開始轉(zhuǎn)行，完全轉(zhuǎn)到做冷凍電鏡?！?/p>

結(jié)構(gòu)生物學提高分辨率的風潮自此掀起，2017年冷凍電鏡技術(shù)摘得諾貝爾獎，也正是肯定了這一領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展?！爱斎贿@次的諾獎不是因為解出結(jié)構(gòu)，是因為他們長期的蛋白研究，但是我們做結(jié)構(gòu)生物學的人仍然覺得非常興奮，因為結(jié)構(gòu)生物學確實對這個領(lǐng)域的發(fā)展起了一定的推動作用?！?/p>

他也同樣談及另一位諾獎得主帕塔普蒂安的Piezo研究。2015年，肖百龍團隊第一次報道了Piezo1的結(jié)構(gòu)。此后，肖百龍和帕塔普蒂安等人又先后報道了更高分辨率結(jié)構(gòu)。2019年，肖百龍團隊又進一步獲得了Piezo2的結(jié)構(gòu)。

總在追問更多問題，技術(shù)會帶來更深刻的影響

兩個實驗室的合作正在從結(jié)構(gòu)解析探索至更深刻的問題。

“我們一直是對機理非常感興趣的，到現(xiàn)在為止，就TRP通道來說，比如熱是如何引起它的激活仍然還不是很清楚，當然也有很多人在研究這方面，所以我們也是希望進行更多的研究。”程亦凡談到，從蛋白結(jié)構(gòu)來講，現(xiàn)在大部分對TRP通道的研究，還是注重在通道本身，“肯定是還有很多深入的問題或者更廣的問題?！?/p>

就在距離諾獎結(jié)果揭曉不到一個月的9月7日，頂級學術(shù)期刊《細胞》（Cell）在線發(fā)表了程亦凡團隊和朱利葉斯實驗室又一篇合作研究論文，研究團隊在施加不同天然刺激物和模擬不同生理環(huán)境的條件下，借助單顆粒冷凍電鏡技術(shù)分別解析了TRPV1一系列的中間態(tài)構(gòu)象和激活機制，觀察到多種關(guān)閉和開放狀態(tài)。

該研究揭示了與多重配體作用位點偶聯(lián)相關(guān)的結(jié)構(gòu)元件，比較了不同大小陽離子通過時的蛋白行為，探討了激動劑與內(nèi)源脂類分子競爭結(jié)合位點的計量關(guān)系，同時也描述了酸條件下的蛋白構(gòu)象重排。

程亦凡表示，科學研究的難或是易，這取決于我們問的問題?！氨热缯f，在過去我們覺得解出一個結(jié)構(gòu)，就知道了蛋白是怎么樣的。但是蛋白都是動態(tài)的，那么我們現(xiàn)在不光是解決它的結(jié)構(gòu)，想知道這個蛋白到底是怎么發(fā)揮功能的，它在動態(tài)下是一種什么樣的形式，它有什么樣的轉(zhuǎn)變，從一個狀態(tài)到另一個狀態(tài)中間又是經(jīng)過一些什么樣的過程？”

正是諸如此類的遞進式探索，從2013年至今，兩個實驗室單單就TRPV1已合作發(fā)表了4篇文章，“我們在一步一步地想著把這更多的問題研究清楚，這個通道是怎樣去激活的。”

在程亦凡看來，技術(shù)手段和科學問題實際上都在互相促進，技術(shù)的進步，就能夠讓你嘗試去問一些更深層的問題，“回答更深刻的問題以后，它同樣會引發(fā)你去思考更深刻一層的問題，這時候又需要更進一步的技術(shù)手段?！?/p>

“過去除通道本身外有些東西都不是太重視，也是因為技術(shù)手段還沒到那里，現(xiàn)在技術(shù)上有進一步的提高的話，我們能夠更多地去解析這種動態(tài)的過程，這對我們的認知是有非常大的幫助?！?/p>

類似的瓶頸不會徹底消失，“你問的問題更深了，那么你的問題在現(xiàn)有的技術(shù)條件下恐怕會顯得更難，所以說需要更多地推進技術(shù)上的進步，才能夠去回答一些更深刻的問題?！背桃喾舱劦?，技術(shù)手段和科學問題的交替深入，都是互相融合在一起，很難將之分開。

程亦凡甚至提到，就現(xiàn)階段而言，至少他自己的實驗室還沒有把精力放在藥物發(fā)現(xiàn)這一部分。“如果說我們對它的機制能夠有很好的理解的話，也許我們可以想出一種辦法，能夠抑制某種因素產(chǎn)生的疼痛，同時不影響其他功能。但是是不是能夠做得到，現(xiàn)在還都是未知數(shù)?！?/p>

不過，他也相信一點，這種基礎(chǔ)研究的發(fā)展，也許最終會為藥物發(fā)現(xiàn)的研發(fā)提供一些新的思路和線索。

值得一提的是，冷凍電鏡技術(shù)從2013年的震驚科學界，到現(xiàn)在不過短短8年時間，身處其中的一部分人卻已開始“軍心動搖”。谷歌旗下人工智能公司DeepMind在去年12月投下重磅，他們開發(fā)的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的新模型AlphaFold2擊敗對手，在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測準確性方面達到接近人類實驗結(jié)果，讓整個結(jié)構(gòu)生物學界震驚。今年以來，人工智能在預(yù)測蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)方面的繼續(xù)進步，讓外界不禁發(fā)問：結(jié)構(gòu)生物學家們真的要“失業(yè)”了？

作為結(jié)構(gòu)生物學界的領(lǐng)軍人物，程亦凡主動提及了這一最新風向?！霸谶^去的這一年里面，冷凍電鏡或者說結(jié)構(gòu)生物學，實際上受到了很大的影響，很多從事實驗結(jié)構(gòu)生物學的一些人，特別是學生，會覺得以后這個領(lǐng)域可能沒有很大的前途，但是實際上情況往往并不是這樣的。”

在他看來，如果目的僅僅是要解結(jié)構(gòu)，那恐怕上述的擔憂是成立?！耙驗橐院髱缀跛械牡鞍踪|(zhì)結(jié)構(gòu)都可以被預(yù)測，哪怕預(yù)測得不對，無非就是說它的預(yù)測不對，或者說它不會很精確，僅此而已?！?/p>

但是如果目的是我們關(guān)于生物的問題，那么結(jié)構(gòu)只是中間的一個手段，結(jié)構(gòu)生物學一定還會有它長期的存在意義。程亦凡補充強調(diào)，“過去也許很多人就滿足于解一個結(jié)構(gòu)、發(fā)一篇好的文章，現(xiàn)在和將來應(yīng)該是更加注重以問題為主，你到底是要想研究什么樣的問題？”

程亦凡堅信，從結(jié)構(gòu)生物學的角度而言，技術(shù)仍然會帶來很多更深刻的影響。