朱平

中科院“百人計劃”獲得者

研究：冷凍電鏡和電子斷層成像方法進行病毒、

生物大分子及複合構功研究

1986.9-1990.6 浙江大學 學士

1990.9-1993.6 西安交通大學 碩士

1993.9-1997.6 清華大學 博士

1997.7-1998.12 清華大學 講師

1999.3-2008.5 美國佛羅里達州立大學生物系 博士后、助理研究員、副研究員（Non tenure-track faculty系列）

2008.6-至今 中國科學院生物物理研究所 課題組長、“百人計劃”研究員

本研究組以冷凍電鏡（CryoEM)和電子斷層成像（Electron Tomography）方法為主要手段進行病毒、生物大分子及其複合物的結構和功能研究。冷凍電鏡三維重構技術可以解析天然狀態下生物大分子及其複合物的空間結構及組裝機制，為深入理解生物大分子的相互作用機理提供重要而有益的信息，是一個近年來發展迅速並正在取得重要突破的方法。

（1）艾滋病毒（HIV-1）表面分子ENV及靶細胞受體、中和抗體複合物的結構特徵；（2）全病毒的近原子解析度三維結構重構以及病毒組裝、感染與複製的分子機制；（3）染色質的高級結構以及表觀遺傳和染色質重塑的分子調控機制。同時我們也將進行其它生物大分子機器的三維結構和功能，以及重要生物過程的可視化研究。

(1) 艾滋病毒（HIV-1）表面分子ENV及靶細胞受體、中和抗體複合物的結構特徵

HIV包膜蛋白ENV（表面蛋白gp120和穿膜蛋白gp41）在HIV-1病毒進入靶細胞的融合過程中起著決定性的作用。利用冷凍電鏡和電子斷層成像技術，我們首次獲得了艾滋病毒表面及其包膜蛋白的清晰三維圖像 (Zhu et al., PNAS, 2003；Zhu et al., Nature, 2006, article)。同時，我們首先觀察到併合作得到了艾滋病毒廣譜中和抗體2G12的不同於所有已知抗體的一種重鏈互鎖的精細結構（Calarese et al, Science, 2003, research article ）。包膜蛋白是唯一暴露在艾滋病毒表面並由病毒本身表達的蛋白，是最明顯的艾滋病毒疫苗的候選者。2G12是迄今為止發現的僅有的幾種人體艾滋病毒廣譜中和抗體之一。它們的結構信息對於抗艾滋病藥物和疫苗的開發和設計具有重要的意義。

在以前的工作基礎上，本研究組正在利用冷凍電鏡和電子斷層成像方法研究不同亞型艾滋病毒表面包膜蛋白及其複合物的結構和功能（Zhu et al., PLoS Pathogens, 2008），尤其是中國地區流行HIV-1毒株表面ENV三聚體及其與靶細胞受體和中和抗體形成的複合物的三維結構。同時，通過和國內外艾滋疫苗研究組的合作，我們正在進行重組ENV三聚體疫苗（Kang et al, Vaccine, 2009）及HIV-1病毒樣顆粒VLP疫苗（Yang et al, J. Vriol, 2012）的表面ENV三聚體結構的研究，以期為有針對性地進行抗艾滋藥物和疫苗的開發和設計提供有益的信息。

(2) 全病毒的近原子解析度三維結構重構以及病毒組裝、感染與複製的分子機制

近年來，隨著冷凍電鏡設備的進步以及方法學上的改善，冷凍電鏡三維重構技術在解析病毒和其它生物大分子機器的三維結構方面正在向原子解析度方向取得重要突破，目前的最高重構精度已經達到3Å左右，使得不依賴於蛋白質晶體而完全基於冷凍電鏡密度圖構建病毒分子的三維空間結構全原子模型成為可能。

生物物理研究所於2010年建成了一個世界一流的包括一台300KV Titan Krios場發射低溫透射電子顯微鏡及其高端輔助設施在內的冷凍電子顯微研究平台。利用該平台，我們採用單顆粒分析技術獲得了呼腸孤病毒科一個質多角體病毒CPV的近原子解析度（3.9Å）重建結果並獨立構建了該病毒完全基於冷凍電子密度圖的三維全原子結構模型（Cheng et al, PNAS, 2011）。該結構揭示了病毒是如何引導新生mRNA依次經過一個鳥苷轉移酶和兩個甲基轉移酶以完成對該病毒新生mRNA的加帽過程的。這是我國首次利用冷凍電子顯微技術解析的生物大分子原子結構模型，也是第一個基於4Kx4K CCD圖像獲得的生物大分子複合體帶氨基酸側鏈的全原子模型。

在此基礎上，我們以該雙鏈RNA病毒為模型，獲得了CPV病毒轉錄進行狀態的近原子解析度（4.1Å）的三維電子密度圖，並構建了一個處於轉錄態的雙鏈RNA病毒全氨基酸原子結構模型（Yang et al, PNAS, 2012）。由於難以得到處於穩定轉錄狀態的病毒的晶體，目前還沒有關於轉錄態病毒的晶體結構報道，該結構是目前唯一達到近原子解析度水平的病毒轉錄態冷凍電鏡三維重構結果。該研究揭示了病毒轉錄前後相關結構蛋白VP1和VP3發生的張開、扭轉等構象變化，以及通過結構蛋白之間相互協調作用使得病毒新生RNA得以順利流出的機制。同時，為澄清長期以來關於雙鏈RNA病毒轉錄發生時的RNA流出通道的爭論提供了直觀證據。

(3) 染色質的高級結構以及表觀遺傳和染色質重塑的分子調控機制

染色體的基本單元（核小體）通過高度摺疊形成30nm染色質纖維結構。染色質的高級結構及其重塑在基因轉錄沉默和激活過程中起重要作用，為表觀遺傳提供了一個重要的信息整合平台。但是目前對於30nm染色質纖維的精細結構及其重塑過程還有爭議。冷凍電鏡及電子斷層成像方法為研究30nm染色質結構及其重塑機制提供了一個合適的工具，我們正在開展這方面的研究。

同時，我們也在進行其它具有重要生物學或醫學意義的生物大分子、病毒、細胞及其複合物的結構和功能以及重要生物過程（如病毒與宿主細胞相互作用）的可視化研究。

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4.　Yang L., Song Y., Li X., Huang X., Liu J., Ding H., Zhu P., Zhou P. (2012) HIV-1 Virus Like Particles Produced by Stably Transfected Drosophila S2 cells - a Desirable Vaccine Component. J

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1. Yang C, Ji G, Liu H, Zhang K, Liu G, Sun F, Zhu P*, Cheng L*. (2012) Cryo-EM Structure of a transcribing cypovirus. Proc. Natl. Acad

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