上海国家蛋白质研究设施的核磁系统开放运行成果

5.4.1　核磁实验技术的发展与方法的建立

国际上的核磁共振设备和技术，还处在不断发展与创新的过程中，其在生命科学和医学领域亦发挥着越来越重要的作用。2013年12月，上海设施建设完成并投入试运行的核磁共振设备包括：Bruker 900 MHz和600 MHz谱仪、Agilent 800 MHz、700 MHz和600 MHz谱仪。700 MHz谱仪配备有液体室温探头和固体生物魔角旋转探头，而其他液体谱仪都配备有5 mm超低温探头和室温探头。设施于2015年7月通过工艺鉴定和国家验收，目前已具备蛋白质样品优化、溶液结构解析、动力学实验和相互作用等生物核磁共振实验的能力。

核磁系统致力于为用户提供生物大分子结构与功能的研究能力和科研服务，同时组建了一支高水平的技术团队，为非核磁专业的结构生物学家提供全面的技术支撑与服务，包括数据采集-谱图指认-结构解析的一整套服务。流程如图5-35所示。

图5-35　液体核磁共振技术从样品制备到蛋白质结构与功能研究的流程

除了常规的核磁结构解析服务外，还积极开展核磁新技术的引进发展和新方法学的开发研究。如图5-36所示的TROSY方法，是一整套TROSY版本的三共振实验脉冲序列。这一整套脉冲序列，来源于周界文在哈佛大学实验室的多年积累；在上海设施中，由刘志军用时2年8个月调试完成。结合900 MHz谱仪超高分辨率和超高灵敏度的硬件优势，这一套方法可以把液体核磁解析蛋白质结构的分子量极限，从常规方法的40 kDa拓展到90 kDa。利用该方法已经成功解析了MCU（90 kDa）和HIV gp41（14 kDa）两个膜蛋白的核磁结构。

图5-36　基于900 MHz高磁场谱仪的核磁共振新技术开发与对比应用

此外，在周界文和国内外同行专家的帮助下，技术主管刘志军结合用户实际样品的实验需求，已经建立起先进技术并有应用成果发表[919]的包括：①常规蛋白质三共振实验和基于NOE的溶液结构解析方法；②膜蛋白TROSY版高灵敏度三共振实验；③多种NUS^[17]快速数据采集和波谱重构方法；④TROSY-CPMG弛豫扩散动力学实验；⑤RNA核磁实验数据采集；⑥基于RDC的膜蛋白NMRlego分子片段重排的新方法。如图5-37所示[9]。

上述新技术和新方法的引进和开发，构成了核磁系统的核心竞争力，吸引了很多优秀的用户课题前来合作，也帮助用户高效解决了技术难题。(www.xing528.com)

5.4.2　核磁系统的用户开放情况与成果统计

图5-37　膜蛋白核磁共振结构解析新方法的示意图（NMRlego）（详见下载图5-37，下载网址见31页脚注）

该膜蛋白和大蛋白质结构解析新方法一共由7个步骤组成：蛋白质在DNA等液晶体系中发生弱取向排列；RDC核磁实验数据测量；构建新的膜蛋白分子片段数据库并完成检索；建立一个图形界面用于分子片段重排操作；结合PRE和NOE实验信息，完成三级结构组装；结构优化；结构数据交叉验证。fragment library：片段文库。

从2013年开始到2017年12月，核磁系统已经为来自国内外22个单位的约78个课题（其中包括2个诺贝尔奖获得者的课题组）提供了蛋白质核磁实验测试和数据分析服务。从2015年8月正式运行开始，核磁系统的技术人员有刘志军、吴斌、薛红娟、姜松子和詹伟，共5人全职服务于设施和用户。已发表的用户成果涉及膜蛋白的结构与功能、蛋白质的动力学与功能、蛋白质-配体弱相互作用、核磁方法学研究、RNA结构与功能研究等多个领域[919]。用户服务情况的统计如图5-38所示。

图5-38　核磁系统运行和开放情况统计（彩图见图版第20页）nt：核苷酸数（nucleotide）。

此外，在上海设施管理层的支持下，还举办了一次国际生物核磁与药物开发的研讨会暨2015年度核磁技术暑期学校。有110位国内外用户和学者来参加研讨和培训。

截至2017年12月，国内外用户已发表SCI论文24篇，影响因子IF＞10的论文19篇。其中有13篇文章由核磁系统技术主管刘志军提供支撑服务，同时也利用新的核磁技术方法帮助用户解决了关键技术难题，属于技术合作成果。相关文章已经在Science、Nature、JACS、Angewandte Chemie International Edition和Structure等国际著名期刊上发表[10-19]。