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大脑奥秘——为什么有的人方向感很差?

admin 发布于 2016-01-12 00:50:25 阅读次数 1047

为什么有的人方向感很差?这或与体内磁感应蛋白MagR的基因变异有关

1116日,Nature网站发文祝贺:中国的科学家谢灿教授团队公布了动物体内具有辨识方向作用的生物指南针结构——由被其命名为MagR的磁感应蛋白与光敏隐花色素蛋白组成的含铁元素的复合体(MagR/Cry)。谢灿教授的这一重磅发现与分享,将开启科学界以生物指南针结构为基础的磁遗传学的研究浪潮。

是日,北京大学生命科学院教授谢灿研究团队的论文A magnetic protein biocompass被影响因子高达36分的Nature子刊Nature Materials《自然材料》接受并在线发表。谢灿研究团队通过对果蝇的12536个基因筛选后,发现了唯一一个与CRY相结合的含有铁、硫的蛋白螯合物(CG8198)的磁感应受体蛋白,能够感应外界磁场。基于这种蛋白具有磁感应能力,谢灿团队将CG8198命名为磁感应受体蛋白(MagR)。

 

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动物(蝴蝶、鸽子、海龟、狼……)通过感应磁场辨识方向进行迁徙,科学家认为动物体内应该存在某种蛋白能够感应地磁,即磁受体蛋白,但是关于蛋白及背后的分子机制却不清楚。直至2008年自然(《nature》)期刊发表了一篇揭示果蝇中有一种光敏隐花色素蛋白复合体(Cry),一旦敲除该蛋白,果蝇对方向的敏感性会减弱。谢灿教授指出,Cry蛋白并不是真正的磁感应受体蛋白,因为它不能感应磁场的极性(南、北极)。

 

谢灿教授paper中的部分图片(棒状的化合物可以对准磁场)

 

那究竟是什么原因在帮助动物指示着方向呢?在过去的10年里,科学家们曾经利用过某些蛋白质的光感应能力来操控神经元细胞,例如将一根光纤电缆直接插入到大脑里来调控个别神经细胞的活性,即我们熟知的光遗传学。

谢灿教授团队经过6年多的研究,发现相比光遗传学而言,磁感应受体蛋白有一个更加显性的优势,后者可以被大脑外面的磁场操控。因此,该团队的重大发现或将使科学家可以通过磁场来控制细胞。

Nature专访谢灿——关于抢发论文的那些事儿

今年4月,清华大学教授张生家(现已解聘)从谢灿实验室获得磁受体基因,将其表达在线虫的肌肉、神经细胞中,并成功运用磁场控制肌肉收缩、神经激活。张生家在谢灿不知情的情况下,抢先投递文章至影响因子远低于NatureIF 41.456)且具有快速审稿优势的Science Bulletin(《科学通报》,IF1.579),并在第一时间获得了后者的在线发表。为此,这一事件引起国内外的学术争议,清华、北大联名给科学通报编辑部发函,指明张生家违背学术规范,要求期刊撤稿。

谢灿教授表示,早在今年4月份,他就已经向中国专利申请机构申请了关于磁遗传学和MagR蛋白具有操控大分子能力的相关专利。他们发现MagR/Cry蛋白复合体存在于包括鸽子、蝴蝶、鲸鱼等多种动物中。他希望MagR在人类等其他动物身上也有相同的功能。

为什么有些人的方向感很差?他猜测,这可能与人体的磁感应蛋白MagR的基因变异有关。

国际学术界——如何看待谢灿教授的研究结果?

根据Nature新闻的报道,英国牛津大学的生物化学家Peter Hore认为,显而易见生物指南针结构的发现是具有里程碑意义的,遗憾的是文章中没有对磁受体蛋白感应磁场的反应极其机制进行解析,希望看到团队进一步的数据公开。

维也纳分子病理学研究所的神经学家David Keays则显得比较谨慎,该文章或许是一个意义非凡的发现,若不成立就是完全错误的,由于蛋白中铁离子含量稀缺,不得不让人对其在细胞中的磁性强度的可测性产生怀疑。

对于国际科学家的质疑,谢灿教授表示,文章只是对过去6年试验成果的整理和公布,希望有更多的实验室加入进来,对调控MagR蛋白的基因进行深度和广度的研究。

生物探索专访谢灿教授——探寻其研究生物指南针”的灵感源泉

为此,生物探索也专访了谢灿教授,询问他为什么选择了磁感应方向作为研究课题?他表示:天时、地利、人和以及很多偶然性的因素让他走进了这个领域。

首先,作为一名科研者,科研兴趣是维持单调的研究生活最大的动力。谢教授表示,他本人的方向感很差,初入北京大学的3年经常在校园里迷失方向,好奇心”让他想找到这一原因,经过多方努力却苦于找不到答案,直至2008年看到了那篇文章 ,文章首次沉默了光敏隐花色素蛋白复合体(Cry)蛋白,证实其与动物的感应能力以及迁移相关。于是很受启发,便展开实验的设计和求证。在他看来,2008年,关于Cry蛋白paper的发表与自己好奇心的吻合,构成了天时”

其次,多学科跨领域的专业知识是一个科研者最宝贵的武器,谢灿教授大学的专业偏生态动物方向,研究生阶段主修植物生物学和结构生物学,在哈佛大学读PhD时专供分子免疫学。正值当年北大向海外留学生们发出了邀请函,谢灿教授很谦虚地表示,由于在国外没有资源和能力独立开展磁感应课题,所以决定回国(谈什么爱国主义有点儿大了)。于是乎,在党和国家以及北大的帮助下,他很快在北大建立了自己的实验室并开展了磁感应课题。在他看来,北大递出的橄榄枝,就是促使其取得成果的“地利”。

最后,在国外“实验是有钱人的游戏”,没有足够的资本就无法建立实验室、购买仪器和设备,科研工作或将随时中断。专业涉猎广泛的谢教授表示,一方面在他入职不久,北京大学就拨给了他数额不菲的经费,为其一心专研工作提供了粮食储备;另一方面在2012年找到MagR基因后,瑞典的一家生物公司为其实验室提供的大分子筛选柱子,促使其很顺利地进行了蛋白提取纯化。在他看来,人和”是其在这个领域初露头角的第三点要素。