MagR：揭開“第六感”之謎？

S.西爾維希耶

從司南到航海羅盤，再到裝有磁強計的智能手機，聰明的人類發(fā)明出了各種各樣的工具，利用磁場來辨別方向。制造指南針這樣的事情人類固然沒有其他動物能夠勝任，但自然選擇將堪稱神奇的磁場感應(yīng)能力放進(jìn)了許多動物的體內(nèi)。研究顯示，帝王蝶、龍蝦、信鴿等動物都能感知磁場。

然而，要闡明這些動物自帶的“指南針”在哪里、怎樣發(fā)揮作用，可比在路上找得著北困難多了。為了解釋動物們感受磁場的機制，科學(xué)家提出了各種可能的模型。2015年11月16日，北京大學(xué)謝燦研究團隊首次報道了一種具備磁場感應(yīng)性質(zhì)的蛋白質(zhì)復(fù)合物，研究論文發(fā)表在《自然-材料》雜志上。該突破性進(jìn)展，或?qū)⒔议_被稱為生物“第六感”的磁覺之謎。

至此，被研究人員“追捕”已久的“生物指南針”，終于浮出水面。在這里，我們不妨做一次案件還原，循著磁感應(yīng)蛋白的發(fā)現(xiàn)之路再走一遍。

入手點：隱花色素

假定你是剛剛開始這項研究的科學(xué)家，你要如何找到這個僅僅存在于你的假設(shè)中的“磁感應(yīng)蛋白”？無論是分析案情或是分析數(shù)據(jù)，調(diào)查者都需要有個合適的入手點。

謝燦團隊的“福爾摩斯”們在著手研究時，磁感應(yīng)蛋白的一個“嫌犯”已經(jīng)記錄在案——可靠的研究證據(jù)提示，一種叫隱花色素（Cryptochrome，Cry）的蛋白質(zhì)被證明在果蠅的磁敏感行為中發(fā)揮關(guān)鍵作用。這個結(jié)果讓謝燦意識到這是個從宏觀做到分子機理的切入點。

Cry是一種黃素蛋白，作為藍(lán)光受體，它是果蠅等多種動物的生物鐘核心元件。然而謝燦團隊意識到，在依賴于光的磁場感應(yīng)過程中，Cry可能只是負(fù)責(zé)感光的受體，而感磁則另有受體。這一假設(shè)，將研究者的目光引向新的方向——Cry蛋白很可能與某種蛋白質(zhì)合作才能感受地磁場。

如果這種蛋白質(zhì)具有磁感應(yīng)功能，它應(yīng)該具有磁性和生物活性。這兩個特征指向了一類叫做鐵硫蛋白的蛋白質(zhì)大家族。這一家族的蛋白質(zhì)在細(xì)胞活動中扮演著重要角色，看起來很符合要求。這是第二條線索。

在果蠅中存在、屬于鐵硫蛋白家族、與Cry蛋白能夠相互作用——依據(jù)這些信息，謝燦和同事們對果蠅的基因組進(jìn)行了大搜索，在12536個編碼蛋白質(zhì)的基因中找到了199種能結(jié)合鐵的蛋白質(zhì)作為候選。是的，這范圍有點大。

研究者認(rèn)為，如果磁感應(yīng)受體蛋白要與Cry聯(lián)手才能發(fā)揮作用，它們的位置就理應(yīng)比較緊密。根據(jù)Cry蛋白在果蠅中的分布，實驗室的偵探們推斷了磁感應(yīng)受體可能的定位特征，將目標(biāo)范圍縮小到了98個蛋白質(zhì)——還是太多了。但基因組計算預(yù)測工具說：我也只能幫你到這里了。

讓Cry蛋白“指認(rèn)”同伴

進(jìn)一步的篩選只能依賴研究者的知識去執(zhí)行。通過查閱大量的資料，研究人員最終人為挑選出了14個嫌疑最大的蛋白質(zhì)。這里面會不會有磁感應(yīng)受體？沒有人知道。還好，在這個范圍內(nèi)，下一步的確認(rèn)相對簡單一些：只要把Cry蛋白拉出來，讓它自己“指認(rèn)”自己的伙伴就好了。

但再之后，研究者面對的就將是一片巨大的未知?！白畲蟮膯栴}在于，我們根本不知道一個實驗會得到什么樣的結(jié)果，即使得到結(jié)果，我們也不知道可能意味著什么，也不知道下一步怎么走下去，很多時候，根本沒有任何文獻(xiàn)可以供參考?！辈贿^回過頭看實驗過程，謝燦表示：“如果總有文獻(xiàn)可以參考，知道自己應(yīng)該怎么做，反而就沒有挑戰(zhàn)性了。只有這種一無所知的狀態(tài)，才是我心目中的科學(xué)。”

利用蛋白質(zhì)相互作用的手段，研究人員最終找到了這個同伴。在14個蛋白質(zhì)中，只有一種蛋白質(zhì)——果蠅的CG8198 蛋白——能與Cry形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，這個蛋白質(zhì)被研究者命名為MagR。

“生物指南針”浮出水面

不過，讓MagR和Cry還原“案發(fā)現(xiàn)場”的過程卻是困難重重。所幸，正如福爾摩斯身邊有華生，謝燦團隊也有給力的合作者。他們的課題和很多實驗室有合作關(guān)系，每個實驗室都完全公開透明，不設(shè)防地進(jìn)行合作，各領(lǐng)域的專家給了他們極大幫助。

最終，研究者成功得到了均一的MagR-Cry蛋白質(zhì)復(fù)合物，并完成了它在電鏡下的結(jié)構(gòu)模型。在這個復(fù)合體中，MagR排列成碟狀，將金屬分子緊緊的圍在中心，而多個這樣的單元首尾相接，形成一個長長的棒狀結(jié)構(gòu)，Cry蛋白則緊緊圍繞在這根“棒”的周圍。

這樣的結(jié)構(gòu)，是否能被像地磁場這么弱的磁場改變方向？在純化得到Cry和MagR蛋白形成的復(fù)合物結(jié)晶之后，謝燦團隊進(jìn)行了實驗，發(fā)現(xiàn)它們在外界磁場下，的確會像被磁鐵吸引的小磁針一樣，隨著磁場的變化而改變朝向。這場歷時六年的追蹤，終告結(jié)束。

盡管“追捕”磁感應(yīng)受體MagR的故事告一段落，但磁生物學(xué)的解謎故事才剛剛開始。雖然MagR的出現(xiàn)為新的生物磁感應(yīng)理論提供了基礎(chǔ)，但“偵探”們還需要更多更堅實的證據(jù)，才能更細(xì)致地還原真相。（來源：果殼網(wǎng) 責(zé)任編輯/和恩馨）