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法国让·皮埃尔·埃贝尔结构生物学研究所IBS
2010-09-17 | 文章来源: | 浏览次数:  |

法国的结构生物学研究中心

1992年初,法国国家科学研究中心CNRS(Centre National de Recherche Scientifique)和法国原子能委员会CEA(Commission d’Energie Atomique)为研究生物基本机制这一重要和充满活力的新学科,在格勒诺布尔(Grenoble)创建了结构生物学研究所IBS(Institut de Biologie Structurale Jean-Pierre Ebel),与欧洲同步辐射设施(ESRF)、劳厄·朗之万研究所(ILL)、欧洲分子生物实验室(EMBL)法国分站等科研机构相毗邻,同在格勒诺布尔的“科学多边形”半岛上。

1999年,约瑟夫·傅立叶大学UJF(Université Joseph Fourier de Grenoble)加入合作。实验室开放之初,由让·皮埃尔·埃贝尔(Jean-Pierre Ebel)教授统一领导,故因此命名。2007年1月,1994-2001年任IBS所长的Michel van der Rest教授被任命为法国太阳SOLEIL同步辐射光源总经理。

 L'IBS sur le Polygone scientifique

IBS在法国地图上的位置     IBS在“科学多边形”半岛上的位置

IBS的经费一半由其3大成员:法国国家科学研究中心(CNRS)、原子能委员会(CEA)、约瑟夫·傅立叶大学(UJF)和法国研究部(Ministère de la Recherche)提供;另一半则以签署合同的形式,分别来自罗纳——阿尔卑斯大区、癌症研究协会(ARC)、国家艾滋病和病毒性肝炎研究会(ANRS)、国家癌症防治联盟(Ligue Nationale contre le Cancer),以及各大工业集团和来自欧洲的赞助。

IBS面向欧洲,进行跨生物、物理、化学等多学科领域的研究,主要致力于以医学和环境学相关的生物大分子,特别是蛋白质结构、特征和功能的研究,包括细胞分裂、免疫和宿主病原体的相互作用,以及极端环境适应性等3大课题。它拥有世界独一无二的现代高新技术力量:

1.一系列“从基因到结构”的结构生物学平台:克隆、生产(ROBIOMOL)、表达和纯化测试、质检、结晶、X射线结晶学、同位素标记(核磁共振)。

2.设备:电子显微学(确定分子复合体的外层结构);BIOcore平台、超离心分析仪、质谱仪(研究分子间相互作用);四维时间圈显微镜(定位活性细胞中蛋白质)。

3.一整套实验方法:氨基酸分析、圆振二向色谱、测序、质谱和一维核磁共振用于蛋白质质量检测。

IBS不仅是法国的结构生物学研究中心、技术平台,也是人才培养和科学交流的基地。目前,IBS由9个实验室以及3个青年团队组成,聚集了约230名科学家、工程师、博士、博士后和实习生。

IBS办公楼

2002年,IBS与邻近的欧洲同步辐射设施(ESRF)、劳厄·朗之万研究所(ILL),欧洲分子生物实验室(EMBL)法国分站共同组建了结构生物学联合体(PSB)。PSB的主要任务是开展与人类疾病相关的分子研究,特别是蛋白质的高通量结构解析。该研究也是罗纳——阿尔卑斯大区的Genepole项目之一。

 

IBS、ESRF、ILL、EMBL位置图

在其框架下,IBS完善了基因克隆,蛋白质生产、定性、结晶和结构解析平台,以开展可溶性蛋白与膜蛋白的生产和定性,大分子相互作用分析,蛋白质和大分子复合体动力学等研究。这些平台同时被列入法国健康生物学和农学基础设施IBiSA(Infrastructures Biologie Santé et Agronomie)。

PSB和IVMS(分子和结构病毒学研究所)共享的CIBB大楼2006年初落成后,IBS的大部分实验室都搬至该楼中。其中,核磁共振实验室(LRMN)在此安装了同位素标记设施;分子酶学实验室(LEM)与蛋白质结晶和结晶生成实验室(LCCP)的科学家们联手组建了一支新团队,致力于适应性免疫分子机制和先天免疫的报警机制。CIBB实验大楼因此成了法国的结构生物学中心,也为格雷诺布尔地区成为国际卓越的结构生物学基地更迈近了一步。

Batiment PSB/IVMS depuis le rond-point principal

CIBB大楼

结构基因组学是一门用结构生物学方法研究整个生物体、整个细胞或整个基因组中所有的蛋白质和相关蛋白质复合物的三维结构的学科。主要利用实验方式(X射线晶体学、核磁共振谱学和电子显微学)来测定蛋白质结构,同时结合同源建模(homology modelling)这一计算方式来推测蛋白质结构。和传统结构生物学不同的是,利用结构基因组学所测定的蛋白质结构通常是功能未知的蛋白质。这令科学家创立了结构生物信息学,利用三维结构信息来预测蛋白质功能。结构基因组学重视快速、高通量(high throughput)的蛋白质结构测定,国际上已启动了多个蛋白质结构测定计划,而同步辐射设施正是实现这一目标的重要实验装置之一。

蛋白质结构启动计划PSI(Protein Structure Initiative):1999年由美国国家卫生研究院发起,在美国设立了九个结构基因组研究中心,目标是10年(2001年-2010年)解析10000个蛋白质的三维结构,第一期计划顺利结束,2006年开始了第二期计划(PSI-2)。

欧洲结构蛋白质组计划SPINE(Structural Proteomics in Europe):2002年启动,第一轮计划(2002年-2006年)由欧盟第五框架计划资助,共完成了308个新蛋白质结构的测定;第二轮计划(SPINE2-Complexes)由欧盟第六框架计划资助,致力于解析蛋白质复合物的三维结构。

蛋白质3000计划:2002年由日本文部科学省启动,目标是了解3000个与新药开发相关的蛋白质结构和功能。

中国结构基因组计划:2002年由中科院启动。第一轮为“造血干细胞及血液系统疾病相关蛋白质的结构基因组学研究”,由中国科学技术大学牵头,中科院生物物理研究所、上海生命科学研究院参加;作为“人类肝脏蛋白质组计划”的重要组成部分,第二轮计划于2005年开始,在中科院生物物理研究所、中科院上海生命科学院、中国科学技术大学、清华大学和北京大学展开。

IBS的实验室及团队

IBS目前分为9个实验室及3个研究团队,涉及结构生物学各方面。一些实验室仍在重组中,准备细化成20多个研究团队。

1.分子生物物理实验室LBM:Molecular Biophysics Lab

2.蛋白质结晶和结晶生成实验室LCCP:Protein Crystallography and Crystallogenesis Lab

3.建模和模拟实验室LDM:Modelling and Simulation Lab

4.分子酶学实验室LEM:Molecular Enzymology Lab

5.大分子工程实验室LIM:Macromolecular Engineering Lab

6.结构电子显微学实验室LMES:Structural Electron Microscopy Lab

7.细胞骨架蛋白实验室LPC:Cytoskeletal Protein Lab

8.核磁共振实验室LRMN:Nuclear Magnetic Resonance Lab

9.膜蛋白实验室LPM:Membrane Protein Lab

10.蛋白质动力学和灵活性研究团队:Protein Dynamics and Flexibility Group

11.感染与疾病的分子机制研究团队:Molecular Mechanisms of Infection and Disease Group

12.细菌病理学研究团队:Bacterial Pathogenicity Group

IBS的各个实验室和团队围绕课题,紧密配合,汇集资源和尖端技术,并积极加强与国际科学界和工业界合作,使IBS日益呈现出活跃的科研氛围,并引领了世界顶级科学期刊的出版。

一些期刊封面

IBS的技术平台

1.基因克隆平台

分子生物学和蛋白质表达的自动化装置RoBioMol:安装在大分子工程实验室(LIM)。它与格勒诺布尔的PX (Protein’eXpert)Therapeutics公司开展合作,提供自动编制质粒、基因克隆、蛋白质表达和纯化测试和定向突变等服务。获得的数据通过法国原子能委员会(CEA)开发的专用软件(RoBioLIMS)进行处理和管理。

 

基因克隆平台

2.蛋白质定性平台

(1)氨基酸分析仪。

(2)N端测序仪:IBS拥有应用生物系统的测序仪,492型、梯度140C、检测器785A,用于溶液态样品或聚偏氟乙烯膜转移模式的样品分析鉴定。N端测序仪使用埃德曼·伊尔莎和贝格提出和发展的周期性程序,经耦合,裂解和转化三步骤使氨基酸从蛋白质N端一一分离出来,变成乙内酰脲衍生物。

(3)质谱仪:IBS共有4台,用于蛋白质质检和蛋白质表达、突变、分离的监控。

¨ESI-trap:用于蛋白质分解后的蛋白质成像。

¨Waters Q-TOF:灵敏度高、分辨率好、准确性强,进行蛋白质表达和纯化后质检。

¨Agilent LC/MSD TOF:具有高精确度和高分辨率的质检法,可用于小规模蛋白质样品检测。

¨MALDI-TOF:用于少量蛋白质和肽的质检。

(4)一维核磁共振:用于分析蛋白质折叠程度和聚合状态。

 

* 共振峰的分布表明蛋白质结构:高峰表示结构紧凑

* 共振峰的宽度提供了有关蛋白质聚合状态信息

(5)超离心分析仪:用于研究离心力下的水溶性大分子。分子生物物理实验室(LBM)拥有法国唯一的一台水动力平台,配备吸收和干扰双检测系统的超离心机XLA/XLI型,可同时检测7个分子样本。

(6)SPR(BIOcare技术):用于实时研究分子间相互作用。IBS共有4台同类设备:

¨2台Biacore 3000:自动注入,4条线可同时运行。

¨1台Biacore X:手动注入,2条线可同时运行。

¨1台Biacore 1000:自动注入,独立的4条线。

(7)质量监控电子显微镜:用于检测样本的同质性,确定蛋白质的聚合程度等。

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氨基酸分析仪      N端测序仪       质检仪

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一维核磁共振    超离心分析仪    SPR      质量监控电子显微镜

3.全自动蛋白质结晶平台

该平台只向格勒诺布尔科学界开放。2002年8月开始运行,至今已经为诸多实验室解析了500多种蛋白质和蛋白质复合体。IBS与欧洲分子生物实验室(EMBL)格勒诺布尔分站开展了有关高流量蛋白自动结晶的合作。

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蛋白质结晶

4.结构和动力学平台

(1)冷冻电子显微三维结构。

(2)同位素标记设施。

(3)800MHz高场核磁共振谱仪平台:1999年引进。其中的脉冲序列库(Biopack)可用于研究液态的生物分子,特别是蛋白质和核酸的同核和异核试验记录。为了保持常新的高技术水平,2005年又安装了被称为“冷冻基因”的新一代高敏感性探测器。

(4)FIP和IN13:IBS在欧洲同步辐射设施(ESRF)上使用光束线站CRG-FIP,用于生物大分子结晶研究。该光束1999年开通,提供优质的X射线光源,包括聚焦、能量分辨。IBS还在ILL中子光源上管理一条非弹性中子散射线站CRG IN13,并与利昂-布里渊实验室(Laboratoire Léon Brillouin)合作,进行生物大分子动态研究。

(5)Cryobench:运用紫外可见光谱和拉曼光谱检测纳米量级的生物样品技术。包括:

¨微光度法:吸收,荧光,荧光寿命,拉曼光谱。

¨光敏样品的光化激发。

¨蛋白晶体在低温或室温下溶液态蛋白晶体。

¨研究金属蛋白的氧化还原状态。

¨研究X 射线引起的损伤。

¨研究蛋白晶体或彩色配体晶体或溶液态蛋白。

¨结晶动力学。

¨在ESRF上的MX光束线站进行在线光谱测试。

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电子显微镜      高场核磁共振仪    FIP

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IN13       Cryobench

IBS在PSB中的两大重要课题

1.解析细胞分裂机制,推进癌症学和抗生素耐药性研究

此为5年期计划项目,旨在发现阻止激酶活动或阻扰蛋白质之间相互作用的新分子。欧盟共拨款1750万欧元,其中1/10到位IBS实验室,尤其是核磁共振实验室。它在PSB框架下,成立了同位素标记实验室。

2.免疫研究

人类的健康始终受到各种细菌、病毒、寄生虫的威胁,但是天生的免疫系统使我们免遭其祸。然而,这第一道健康防线实际上动员了众多蛋白质,它们从微生物的表面即识别了有害分子的信息。

在CIBB的IBS实验室,许多这种健康防护蛋白质越来越受到关注。科学家们期望更详尽地了解它们的防御机制,使人类更有效的抵抗感染和疾病。

近年重大科学成果及专利

1.大分子工程实验室(LIM)、结构电子显微学实验室(LMES)和细菌病理学研究团队共同破解了肺炎球菌菌毛的生物合成机制,一种新的抗生素有望问世,用于治疗链球菌感染引起的肺炎。现在,每年死于该症的人超过160万。另外,链球菌还是败血症、脑膜炎等的病原体。

2.耐氧氢的设计:2009年,蛋白质结晶和结晶生成实验室(LCCP)的“金属蛋白”团队设计和确定了镍铁氢突变的特性。不同于野生型酶,它保留了在分子氧存在条件下催化的活性。这是酶应用于生产干净氢气迈出的重要一步,即从水和阳光中获得未来的能源。论文发表在《美国化学学会》杂志上。

2010年,该实验室又揭开了世界最古老的酶—金属酶,一类代谢不同气体的蛋白质的结构和功能,并试图阐述生命起源时期这些蛋白与化学之间的联系。论文发表在《Nature》杂志上,也可在Nature的Web上查询。

3.蛋白质与糖共抗艾滋病毒VIH:IBS与巴斯德学院(Pasteur Institute)和奥尔塞(Orsay University)大学合作研究了一种新分子CD4-HS,能够阻止艾滋病毒进入细胞。不同于现在的治疗方式,即阻止VIH病毒的复制,新分子提供了一种很有前途的新治疗方法,即在病毒进入细胞前便加以阻止。CD4-HS的合成方式及反应机制发表在《Nature》杂志化学生物在线上。


CD4阻止了VIH病毒进入

4.组蛋白密码:IBS、EMBL和格勒诺布尔的Albert Bonniot研究所共同揭开了男性精子游动之快的秘密,这是人类孕育的关键。在人体中,精子是唯一游动的细胞,它的脱氧核糖核酸ADN是长长的臃肿的分子。为了获得超级水动力,ADN转为结构复杂的染色体,长链AND缠绕在组蛋白上。论文发表在《Nature》杂志上,表明一种只存在于精子中的蛋白质Brdt如何指挥着染色体的结构变化。

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BD1的原子结构

 

5.在ESRF的FIP线站上,通过高分辨率结晶学解析了与寡肽基质复合的VIH-1蛋白酶的实时三维结构。

6.C1抑制剂是一种调节蛋白酶,控制着先天免疫系统中许多蛋白酶的活动,以及血液凝固。它的反应剂丝氨酸蛋白酶抑制剂成功重组后,揭示了肝磷脂如何刺激蛋白酶的抑制活动。这一结果将有助于了解在控制炎症方面C1抑制剂的功能。

7.开发出一种新的标记方法,提升了核磁共振技术,使科学家们首次检测到生物大分子中非常微弱的反应,并从原子级研究大蛋白。

 

8. 膜蛋白实验室(LPM)开发了阻止HIV病毒细胞转移的分子:DC-SIGN。论文发表在《美国化学协会杂志》上(ASC Chemical Biology)。

 

9.将近40%的蛋白质存在一个无序的内部结构,传统的结构生物学仪器无法对它们进行破译。IBS的研究人员创新了一项核磁共振技术,成功开辟了结构基因组学的新领域。这一新技术将揭开在人类疾病中发挥关键作用的蛋白质的内在无序结构、功能以及它们之间的相互作用,为新药设计奠定基础。论文发表在2010年1月的《美国化学学会杂志》(Journal of American Chemical Society)上。

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一个内在结构无序的蛋白质:从简单的光谱信息转化为具有结构特性和活力的模型。

 

10.氨酰-tRNA合成酶(aaRSs)在蛋白质翻译过程中至关重要,催化特定的氨基酸附着其同源tRNA基因。为了确保正确的氨酰-tRNA的形成,从而提高翻译的可靠性,IBS的科学家们研究了一种亮氨酰-tRNA合成酶(Leucyl-tRNA synthetase)。论文发表在2010年3月的《美国化学学会杂志》上。

 

11. 肿瘤细胞增殖和存活中激酶的新型双重抑制剂:酪蛋白激酶2( CK2)和前病毒插入莫洛病毒激酶( PIM)都是在细胞分化,增殖和生存等多种过程中发挥关键作用的丝氨酸/苏氨酸激酶。非常有趣的是,在肿瘤形成过程中,它们以类似但不重叠的路径运动。这使得这些激酶的抑制作用可用于治疗,特别是治疗白血病,淋巴瘤或前列腺癌。

CK2和PIM激酶的新型双重抑制剂的结构解析

12.IBS已向欧洲专利局(EPO)提交了超过15项专利,6项正在办理中,10项继续生效的专利如下:

¨由耦合到阴离子的CD4受体而派生的共轭分子的多肽组成,用于艾滋病的治疗。

¨ CXCL12 Gamma的一个趋化因子及其用途。

¨镍铁耐氧增强的突变氢化酶。

¨样品从存储室到分析室自动转移的方法和装置,以及这一装置的使用。

¨增殖细胞抑制蛋白VPG,其中的片段或类似物及其应用。

¨从CD4受体衍生的新激活、纯化和分离的肽,及其制备过程。

¨作为抗癌因子的新二氢嘧啶衍生物及使用。

¨肺炎链球菌的小型蛋白PBP2X及应用。

¨与γ-干扰素相关的化合物,其制造工艺和相关药物。

¨抗艾滋病病毒组成,生产工艺和药品。

科普宣传

2010年6月28日,IBS举办了第五届科普宣传日,博士生们制作了二十多张介绍各个实验室课题的海报。此次会议同时揭晓了IBS新logo。

 

高能所科研处 中科院大科学装置办公室

资料来自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


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