法國的結構生物學研究中心

1992年初，法國國家科學研究中心CNRS（Centre National de Recherche Scientifique）和法國原子能委員會CEA（Commission d’Energie Atomique）為研究生物基本機制這一重要和充滿活力的新學科，在格勒諾布爾（Grenoble）創(chuàng)建了結構生物學研究所IBS（Institut de Biologie Structurale Jean-Pierre Ebel），與歐洲同步輻射設施（ESRF）、勞厄·朗之萬研究所（ILL）、歐洲分子生物實驗室（EMBL）法國分站等科研機構相毗鄰，同在格勒諾布爾的“科學多邊形”半島上。

1999年，約瑟夫·傅立葉大學UJF（Université Joseph Fourier de Grenoble）加入合作。實驗室開放之初，由讓·皮埃爾·埃貝爾（Jean-Pierre Ebel）教授統(tǒng)一領導，故因此命名。2007年1月，1994-2001年任IBS所長的Michel van der Rest教授被任命為法國太陽SOLEIL同步輻射光源總經(jīng)理。

 

IBS在法國地圖上的位置　　　  IBS在“科學多邊形”半島上的位置

IBS的經(jīng)費一半由其3大成員：法國國家科學研究中心（CNRS）、原子能委員會（CEA）、約瑟夫·傅立葉大學（UJF）和法國研究部（Ministère de la Recherche）提供；另一半則以簽署合同的形式，分別來自羅納——阿爾卑斯大區(qū)、癌癥研究協(xié)會（ARC）、國家艾滋病和病毒性肝炎研究會（ANRS）、國家癌癥防治聯(lián)盟（Ligue Nationale contre le Cancer），以及各大工業(yè)集團和來自歐洲的贊助。

IBS面向歐洲，進行跨生物、物理、化學等多學科領域的研究，主要致力于以醫(yī)學和環(huán)境學相關的生物大分子，特別是蛋白質(zhì)結構、特征和功能的研究，包括細胞分裂、免疫和宿主病原體的相互作用，以及極端環(huán)境適應性等3大課題。它擁有世界獨一無二的現(xiàn)代高新技術力量：

1．一系列“從基因到結構”的結構生物學平臺：克隆、生產(chǎn)（ROBIOMOL）、表達和純化測試、質(zhì)檢、結晶、X射線結晶學、同位素標記（核磁共振）。

2．設備：電子顯微學（確定分子復合體的外層結構）；BIOcore平臺、超離心分析儀、質(zhì)譜儀（研究分子間相互作用）；四維時間圈顯微鏡（定位活性細胞中蛋白質(zhì)）。

3．一整套實驗方法：氨基酸分析、圓振二向色譜、測序、質(zhì)譜和一維核磁共振用于蛋白質(zhì)質(zhì)量檢測。

IBS不僅是法國的結構生物學研究中心、技術平臺，也是人才培養(yǎng)和科學交流的基地。目前，IBS由9個實驗室以及3個青年團隊組成，聚集了約230名科學家、工程師、博士、博士后和實習生。

IBS辦公樓

2002年，IBS與鄰近的歐洲同步輻射設施（ESRF）、勞厄·朗之萬研究所（ILL），歐洲分子生物實驗室（EMBL）法國分站共同組建了結構生物學聯(lián)合體（PSB）。PSB的主要任務是開展與人類疾病相關的分子研究，特別是蛋白質(zhì)的高通量結構解析。該研究也是羅納——阿爾卑斯大區(qū)的Genepole項目之一。

 

IBS、ESRF、ILL、EMBL位置圖

在其框架下，IBS完善了基因克隆，蛋白質(zhì)生產(chǎn)、定性、結晶和結構解析平臺，以開展可溶性蛋白與膜蛋白的生產(chǎn)和定性，大分子相互作用分析，蛋白質(zhì)和大分子復合體動力學等研究。這些平臺同時被列入法國健康生物學和農(nóng)學基礎設施IBiSA（Infrastructures Biologie Santé et Agronomie）。

PSB和IVMS（分子和結構病毒學研究所）共享的CIBB大樓2006年初落成后，IBS的大部分實驗室都搬至該樓中。其中，核磁共振實驗室（LRMN）在此安裝了同位素標記設施；分子酶學實驗室（LEM）與蛋白質(zhì)結晶和結晶生成實驗室（LCCP）的科學家們聯(lián)手組建了一支新團隊，致力于適應性免疫分子機制和先天免疫的報警機制。CIBB實驗大樓因此成了法國的結構生物學中心，也為格雷諾布爾地區(qū)成為國際卓越的結構生物學基地更邁近了一步。

CIBB大樓

結構基因組學是一門用結構生物學方法研究整個生物體、整個細胞或整個基因組中所有的蛋白質(zhì)和相關蛋白質(zhì)復合物的三維結構的學科。主要利用實驗方式（X射線晶體學、核磁共振譜學和電子顯微學）來測定蛋白質(zhì)結構，同時結合同源建模（homology modelling）這一計算方式來推測蛋白質(zhì)結構。和傳統(tǒng)結構生物學不同的是，利用結構基因組學所測定的蛋白質(zhì)結構通常是功能未知的蛋白質(zhì)。這令科學家創(chuàng)立了結構生物信息學，利用三維結構信息來預測蛋白質(zhì)功能。結構基因組學重視快速、高通量（high throughput）的蛋白質(zhì)結構測定，國際上已啟動了多個蛋白質(zhì)結構測定計劃，而同步輻射設施正是實現(xiàn)這一目標的重要實驗裝置之一。

蛋白質(zhì)結構啟動計劃PSI（Protein Structure Initiative）：1999年由美國國家衛(wèi)生研究院發(fā)起，在美國設立了九個結構基因組研究中心，目標是10年（2001年－2010年）解析10000個蛋白質(zhì)的三維結構，第一期計劃順利結束，2006年開始了第二期計劃（PSI-2）。

歐洲結構蛋白質(zhì)組計劃SPINE（Structural Proteomics in Europe）：2002年啟動，第一輪計劃（2002年－2006年）由歐盟第五框架計劃資助，共完成了308個新蛋白質(zhì)結構的測定；第二輪計劃（SPINE2-Complexes）由歐盟第六框架計劃資助，致力于解析蛋白質(zhì)復合物的三維結構。

蛋白質(zhì)3000計劃：2002年由日本文部科學省啟動，目標是了解3000個與新藥開發(fā)相關的蛋白質(zhì)結構和功能。

中國結構基因組計劃：2002年由中科院啟動。第一輪為“造血干細胞及血液系統(tǒng)疾病相關蛋白質(zhì)的結構基因組學研究”，由中國科學技術大學牽頭，中科院生物物理研究所、上海生命科學研究院參加；作為“人類肝臟蛋白質(zhì)組計劃”的重要組成部分，第二輪計劃于2005年開始，在中科院生物物理研究所、中科院上海生命科學院、中國科學技術大學、清華大學和北京大學展開。

IBS的實驗室及團隊

IBS目前分為9個實驗室及3個研究團隊，涉及結構生物學各方面。一些實驗室仍在重組中，準備細化成20多個研究團隊。

1．分子生物物理實驗室LBM：Molecular Biophysics Lab

2．蛋白質(zhì)結晶和結晶生成實驗室LCCP：Protein Crystallography and Crystallogenesis Lab

3．建模和模擬實驗室LDM：Modelling and Simulation Lab

4．分子酶學實驗室LEM：Molecular Enzymology Lab

5．大分子工程實驗室LIM：Macromolecular Engineering Lab

6．結構電子顯微學實驗室LMES：Structural Electron Microscopy Lab

7．細胞骨架蛋白實驗室LPC：Cytoskeletal Protein Lab

8．核磁共振實驗室LRMN：Nuclear Magnetic Resonance Lab

9．膜蛋白實驗室LPM：Membrane Protein Lab

10．蛋白質(zhì)動力學和靈活性研究團隊：Protein Dynamics and Flexibility Group

11．感染與疾病的分子機制研究團隊：Molecular Mechanisms of Infection and Disease Group

12．細菌病理學研究團隊：Bacterial Pathogenicity Group

IBS的各個實驗室和團隊圍繞課題，緊密配合，匯集資源和尖端技術，并積極加強與國際科學界和工業(yè)界合作，使IBS日益呈現(xiàn)出活躍的科研氛圍，并引領了世界頂級科學期刊的出版。

一些期刊封面

IBS的技術平臺

1.基因克隆平臺

分子生物學和蛋白質(zhì)表達的自動化裝置RoBioMol：安裝在大分子工程實驗室（LIM）。它與格勒諾布爾的PX （Protein’eXpert）Therapeutics公司開展合作，提供自動編制質(zhì)粒、基因克隆、蛋白質(zhì)表達和純化測試和定向突變等服務。獲得的數(shù)據(jù)通過法國原子能委員會（CEA）開發(fā)的專用軟件（RoBioLIMS）進行處理和管理。

 

基因克隆平臺

2.蛋白質(zhì)定性平臺

（1）氨基酸分析儀。

（2）N端測序儀：IBS擁有應用生物系統(tǒng)的測序儀，492型、梯度140C、檢測器785A，用于溶液態(tài)樣品或聚偏氟乙烯膜轉(zhuǎn)移模式的樣品分析鑒定。N端測序儀使用埃德曼·伊爾莎和貝格提出和發(fā)展的周期性程序，經(jīng)耦合，裂解和轉(zhuǎn)化三步驟使氨基酸從蛋白質(zhì)N端一一分離出來，變成乙內(nèi)酰脲衍生物。

（3）質(zhì)譜儀：IBS共有4臺，用于蛋白質(zhì)質(zhì)檢和蛋白質(zhì)表達、突變、分離的監(jiān)控。

¨ESI-trap：用于蛋白質(zhì)分解后的蛋白質(zhì)成像。

¨Waters Q-TOF：靈敏度高、分辨率好、準確性強，進行蛋白質(zhì)表達和純化后質(zhì)檢。

¨Agilent LC/MSD TOF：具有高精確度和高分辨率的質(zhì)檢法，可用于小規(guī)模蛋白質(zhì)樣品檢測。

¨MALDI-TOF：用于少量蛋白質(zhì)和肽的質(zhì)檢。

（4）一維核磁共振：用于分析蛋白質(zhì)折疊程度和聚合狀態(tài)。

 

* 共振峰的分布表明蛋白質(zhì)結構：高峰表示結構緊湊

* 共振峰的寬度提供了有關蛋白質(zhì)聚合狀態(tài)信息

（5）超離心分析儀：用于研究離心力下的水溶性大分子。分子生物物理實驗室（LBM）擁有法國唯一的一臺水動力平臺，配備吸收和干擾雙檢測系統(tǒng)的超離心機XLA/XLI型，可同時檢測7個分子樣本。

（6）SPR（BIOcare技術）：用于實時研究分子間相互作用。IBS共有4臺同類設備：

¨2臺Biacore 3000：自動注入，4條線可同時運行。

¨1臺Biacore X：手動注入，2條線可同時運行。

¨1臺Biacore 1000：自動注入，獨立的4條線。

（7）質(zhì)量監(jiān)控電子顯微鏡：用于檢測樣本的同質(zhì)性，確定蛋白質(zhì)的聚合程度等。

  

氨基酸分析儀　　　　　 N端測序儀　　 　　  質(zhì)檢儀

一維核磁共振　　　 超離心分析儀　　　 SPR　　　　　 質(zhì)量監(jiān)控電子顯微鏡

3.全自動蛋白質(zhì)結晶平臺

該平臺只向格勒諾布爾科學界開放。2002年8月開始運行，至今已經(jīng)為諸多實驗室解析了500多種蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)復合體。IBS與歐洲分子生物實驗室（EMBL）格勒諾布爾分站開展了有關高流量蛋白自動結晶的合作。

蛋白質(zhì)結晶

4.結構和動力學平臺

（1）冷凍電子顯微三維結構。

（2）同位素標記設施。

（3）800MHz高場核磁共振譜儀平臺：1999年引進。其中的脈沖序列庫（Biopack）可用于研究液態(tài)的生物分子，特別是蛋白質(zhì)和核酸的同核和異核試驗記錄。為了保持常新的高技術水平，2005年又安裝了被稱為“冷凍基因”的新一代高敏感性探測器。

（4）FIP和IN13：IBS在歐洲同步輻射設施（ESRF）上使用光束線站CRG-FIP，用于生物大分子結晶研究。該光束1999年開通，提供優(yōu)質(zhì)的X射線光源，包括聚焦、能量分辨。IBS還在ILL中子光源上管理一條非彈性中子散射線站CRG IN13，并與利昂-布里淵實驗室（Laboratoire Léon Brillouin）合作，進行生物大分子動態(tài)研究。

（5）Cryobench：運用紫外可見光譜和拉曼光譜檢測納米量級的生物樣品技術。包括：

¨微光度法：吸收，熒光，熒光壽命，拉曼光譜。

¨光敏樣品的光化激發(fā)。

¨蛋白晶體在低溫或室溫下溶液態(tài)蛋白晶體。

¨研究金屬蛋白的氧化還原狀態(tài)。

¨研究X 射線引起的損傷。

¨研究蛋白晶體或彩色配體晶體或溶液態(tài)蛋白。

¨結晶動力學。

¨在ESRF上的MX光束線站進行在線光譜測試。

  

電子顯微鏡　　　　  高場核磁共振儀　　　 FIP

 

IN13　　　　　　 Cryobench

IBS在PSB中的兩大重要課題

1．解析細胞分裂機制，推進癌癥學和抗生素耐藥性研究

此為5年期計劃項目，旨在發(fā)現(xiàn)阻止激酶活動或阻擾蛋白質(zhì)之間相互作用的新分子。歐盟共撥款1750萬歐元，其中1/10到位IBS實驗室，尤其是核磁共振實驗室。它在PSB框架下，成立了同位素標記實驗室。

2．免疫研究

人類的健康始終受到各種細菌、病毒、寄生蟲的威脅，但是天生的免疫系統(tǒng)使我們免遭其禍。然而，這第一道健康防線實際上動員了眾多蛋白質(zhì)，它們從微生物的表面即識別了有害分子的信息。

在CIBB的IBS實驗室，許多這種健康防護蛋白質(zhì)越來越受到關注。科學家們期望更詳盡地了解它們的防御機制，使人類更有效的抵抗感染和疾病。

近年重大科學成果及專利

1.大分子工程實驗室（LIM）、結構電子顯微學實驗室（LMES）和細菌病理學研究團隊共同破解了肺炎球菌菌毛的生物合成機制，一種新的抗生素有望問世，用于治療鏈球菌感染引起的肺炎?，F(xiàn)在，每年死于該癥的人超過160萬。另外，鏈球菌還是敗血癥、腦膜炎等的病原體。

2.耐氧氫的設計：2009年，蛋白質(zhì)結晶和結晶生成實驗室（LCCP）的“金屬蛋白”團隊設計和確定了鎳鐵氫突變的特性。不同于野生型酶，它保留了在分子氧存在條件下催化的活性。這是酶應用于生產(chǎn)干凈氫氣邁出的重要一步，即從水和陽光中獲得未來的能源。論文發(fā)表在《美國化學學會》雜志上。

2010年，該實驗室又揭開了世界最古老的酶—金屬酶，一類代謝不同氣體的蛋白質(zhì)的結構和功能，并試圖闡述生命起源時期這些蛋白與化學之間的聯(lián)系。論文發(fā)表在《Nature》雜志上，也可在Nature的Web上查詢。

3.蛋白質(zhì)與糖共抗艾滋病毒VIH：IBS與巴斯德學院（Pasteur Institute）和奧爾塞（Orsay University）大學合作研究了一種新分子CD4-HS，能夠阻止艾滋病毒進入細胞。不同于現(xiàn)在的治療方式，即阻止VIH病毒的復制，新分子提供了一種很有前途的新治療方法，即在病毒進入細胞前便加以阻止。CD4-HS的合成方式及反應機制發(fā)表在《Nature》雜志化學生物在線上。

CD4阻止了VIH病毒進入

4.組蛋白密碼：IBS、EMBL和格勒諾布爾的Albert Bonniot研究所共同揭開了男性精子游動之快的秘密，這是人類孕育的關鍵。在人體中，精子是唯一游動的細胞，它的脫氧核糖核酸ADN是長長的臃腫的分子。為了獲得超級水動力，ADN轉(zhuǎn)為結構復雜的染色體，長鏈AND纏繞在組蛋白上。論文發(fā)表在《Nature》雜志上，表明一種只存在于精子中的蛋白質(zhì)Brdt如何指揮著染色體的結構變化。

BD1的原子結構

 

5．在ESRF的FIP線站上，通過高分辨率結晶學解析了與寡肽基質(zhì)復合的VIH-1蛋白酶的實時三維結構。

6.C1抑制劑是一種調(diào)節(jié)蛋白酶，控制著先天免疫系統(tǒng)中許多蛋白酶的活動，以及血液凝固。它的反應劑絲氨酸蛋白酶抑制劑成功重組后，揭示了肝磷脂如何刺激蛋白酶的抑制活動。這一結果將有助于了解在控制炎癥方面C1抑制劑的功能。

7.開發(fā)出一種新的標記方法，提升了核磁共振技術，使科學家們首次檢測到生物大分子中非常微弱的反應，并從原子級研究大蛋白。

 

8. 膜蛋白實驗室（LPM）開發(fā)了阻止HIV病毒細胞轉(zhuǎn)移的分子：DC-SIGN。論文發(fā)表在《美國化學協(xié)會雜志》上（ASC Chemical Biology）。

 

9.將近40%的蛋白質(zhì)存在一個無序的內(nèi)部結構，傳統(tǒng)的結構生物學儀器無法對它們進行破譯。IBS的研究人員創(chuàng)新了一項核磁共振技術，成功開辟了結構基因組學的新領域。這一新技術將揭開在人類疾病中發(fā)揮關鍵作用的蛋白質(zhì)的內(nèi)在無序結構、功能以及它們之間的相互作用，為新藥設計奠定基礎。論文發(fā)表在2010年1月的《美國化學學會雜志》（Journal of American Chemical Society）上。

 

一個內(nèi)在結構無序的蛋白質(zhì)：從簡單的光譜信息轉(zhuǎn)化為具有結構特性和活力的模型。

 

10．氨酰-tRNA合成酶（aaRSs）在蛋白質(zhì)翻譯過程中至關重要，催化特定的氨基酸附著其同源tRNA基因。為了確保正確的氨酰-tRNA的形成，從而提高翻譯的可靠性，IBS的科學家們研究了一種亮氨酰-tRNA合成酶（Leucyl-tRNA synthetase）。論文發(fā)表在2010年3月的《美國化學學會雜志》上。

 

11. 腫瘤細胞增殖和存活中激酶的新型雙重抑制劑：酪蛋白激酶2（ CK2）和前病毒插入莫洛病毒激酶（ PIM）都是在細胞分化，增殖和生存等多種過程中發(fā)揮關鍵作用的絲氨酸/蘇氨酸激酶。非常有趣的是，在腫瘤形成過程中，它們以類似但不重疊的路徑運動。這使得這些激酶的抑制作用可用于治療，特別是治療白血病，淋巴瘤或前列腺癌。

CK2和PIM激酶的新型雙重抑制劑的結構解析

12.IBS已向歐洲專利局（EPO）提交了超過15項專利，6項正在辦理中，10項繼續(xù)生效的專利如下：

¨由耦合到陰離子的CD4受體而派生的共軛分子的多肽組成，用于艾滋病的治療。

¨ CXCL12 Gamma的一個趨化因子及其用途。

¨鎳鐵耐氧增強的突變氫化酶。

¨樣品從存儲室到分析室自動轉(zhuǎn)移的方法和裝置，以及這一裝置的使用。

¨增殖細胞抑制蛋白VPG，其中的片段或類似物及其應用。

¨從CD4受體衍生的新激活、純化和分離的肽，及其制備過程。

¨作為抗癌因子的新二氫嘧啶衍生物及使用。

¨肺炎鏈球菌的小型蛋白PBP2X及應用。

¨與γ-干擾素相關的化合物，其制造工藝和相關藥物。

¨抗艾滋病病毒組成，生產(chǎn)工藝和藥品。

科普宣傳

2010年6月28日，IBS舉辦了第五屆科普宣傳日，博士生們制作了二十多張介紹各個實驗室課題的海報。此次會議同時揭曉了IBS新logo。

 

高能所科研處 中科院大科學裝置辦公室

資料來自http://www.ibs.fr/；http://eva.ibs.fr/content/ibs_eng/home/

http://www.ibs.fr/science/faits-marquants/2010/article/5eme-journee-scientifique-et