作者:杨艳萍 迟培娟 李泽霞 刘细文 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2018/3/20 16:03:28
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主要国家蛋白质科学设施战略发展分析及启示

 

蛋白质科学研究已成为生命科学的核心领域,并对人口健康、农业、环境生态、国家安全等重大问题产生重要影响,因此蛋白质科学研究及相关设施的建设已成为发达国家激烈竞争的热点。

一、 国际人类蛋白质组计划促进了蛋白质研究及相关设施的发展

国际人类蛋白质组研究组织(HUPO)于2001年成立并提出国际人类蛋白质组计划(Human Proteome Project,HPP)。该计划旨在绘制整个人类蛋白质组图谱,为疾病诊断和精准医疗奠定基础,是继国际人类基因组计划之后的又一项大规模的国际性科技工程。随后,欧洲、亚太地区都成立人类蛋白质组研究组织,全球各大研究机构达成广泛共识,有组织、有计划、分专题地全面实施人类蛋白质组计划,掀起了一股蛋白质研究热潮。截至2016年,美、中、德、瑞、英、加、日等国分别牵头实施了7个蛋白质组计划,涉及人类血浆、肝脏、脑蛋白质组,模式动物蛋白质组,糖蛋白质组和蛋白质组标准等。此外,国际人类蛋白质组组织还启动了生物信息学计划、蛋白质组关键技术研究计划等辅助计划。

同时,国际人类蛋白质组计划的实施也促进了大型蛋白质设施的发展。蛋白质科学研究的关键是实现大规模、高通量蛋白质的产生、结构分析和功能研究的一体化,建立大型蛋白质科学研究的基础设施是实现这一要求的必要手段。美国依托阿贡国家实验室先进光子源设施APS、劳伦斯伯克利国家实验室的先进光源ALS等大型装置成立了蛋白质研究中心,日本依托同步辐射光源设施SPring-8开展蛋白质结构解析的前沿研究,中国依托“上海光源”于2015年建立了国家蛋白质科学研究(上海)设施。

二、 主要国家纷纷加强蛋白质科学研究与设施的战略部署和资助力度

美国通过美国国立卫生研究院和美国能源部等机构加大对蛋白质科学研究的前瞻布局。在21世纪初期,美国国立卫生研究院(NIH)就在其发布的路线图中提出了“重点研究蛋白质及组成部分在体内的相互作用”等内容;美国能源部(DOE)将计算机在生物蛋白质折叠中的应用列为其优先发展计划之一。同时,美国加大了支持蛋白质研究资助力度。2000年以来,NIH至少投资了12.61亿美元部署了蛋白质结构计划(PSI)、癌症临床蛋白质组技术计划(CPTC)和临床蛋白质组计划等3项重大科学研究计划。DOE启动了“从基因组到生命GTL”的5年计划,将蛋白质及其复合体的功能以及相互作用网络作为主要研究内容之一。

欧盟通过两个层面开展蛋白质相关研究。欧盟通过基础设施战略论坛(ESFRI)等专门机构,统筹资源和引导建设具有欧盟标志的重大科技基础设施。ESFRI在其发布最新版研究基础设施路线图中,认为欧洲的生物医学领域应该大力整合可用于蛋白质组学的下一代测序技术、质谱平台、先进成像技术。欧盟成员国也分别制定了本国的基础研究设施路线图,推进蛋白质科学设施的部署及相关研究。同时,欧盟还通过研发框架计划持续资助健康和食品相关的蛋白质组研究,如酵母蛋白质组、机构蛋白质组、生物核磁共振项目以及蛋白质组分析高通量设施等。

日本是开展蛋白质功能和结构研究的早期国家之一。1998年,日本理化研究所成立“蛋白研究小组”率先进行蛋白质研究。随后,日本斥资1.6亿美元启动了“蛋白质3000”计划。2004年,日本文部科学省投资100亿日元研究人类生命的形成过程,主要研究蛋白质合成机理,以应用于新药开发。2007年,日本文部省启动总预算为371亿日元的靶向蛋白研究计划TPRR。

此外,澳、加等国也加强部署蛋白质相关研究。澳大利亚于1996年建立了世界上第一个蛋白质组研究中心APAF,并于2016年发布《国家研究基础设施路线图》,提出未来五年的重点资助领域包括高级同步加速器光束线、NMR等高级成像技术。加拿大也于1996年成立了国家蛋白质组研究中心,并于2008年向加拿大基因组公司拨款1.4亿加元以支持基因组学和蛋白质组学研究计划。

三、 美日欧等发达国家依托大装置开展蛋白质研究

美国基于国家重点实验同步辐射装置,建立了多个大型蛋白质科学研究设施。在阿贡国家实验室先进光子源设施APS中,美国建设了13条可以用于解析大分子晶体结构的光束线。同时,阿贡实验室耗资3450万美元在APS附近成立了蛋白质鉴定机构(Advanced Protein Characterization Facility,APCF),开展蛋白质的生产、特征解读和结晶分析。美国劳伦斯伯克利国家实验室的先进光源ALS共有8条光束线可用于解析大分子晶体结构。同时,该国家实验室成立了伯克利结构生物学中心,来对其中5条用于高通量蛋白质晶体学光束线进行管理和经营,并利用三维生物成像、蛋白质晶体学、生物样品的X射线显微术等技术开展相关研究。

欧盟依托ESRF等大装置开展蛋白质结构研究。2002年,由ESRF、劳厄-朗之万研究所(ILL)、欧洲分子生物学实验室(EMBL)和让·皮埃尔·埃贝尔结构生物学研究所(IBS)等4家毗邻机构组成的结构生物学联合体(PSB)正式成立,旨在开展欧洲及全球范围内蛋白质结构和功能的研发。此外,ESRF为能够长期致力于结构生物学方面的研究,还建成了全自动化蛋白质晶体学光束线站ID23。2017年9月,全球最大的X射线激光器European XFEL(欧洲X射线自由电子激光)在德国汉堡投入使用。由于X射线亮度高,未来XFEL将有可能够取代同步加速器,在蛋白小晶体或难以结晶的蛋白结构研究中发挥更大作用。

日本投资1100亿日元建设了世界上能量最高的第三代同步辐射光源设施SPring-8。该设施在生物医学前沿领域的应用包括蛋白质结构解析和生物样品高分率成像,目前至少有9条光束线可以用于蛋白质结构解析。

四、 我国重视和加强蛋白质研究,但目前蛋白质设施仍不能满足日益增长的用户需求

我国已将蛋白质研究纳入国家战略规划。2006年,我国在《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中明确将蛋白质研究列为国家重大科学研究计划之一。2012年,科技部将蛋白质研究纳入了国家重大科学研究计划——“十二五”专项规划之一。2013年,我国发布了《国家重大科技基础设施建设中长期规划》,将支撑规模化蛋白质制取纯化和结构功能分析的设施建设纳入生命科学领域前沿,计划适时启动大型成像和精密高效分析研究设施建设。2016年,国家发展改革委会发布的《国家重大科技基础设施建设“十三五”规划》中指出,优先建设高能同步辐射光源、硬X射线自由电子激光装置、多模态跨尺度生物医学成像等相关设施。同时,我国也加大了蛋白质研究资助力度,启动了一批蛋白质研究相关的国家科技攻关重大专项、973项目和863项目。

我国蛋白质科学研究设施分为上海和北京两部分,并且研究方向各有侧重。其中,国家蛋白质科学研究(上海)设施于2015年7月通过国家验收,是全球生命科学领域首个综合性的大科学装置,并且依托“上海光源”开展蛋白质结构解析能力为主的相关研究。国家蛋白质科学中心(北京基地)由军事医学科学院、清华大学、北京大学、中科院生物物理研究所等单位共同建设,于2015年10月正式开始试运行,重点建设蛋白质组分析系统和功能蛋白质组研究系统。尽管如此,蛋白质设施仍不能满足与日俱增的用户的使用要求,以上海蛋白质科学中心为例,即使相关设备均处于满负荷运行状态仍远不能满足用户的申请需求。

五、 启示

通过对近年来国际上的蛋白质科学战略规划及设施建设情况分析,可以得出以下几点启示:

第一,国际上非常重视蛋白质科学研究。欧、美、日、中等主要国家纷纷牵头实施了蛋白质组计划,并从国家或地区层面实施了多个蛋白质研究计划或重大项目。美国NIH投资了12.61亿美元部署了三项重大蛋白质科学研究相关计划,并基于国家重点实验同步辐射装置,建立了多个大型蛋白质科学研究设施。欧盟及其成员国发布研究基础设施路线图,通过研发框架计划持续资助健康和食品相关的蛋白质组研究。日本启动了“蛋白质3000”计划和靶向蛋白研究计划TPRR。我国将蛋白质研究纳入国家战略规划中,通过重大专项、973计划、863计划加大对蛋白质研究资助力度。

第二,依托大装置的蛋白质结构解析是各国当前蛋白质研究布局的重点。世界上90%的蛋白质等生物大分子结构都是借助同步辐射等大型设备进行揭示,因此这些大装置对于蛋白质研究尤其是晶体结构解析的作用可见一斑。欧、美、日等发达国家及我国纷纷依托同步辐射等大装置,建立了大型蛋白质研究的基础设施。美国阿贡实验室围绕先进光源APS建设了蛋白质研究实验室APCF。欧盟依托ESRF等成立了结构生物学联合体。日本围绕SPring-8开展了一系列蛋白质研究计划。我国围绕上海光源建设了蛋白质科学上海中心。

第三,欧、美重视蛋白质数据平台和超级计算中心建设,已在生物大数据领域进行了前瞻部署。美国已经建立了肿瘤相关的蛋白质组数据库,并将先进计算技术列入优先发展计划。欧盟及其成员国的研究设施战略中均明确了超级计算技术的重要性,并建立了高斯超级计算中心。与发达国家相比,我国在生物尤其是蛋白质领域的数据库建设仍然比较滞后。因此,我国未来应重视和加强蛋白质数据的收集、计算以及平台建设,这样才能在各国激烈的生物数据竞争中占有一席之地。

第四,我国应加强依托先进光源和自由电子激光等大装置的实验技术在蛋白质领域的应用。欧、美、日等国不仅拥多个第三代同步辐射光源或更先进的X射线自由电子激光,而且应用于蛋白质研究的光束线数量也越来越多。阿贡实验室APS、伯克利ALS分别拥有13条和8条光束线用于解析大分子晶体结构,日本SPring-8至少有9条光束线可以用于蛋白质结构解析。我国目前仅上海光源为第三代同步辐射光源,且仅有6条光束线用于蛋白质结构解析。因此,不论从光源的先进性还是从应用于蛋白质研究的光束线数量来看,我国未来都有很大的提升空间。

中国科学院文献情报中心 支撑综合性国家科学中心建设的关键情报能力与服务体系课题组

 
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