上海光源新建晶体学线站支持用户研究成果实现CNS大满贯

新建晶体学线站生物大分子晶体学线站BL02U1（原17U1）和生物二级防护蛋白质晶体学线站（BL10U2），对上海光源晶体学研究能力实现了较大的技术提升。相较于BL17U1，BL02U1的光通量密度提高了20倍；BL10U2于2021年6月通过中科院组织的工艺验收，全部指标达到设计值，使得国内首次可以开展生物二级防护下病原体高分辨晶体结构研究。两个实验站自主研制了高性能衍射仪、上样机械手，并自主开发了全新数据采集软件系统Finback，能提供包括快速Raster、Helix等新型数据采集，帮助用户采集高分辨率数据，大大缩短了研究周期，从而在激烈的热点研究课题中取得竞争优势。自2021年7月两条线以全新面貌对用户开放，投入使用不到半年时间，三项重要用户成果于2022年初发布，实现了Nature、Science、Cell顶级期刊发表大满贯。 

朱冰/许瑞明课题组合作揭示胚胎发育重要调控机制 

2022年2月10日，中科院生物物理所朱冰课题组与许瑞明课题组合作，在《Science》杂志在线发表题为"Highly enriched BEND3 prevents bivalent genes from premature activation during differentiation"的研究论文，报道了CpG岛结合蛋白BEND3在二价基因上的高度富集，可以防止这些基因在分化过程中过早激活。 

CpG岛是脊椎动物基因组上的重要调控序列，富含非甲基化的CpG二核苷酸，常出现在活跃的管家基因（housekeeping genes）以及发育相关的二价基因（bivalent genes）的启动子区域。目前关于CpG岛结合蛋白的研究还很有限，关于CpG岛基因的表达调控还有很多尚待研究。 

在这项研究中，研究人员发现BEND3能够特异性结合在基因组中含有CpG岛的活跃基因和二价基因的启动子区域，并找到了BEND3特异性结合的DNA基序。研究人员利用上海光源生物大分子晶体学线站（BL17U1/BL02U1）解析了最关键的第四个BEN结构域结合DNA基序的共结晶结构，为BEND3序列特异性和DNA甲基化敏感结合特性提供了结构依据。利用小鼠模型，他们发现Bend3敲除的小鼠胚胎会在原肠胚形成阶段死亡。通过体内畸胎瘤形成实验和体外分化实验，研究人员证明了Bend3敲除的小鼠胚胎干细胞虽然能够保持自我更新，但却丧失了分化的能力。为了找到发育和分化缺陷的分子机制，研究人员利用体外类胚体分化（EB分化）实验，结合RNA-seq 技术，发现数百个被BEND3高度占据的二价基因在分化早期被异常激活。结合各种全基因组学分析，研究人员发现Bend3敲除会导致一部分富含BEND3的二价基因启动子上SUZ12和H3K27me3水平的下降，导致这些失去了PRC2和H3K27me3保护的二价基因在分化过程中在不恰当的时间被错误地提前激活，最终导致发育和分化的失败。 

在胚胎干细胞中，二价启动子（bivalent promoter），即同时存在激活性的H3K4me3和抑制性的H3K27me3组蛋白标记，通常被认为将发育相关基因维持在"蓄势待发"的状态，以备在分化时快速激活。然而在小鼠胚胎干细胞中敲除MLL2以擦除H3K4me3修饰后，这些发育基因的快速激活并没有受到影响。这项研究工作证明了二价启动子上的H3K27me3修饰的重要性，H3K27me3在分化前期起到"手刹"的作用，帮助这些基因维持在"戒急缓发"的状态，防止组织特异性基因的过早激活，保障胚胎发育过程中基因时空特异性地表达。 

图: BEND3在小鼠胚胎发育以及胚胎干细胞分化过程中发挥重要功能 

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm0730 

刘海燕团队建立新的蛋白质从头设计方法 

2022年2月9日，中国科学技术大学刘海燕教授、陈泉副教授团队在Nature发表题为A backbone-centred energy function of neural networks for protein design的研究论文，采用数据驱动的策略，开辟出一条全新的蛋白质从头设计路线，在蛋白质设计这一前沿科技领域实现了关键核心技术的原始创新，为工业酶、生物材料、生物医药蛋白等功能蛋白的设计奠定了坚实的基础。 

刘海燕教授、陈泉副教授团队十余年来致力于发展数据驱动的蛋白质设计方法，经过长期不懈努力，建立并实验验证了给定主链结构设计氨基酸序列的ABACUS模型，进而发展了能在氨基酸序列待定时从头设计全新主链结构的SCUBA模型。理论计算和实验证明，用SCUBA设计主链结构，能够突破只能用天然片段来拼接产生新主链结构的限制，显著扩展从头设计蛋白的结构多样性，进而设计出不同于已知天然蛋白的新颖结构。“SCUBA模型+ABACUS模型”构成了能够从头设计具有全新结构和序列的人工蛋白完整工具链，是RosettaDesign之外目前唯一经充分实验验证的蛋白质从头设计方法，并与之互为补充。在论文中，研究团队利用上海光源晶体学线站（BL02U1/BL18U1/BL19U1）解析了9种从头设计的蛋白质分子的高分辨晶体结构，它们的实际结构与设计模型一致，其中5种蛋白质具有天然蛋白质中尚未观察到的新型拓扑结构。 

图: 从头设计蛋白的高分辨晶体结构（天蓝色）与设计模型（绿色）比较 

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-04383-5 

此外，2022年1月5日，P2生物防护蛋白质晶体学线站用户南方科技大学王培毅，中国科学院微生物研究所高福及齐建勋共同通讯在Cell在线发表研究论文https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)00001-0#relatedArticles）。 

除了以上两条光束线站之外，高性能膜蛋白晶体学线站（BL17UM）也于2021年底通过中科院工艺验收，各项性能达到国际领先，进入到用户试运行阶段，有望推动膜蛋白结构相关研究进展。 

生物二级防护蛋白质晶体学线站和高性能膜蛋白晶体学线站是上海光源线站工程的建设内容。