泛素-蛋白酶体体系（Ubiquitin-Proteasome System，简称UPS）是细胞内最重要的蛋白质降解通路，对维持生物体内蛋白质的浓度平衡，以及对调控蛋白、错误折叠或受到损伤的蛋白的快速降解起着至关重要的作用，参与了细胞周期、基因表达调控等多种细胞进程，由UPS失常引发的蛋白质新陈代谢异常与众多人类重大疾病直接相关。2004年，Aaron Ciechanover, Irwin Rose和Avram Hershko三位科学家被授予了诺贝尔化学奖，以表彰他们对该降解通路的发现。UPS中蛋白酶体是细胞中最基本的、最重要的不可或缺的、最为复杂的大型全酶超分子复合机器之一，人源蛋白酶体全酶包含至少33种不同的亚基，总原子质量约为2.5MDa。美国FDA批准的多种治疗癌症的药物分子即以蛋白酶体为直接靶标。近年来，随着冷冻电镜技术的发展和应用，人们对这一大分子机器的结构和功能研究得以不断深入。2016年，毛有东课题组与合作者报道了人源蛋白酶体基态的3.6Å冷冻电镜结构及其他三个亚纳米分辨构象，并首次发现一个亚稳态构象的核心颗粒（Core Particle，简称CP）底物转运通道处于开放状态（见PNAS 2016, 113: 12991-12996）。2018年4月，该课题组又报道了6个ATPγS结合状态下的26S动态结构，包括三个CP开放态对应的亚稳简并态近原子分辨（4~5Å）结构（见Nature Communications 2018, 9: 1360）。尽管这些工作揭示了蛋白酶体的基本架构和内在运动行为，但由于缺乏蛋白酶体与底物之间的相互作用，人们对于蛋白酶体如何实现底物降解的原子水平工作机制仍一无所知。此外，尽管冷冻电镜技术近年来广泛应用于分析具有动态特征的蛋白复合体结构和平衡态构象，但对其中间态结构和非平衡构象分析的分辨率水平往往局限在4～6埃或更低，离真正的全原子水平动力学分析还有相当一段距离。 为了真正实现原子水平的蛋白酶体底物降解动态过程的冷冻电镜三维重建和动力学表征，毛有东课题组攻克了两大技术难题。其一，如何在蛋白酶体完成底物降解之前抓到它的所有可能的中间态构象？课题组发展了一种新颖的核酸置换法，利用ATPγS降低AAA-ATPase激酶水解活性的特点，在底物降解中间过程，通过将ATP快速置换成ATPγS，结合快速冷冻的优势，从而扑捉到蛋白酶体在底物降解过程的中间态。其二，如何在从冷冻电镜数据中分析出更多构象的同时，还把分辨率做到3埃甚至更好？课题组通过多年持续努力，发展了多种基于人工智能和机器学习的冷冻电镜图像聚类的新型算法，并针对蛋白酶体的动力学特征，设计了一套极其有效的整合了多种算法的多构象分类流程。通过这两套技术方案的完美结合，课题组成功解析了人源蛋白酶体在降解底物过程中的七种不同的、但差别甚微的、高分辨原子水平的天然态构象（Native states），完整展示了蛋白酶体从泛素结合到去泛素化，再到底物转运的动态过程。与同期在Science上发表的与底物结合的酵母蛋白酶体的4.2-4.7埃冷冻电镜结构（Science doi: 10.1126/science.aav0725，来自加州伯克利分校和Scripps研究所）相比，该Nature论文不仅总构象数量多一倍，全部构象分辨率还高1-2埃。由于Science论文采用了抑制Rpn11去泛素活性的策略，其非天然态结构中底物并不能真正自由转运，所推测的机理仅限于底物转运这一步，对于其他三大Nature论文所回答重要问题均无法给出答案。这体现了该Nature论文不仅在实验方法的原创性上和数据分析水平和质量上，更在科学发现和问题探究的深度和广度上大幅超越了来自Science的竞争性论文。图一 七个利用冷冻电镜解析的精细原子结构完整揭示了从泛素识别、去泛素化反应、转运启动和持续降解的核心功能动态过程。 作为整个蛋白酶体的动力来源与运转核心，AAA-ATPase激酶分子马达展现出了三种不同的核苷酸水解协作模式，6个ATPase亚基协调工作，交替与底物发生相互作用。在去泛素化过程（EB态）中，处于对立位置的两个ATPase亚基Rpt2与Rpt4水解ATP，而Rpt5与Rpt6则释放ADP，ATPase内的底物转运通道被打开，使得底物可以进入轴心通道；与此同时，去泛素化酶Rpn11亚基与泛素及底物发生相互作用，执行其作为去泛素化酶的功能；在转运起始过程（EC态）中，相邻的两个ATPase亚基Rpt1与Rpt5会同时水解ATP，调控颗粒（Regulatory Particle，简称RP）发生大规模转动并释放泛素；在底物去折叠与转运过程（ED态）中，三个相邻的ATPase亚基会分别同步进行ATP的结合、ADP的释放与ATP的水解，这一过程会单向传递下去，将ATP水解释放的化学能转换为机械能，使得相应的ATPase亚基发生刚体转动，推动底物的去折叠和单向输运，同时CP的转运通道入口打开，底物被送入通道中进行降解。这些研究结果为几十年来对蛋白酶体功能的研究提供了宝贵的第一手原子结构和动力学信息，对于理解生物体内蛋白质的降解过程和一系列负责物质输运的ATPase马达分子的一般工作原理具有极为重要的科学意义。

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一、项目分类 关键核心技术突破 二、成果简介 蛋白质类材料具有良好的生物相容性和优异的生物活性，在医用材料领域有着广泛的应用。多种材料已在临床前动物实验中证实了其优异的生物活性。现有蛋白材料多从天然生物来源中提取，理化性质不稳定，材料性质难以理性设计。本技术利用合成生物学技术和化学修饰技术，建立了从分子结构到材料性质均能理性设计的蛋白材料研发平台，发展了多种具有智能响应性和独特理化性质的生物医用蛋白材料，包括具有非天然催化活性的酶制剂、能够用于伤口修复和药物缓释的可注射蛋白凝胶、多功能靶向抗肿瘤蛋白纳米药物、3D打印蛋白植入材料等。

抗感染功能蛋白质的发现与应用由山东大学微生物技术国家重点实验室谷立川教授团队研发，主要成果为：1. 抗铜绿假单胞菌功能蛋白质PslG，纳摩尔浓度可以降解>80%生物被膜并使其耐药性降低一个数量级。2. 抗龋齿功能蛋白，龋齿发病率>40%，全球累计20亿人收到影响。化学杀菌药物副作用太大，甚至会火上浇油。抗龋齿蛋白质第一次可以实现精准破坏压菌斑而不影响人体正常菌群。3. 抗生殖道感染功能蛋白质，与抗生素治疗相比，特异性攻击病原菌，对人体正常菌群没有任何不良影响。

拓扑在数学上指图形在连续形变中所保持不变的空间性质，在化学领域则被用来描述分子在不断裂化学键的前提下保有的原子间和链段间的连接关系和空间关系。在高分子中，拓扑结构常常是调控高分子物理性能与功能的重要参数。在生命体系中，由于受到其生物合成机制的限制，新生蛋白质的主链拓扑结构均为线性结构。然而，从自然界中存在的少数非线性拓扑蛋白质（如套索蛋白、打结蛋白以及索烃蛋白等）的例子中，人们发现拓扑结构可赋予蛋白质额外的稳定性和生物功能，因此拓扑调控可成为蛋白质工程的一种新的策略。目前，人工设计的拓扑蛋白质结构仍然较少，其合成方法单一，亟需发展新的合成方法，以适应更多样、更复杂的拓扑结构的制备。 

该成果获 2012 年江苏省人民政府科学技术三等奖。本项目立足我国蛋白质饲料资源短缺、人畜争粮、饲料蛋白质利用率低和粪便中含氮物质排放污染环境等现实问题，依据反刍动物瘤胃微生态营养生理原理，开展了以提高饲料蛋白质利用率、减少粪尿氮排放等为主要目标的系列研究。研究取得了提高牛、羊饲料蛋白质饲料利用和控制粪尿中氮排放的原创性的技术成果和产品。

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内含子是基因中不具有编码作用的片段，它会被转录到前体RNA中，但在mRNA加工过程中被剪切掉，而内含子剪切是真核生物mRNA成熟的关键步骤。在酵母中，当RNA聚合酶II(Pol-II)转录到内含子下游45nt时已经有一半的内含子完成了剪切。但高等真核生物，尤其植物中RNA共转录剪切速率，剪切状态和其他RNA加工过程之间的关系又是什么样的呢？为解答这一疑惑，翟继先课题组开展了系列研究分析。

利用结构生物学和生物信息学手段设计融合蛋白的构建方式，通过生物制备获得融合蛋白，结合生物反应器工程技术和生物过程智能控制技术，建立大规模制备融合蛋白的工艺，实现长效药物蛋白的生产和临床应用。其中长效多肽/蛋白类药物的发酵水平达 1g/L,纯化得率达 20%,体内半衰期较第一代基因工程药物提高 30 倍以上。 

截止到2020年3月3日11时23分，我国累计已有新冠肺炎病例80302例，死亡2947人。我国的疫情防控已渐渐向好，但其它多个国家的疫情则呈快速上升和爆发趋势，引起了强烈关注，世界卫生组织总干事谭德赛28日在日内瓦宣布将新冠肺炎疫情全球风险级别由此前的高上调至非常高。基于流行病学数据，多名国内外专家预计新冠肺炎可能会长期流行。为了实现最终的有效防控，新冠肺炎的基础研究必须要迅速得到加强，其中尤为重要的两个方面是：1.对新冠肺炎康复人员血清中病毒特异性抗体的系统性分析；2.对病原-宿主相互作用的全局性研究。通过这些研究将可提供全面的免疫响应数据及提示病毒蛋白质的功能，为疫苗研发、中和抗体制备以及药物靶点的确定提供重要线索，进而加速新冠肺炎关键研究的进程。系统性的分析需要强力工具，包含新型冠状病毒（SARS-CoV-2）绝大多少甚至所有蛋白质的蛋白质组芯片是一个极佳的选项。据BioArt独家消息，上海交通大学系统生物医学研究院陶生策团队传来好消息。该团队对新型冠状病毒的全部27个预测的基因进行了密码子优化，并通过全基因合成得到了一套完整的表达克隆。经过多轮优化，到目前为止已成功表达纯化了其中的17个蛋白质，同时整合其他来源，该团队最终获得了20个新型冠状病毒的蛋白质。在此基础上于3月2日14时14分完成了首款新型冠状病毒蛋白质组芯片的构建（图1）。图1. 新型冠状病毒蛋白质组芯片。A. 芯片整体质控。一张芯片上有14个相同的点阵，可最多用于14个样本的同步分析；B. 点阵中蛋白质的排布；C. 实际样本的初步测试结果。新型冠状病毒蛋白质组芯片对于深入研究病毒-宿主相互作用、病人的病毒特异性血清反应、疫苗效果等具有重要价值。该团队将秉持开放的心态，积极地与相关科研团队和科技企业合作，争取在最短的时间内最大程度地发挥蛋白质组芯片的高通量全局性分析优势，以期对疫情防控有所帮助。该芯片的主要应用点包括但不限于：1. 血清学分析。采用该芯片分析病人和康复人员血清或血浆，可全面地研究新型冠状病毒引发的病毒特异性抗体响应及其动态变化，将帮助我们理解机体的免疫响应过程，发现病毒的优势蛋白抗原，对确定哪些康复人员的血浆有更好的保护效果可能也会有帮助。2. 疫苗评估。疫苗的作用是预先建立免疫防御能力。无论是动物实验或是临床试验，动态监控疫苗注射后血清中针对各种蛋白组分的抗体水平，并将其与防御能力进行关联分析，将助力疫苗的筛选和前期评估，加速疫苗的开发进程。3. 病毒-宿主相互作用研究。利用该芯片可在全局水平上进行宿主关键蛋白与病毒蛋白质相互作用研究、翻译后修饰调控研究，以助力对病毒侵染、复制合成等关键机制的揭示，并给出有潜力的靶蛋白用于药物开发研究。该团队积极响应国家号召，把研究成果第一时间公开，希望能有助于疫情防控，详细数据和进一步结果将会在近期发布。