國家中長期科學與技術發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃研究課件

國家中長期科學與技術發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃研究

“基礎科學問題專題組”提出的

重大專項計劃之一

蛋白質研究計劃

（2006-2020）國家中長期科學與技術發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃研究課件1重大科學研究計劃

根據世界科學發(fā)展趨勢和我國重大戰(zhàn)略需求，選擇能引領未來發(fā)展，對科學和技術發(fā)展有很強帶動作用，可促進我國持續(xù)創(chuàng)新能力迅速提高，同時具有優(yōu)秀創(chuàng)新團隊的研究方向，重點部署四項重大科學研究計劃。這些方向的突破，可顯著提升我國的國際競爭力，大力促進可持續(xù)發(fā)展，實現重點跨越。重大科學研究計劃

根據世界科學發(fā)展趨勢和我2(1)蛋白質研究

蛋白質是最主要的生命活動載體和功能執(zhí)行者。對蛋白質復雜多樣的結構功能、相互作用和動態(tài)變化的深入研究，將在分子、細胞和生物體等多個層次上全面揭示生命現象的本質，是后基因組時代的主要任務。同時，蛋白質科學研究成果將催生一系列新的生物技術，帶動醫(yī)藥、農業(yè)和綠色產業(yè)的發(fā)展，引領未來生物經濟。因此，蛋白質科學是目前發(fā)達國家激烈爭奪的生命科學制高點。(1)蛋白質研究

蛋白質是最主要的生命3重點研究重要生物體系的轉錄組學、蛋白質組學、代謝組學、結構生物學、蛋白質生物學功能及其相互作用、蛋白質相關的計算生物學與系統生物學，蛋白質研究的方法學，相關應用基礎研究等。重點研究重要生物體系的轉錄組學、蛋白質4(2)量子調控研究

以微電子為基礎的信息技術將達到物理極限，對信息科技發(fā)展提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，人類必須尋求新出路，而以量子效應為基礎的新的信息手段初露端倪，并正在成為發(fā)達國家激烈競爭的焦點。量子調控就是探索新的量子現象，發(fā)展量子信息學、關聯電子學、量子通信、受限小量子體系及人工帶隙系統，構建未來信息技術理論基礎，具有明顯的前瞻性，有可能在20~30年后對人類社會經濟發(fā)展產生難以估量的影響。(2)量子調控研究

以微電子為基礎的信5

重點研究量子通信的載體和調控原理及方法，量子計算，電荷－自旋－相位－軌道等關聯規(guī)律以及新的量子調控方法，受限小量子體系的新量子效應，人工帶隙材料的宏觀量子效應，量子調控表征和測量的新原理和新技術基礎等。重點研究量子通信的載體和調控原理及方法，量子計6(3)納米研究

物質在納米尺度下表現出的奇異現象和規(guī)律將改變相關理論的現有框架，使人們對物質世界的認識進入到嶄新的階段，孕育著新的技術革命，給材料、信息、綠色制造、生物和醫(yī)學等領域帶來極大的發(fā)展空間。納米科技已成為許多國家提升核心競爭力的戰(zhàn)略選擇，也是我國有望實現跨越式發(fā)展的領域之一。

(3)納米研究

物質在納米尺度下表現出7重點研究納米材料的可控制備、自組裝和功能化，納米材料的結構、優(yōu)異特性及其調控機制，納加工與集成原理，概念性和原理性納器件，納電子學，納米生物學和納米醫(yī)學，分子聚集體和生物分子的光、電、磁學性質及信息傳遞，單分子行為與操縱，分子機器的設計組裝與調控，納米尺度表征與度量學，納米材料和納米技術在能源、環(huán)境、信息、醫(yī)藥等領域的應用。重點研究納米材料的可控制備、自組裝和功能8(4)發(fā)育與生殖研究

動物克隆、干細胞等一系列舉世矚目的成就為生命科學與醫(yī)學的未來發(fā)展帶來了重大的機遇。然而這些成果大多還不能直接造福于人類，主要原因是對生殖與發(fā)育過程及其機理缺乏系統深入的認識。我國人口增長量大，出生缺陷多，移植器官嚴重短缺，老齡化高峰即將到來，迫切需要生殖與發(fā)育科學理論的突破和技術創(chuàng)新。(4)發(fā)育與生殖研究

動物克隆、干細胞等9重點研究干細胞增殖、分化和調控，生殖細胞發(fā)生、成熟與受精，胚胎發(fā)育的調控機制，體細胞去分化和動物克隆機理，人體生殖功能的衰退與退行性病變的機制，輔助生殖與干細胞技術的安全和倫理等。重點研究干細胞增殖、分化和調控，生殖細胞發(fā)生、成熟10蛋白質研究計劃蛋白質研究計劃11摘要蛋白質是一切生命活動的功能執(zhí)行者,是生物技術研發(fā)的主體。“人類基因組計劃”的完成宣告生命科學與技術的研究進入了“后基因組時代”。自此，蛋白質研究成為科學界關注的核心之一。在國際學術界提出“人類蛋白質組計劃”后,及時實施我國蛋白質研究計劃,符合提高我國科技競爭實力的需要、符合解決國家重大戰(zhàn)略問題的需要、符合推動現代生物技術產業(yè)發(fā)展的需要和促進科學技術自身發(fā)展的需要。摘要蛋白質是一切生命活動的功能執(zhí)行者,是生物技12

蛋白質研究計劃將圍繞：蛋白質的生物學功能、蛋白質功能的結構基礎、蛋白質的相互作用網絡、細胞中蛋白種類的時空差異、體內外蛋白質的單分子行為等重大科學問題。蛋白質研究計劃將圍繞：13重點研究的內容：

1、選擇具有重要功能或病理意義的人類組織或器官，重要經濟生物為研究對象，開展蛋白質組及其調控規(guī)律的研究；

2、選擇具有重要功能的蛋白質分子、蛋白質分子間或蛋白質與非蛋白質分子間的復合體、代謝/信號轉導通路等進行規(guī)模化的結構，功能、功能網絡和動態(tài)結構的研究。重點研究的內容：14

該計劃的實施必將促進多學科（如生命科學、技術科學、信息科學、數理科學、分析科學、材料科學等）的廣泛交叉與融合，必將推動我國跨學科、跨行業(yè)、跨部門、跨地域的大科學協作，必將實現我國蛋白質科學與技術領域的跨越式發(fā)展，從而帶動生命科學與生物技術的快速突破，為醫(yī)藥、農業(yè)、工業(yè)、資源環(huán)境與能源、國防等行業(yè)/產業(yè)改造和換代提供強大的科技原動力和戰(zhàn)略性支撐。

該計劃的實施必將促進多學科（如生命科學、15

“人類基因組計劃”與“曼哈頓原子彈研制計劃”、“阿波羅登月計劃”一道被譽為二十世紀三大科技工程，其完成宣告人類從此進入“后基因組時代”,自此，蛋白質研究成為科學界關注的核心。正如恩格斯所言，“生命是蛋白體的存在形式”。蛋白質是一切生命活動的功能執(zhí)行體，是生物技術研發(fā)的主體。蛋白質由于其結構、功能的多樣性和廣泛的相互作用，演繹出生命的復雜性與生物界的多樣性。圍繞著蛋白質研究，學術界提出了又一個大科學工程：“人類蛋白質組計劃”?！叭祟惢蚪M計劃”與16

在此國際大背景下，我們擬提出我國的“蛋白質研究計劃”。該計劃的整體思路是：瞄準我國經濟社會發(fā)展的戰(zhàn)略需求，針對蛋白質這一類生命活動的關鍵物質開展理論和應用研究。

在此國際大背景下，我們擬提出我國的“蛋白質研究計劃17一、實施該計劃的重大意義和必要性1、帶動我國基礎科學學科發(fā)展的需要

自上世紀中旬以來，以揭示生命奧秘為目標的生命科學已經日益成為了基礎科學各學科中最為活躍的（或領頭）學科之一。與經典生物學不同的是，當代生命科學已變得日益定量化和精確化。生命科學一方面在數、理、化等學科的推動下得到了迅猛發(fā)展，它同時也為這些基礎學科提出了大量新的命題，從而為后者的進一步發(fā)展提供著動力和素材。一、實施該計劃的重大意義和必要性1、帶動我國基礎科學學科發(fā)展18

其實施不僅會大大提升我國生命科學在世界科學界的地位，同時也必將戰(zhàn)略性地帶動我國數、理、化等學科的發(fā)展，進而提升我國總體的基礎科學創(chuàng)新能力。其實施不僅會大大提升我國生命科學在世192、提高我國科技競爭實力的需要蛋白質科學與技術已逐步成為本世紀生命科學領域中爭奪最激烈的前沿陣地。以發(fā)達國家為主導已經提出了“人類蛋白質組計劃”，并紛紛投入巨資和人力，為的是要搶占這一重要而又有限的生物戰(zhàn)略資源，搶占發(fā)展的先機。2、提高我國科技競爭實力的需要蛋白質科學20許多跨國公司和企業(yè)也大量投資此領域，以搶占商機。在我國,重點組織蛋白質研究就是要打破發(fā)達國家壟斷國際重大戰(zhàn)略研究計劃的局面，繼續(xù)在這一領域開創(chuàng)和擴大中國領銜重大國際合作項目的范圍，主動把握生物經濟時代發(fā)展的主脈，大幅度提高我國生命科學與技術領域及其相關產業(yè)的原始創(chuàng)新能力和國際競爭力。許多跨國公司和企業(yè)也大量投資此領域，213、解決國家重大戰(zhàn)略問題的需要

我國存在著若干嚴重影響我國可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略問題。人口與健康問題、農業(yè)問題、能源和環(huán)境問題、生物安全問題等對我國社會和經濟所形成的壓力的緩解和消除，無不與生命科學與技術的發(fā)展密切相關。蛋白質處于生命活動的中心，是所有生命活動的載體和功能執(zhí)行者，上述重大戰(zhàn)略問題的產生或解決，只要與生物體、生命活動和生物功能有關，必然直接或間接地與蛋白質有關。3、解決國家重大戰(zhàn)略問題的需要我國存在著224、推動現代生物技術產業(yè)發(fā)展的需要蛋白質科學與技術涉及眾多的生物技術產業(yè)。蛋白質的研究必然催生更多的高新技術產業(yè)，對經濟發(fā)展必將發(fā)揮巨大的推動作用。通過人或動物功能蛋白質的研究，將會促進基于蛋白質的原創(chuàng)性新藥的研究與開發(fā)，加快制藥產業(yè)的發(fā)展。人體健康與否，與存在于其體內的幾萬種蛋白息息相關；很多人類疾?。òㄟz傳病、癌癥等）的出現其實都可歸因于體內蛋白質作用異常的結果。因此對蛋白質的研究必然大大促進醫(yī)學和醫(yī)學生物技術的發(fā)展。4、推動現代生物技術產業(yè)發(fā)展的需要蛋白質科學與技23通過植物功能蛋白質的研究，將揭示農作物重要農藝性狀的調控機理，鑒定和利用相應的基因，加快農作物的遺傳改良。另外，蛋白質為主體的生物技術在化工、能源、環(huán)境等方面都有重大的應用前景和潛力?？傊瑢Φ鞍踪|研究計劃的實施，不僅會促進人類對生命本質的認識，它同時也將有助于我們人類解決所面臨的眾多生存問題。通過植物功能蛋白質的研究，將揭示農作物重要農藝性24二、蛋白質研究計劃的主要方面

就蛋白質而言，科學家最為關注的是它們在所有生命有機體內所發(fā)揮的形形色色的生物學功能：從成千上萬種生物化學反應的催化到生物對各種有害環(huán)境的抵御，從形成生物個體形態(tài)的機械支持到生命有機體所產生的各種微觀和宏觀的機械運動，從將太陽能轉換為化學能的光合作用到遺傳信息的復制、表達和修復等。二、蛋白質研究計劃的主要方面就蛋白質25盡管科學家已經對大量蛋白開展過不同程度的研究，但從基因組DNA測序所獲得的信息來看，科學家對生物體內還有大約一半的蛋白質分子還從未有過任何了解。在“后基因組時代”，我們必須回答他們在生物體內發(fā)揮何種功能。盡管科學家已經對大量蛋白開展過不同程度261、蛋白質的生物學功能

對于生命科學家而言，可能最為關心的是每一種蛋白質在生物有機體內究竟完成什么樣的生物學功能。基因組DNA測序的主要結果是揭示了每一種模式生物的遺傳信息所編碼的總蛋白的大概數目和每一種蛋白質的可能氨基酸序列。根據對不同生物的基因組測序所預測出的編碼蛋白質分子中，我們對其中大約一半的蛋白質分子還未曾有過任何接觸，在“后基因組時代”我們測定它們的結構并認識它們的生物學功能。1、蛋白質的生物學功能 對于生命科學家27

對蛋白質結構的了解終究是服務于對其功能的認識。在認識某一正常（如細胞的分裂、分化，個體的發(fā)育，思維和記憶的分子基礎等）或異常（像細胞的癌變等機體病變）的生命現象時，我們都首先需要了解的是參與有關過程的蛋白質分子種類和它們各自所發(fā)揮的生物學功能。對蛋白質結構的了解終究是服務于對其功28

而要認識某種蛋白質在生命有機體內的功能還仍舊缺乏普遍適用的方法。因此與測定蛋白質的靜態(tài)三維結構相比，認識蛋白質功能的工作更為艱巨和更富挑戰(zhàn)性。也使得認識蛋白質的生物學功能成為未來一個從理論到方法都極需創(chuàng)新的領域。而要認識某種蛋白質在生命有機體內的292、蛋白質發(fā)揮功能的結構基礎盡管對蛋白質結構的研究在上個世紀的中期就已經開始了，但其工作還遠未結束。目前的物理學手段（比較重要是X-射線晶體衍射方法）在測定蛋白質靜態(tài)三維空間結構方面已經相當有效。但對于很多無法形成晶體的蛋白質而言，目前還沒有有效的物理方法能夠用于測定它們的空間結構（但通過核磁共振和電子顯微學方法測定這類蛋白質結構的方法學正在發(fā)展之中）。2、蛋白質發(fā)揮功能的結構基礎盡管對蛋30而且，對于蛋白質發(fā)揮生物學功能而言，更為重要的是在原子和分子水平測定其發(fā)揮作用過程中其非共價結構的快速動態(tài)變化。在后一方面的研究理論和研究手段方面都幾乎還是空白，迫切需要物理學家、化學家和數學家等的參與。

而且，對于蛋白質發(fā)揮生物學功能而言，更為313、蛋白質分子之間以及蛋白質分子與其它生物分子之間的相互作用生物體的基本結構單位是細胞。近年的研究使得人們日益認識到，在細胞內成千上萬種蛋白質分子之間并不是孤立地發(fā)揮其生物學功能的，它們需要在特異相互識別基礎上進行可逆的“弱”相互作用，而形成不同的蛋白質“機器”，進而完成不同的生物學功能。3、蛋白質分子之間以及蛋白質分子與其它生物分子之間的相互作用32同時，蛋白質生物學功能的發(fā)揮也依賴于蛋白分子與非蛋白質分子（如核酸、糖、脂類和各種小分子）之間特異的、可逆的、動態(tài)的和可調節(jié)的相互作用而實現.同時，蛋白質生物學功能的發(fā)揮也依賴于蛋白33

理解和分析這些強度不一的特異“弱”相互作用、這種相互作用所形成的網絡以及通過這種相互作用所實現的信息的傳遞和功能的協調是認識很多生命過程的基礎。認識蛋白質分子之間這種“弱”相互作用的本質和規(guī)律自然離不開物理學家、化學家、數學家等提供思考的理論和探索的方法。理解和分析這些強度不一的特異“弱”344、細胞中蛋白種類的時間和空間差異

像動物和植物這樣的多細胞生物發(fā)育過程的關鍵是細胞的分化（即從一個細胞分裂形成的后代細胞不斷出現差異的過程），即從一個單一的受精卵細胞開始，通過不斷的細胞的分裂和分化而形成不同的組織和器官。4、細胞中蛋白種類的時間和空間差異35與早期推測完全不同的是，分子生物學的研究成果表明，在組成這樣的多細胞生物體的每一類細胞中的基因組的組成（即細胞核中的DNA分子序列）是完全相同的。與早期推測完全不同的是，分子生物學的研36

細胞類型的差異在于由基因組編碼的蛋白質在特定細胞中被表達的種類各不相同、蛋白質的修飾和蛋白質的相互作用的網絡也不相同。細胞的分化過程被認為是這種存在于不同細胞中的蛋白的差異所致。細胞類型的差異在于由基因組編碼的蛋白37

近年發(fā)展起來的蛋白質組學方法，旨在分析存在于特定細胞或組織中的全部（幾千甚至幾萬種）的蛋白質種類以及同一細胞處于不同環(huán)境條件下的蛋白的差異。但因為很多蛋白質在細胞內的存在量極微或存在的時間極短，目前還難以有真正有效地去捕捉這些蛋白質分子。近年發(fā)展起來的蛋白質組學方法，旨在分38

同時，如何利用這樣得到的不同細胞的蛋白種類差異譜去認識蛋白質的生物學功能也還需要從理論和方法學上進行突破。而這個方面的研究也同樣離不開數、理、化等學科科學家的參與。同時，如何利用這樣得到的不同細胞的蛋白395、蛋白質的單分子行為

傳統的對蛋白質分子行為的研究都是基于對單種蛋白質分子的統計行為的觀察。人們期望能夠對單個蛋白質分子（包括由多個蛋白質分子相互作用形成的復合體）在發(fā)揮生物學功能時的動態(tài)結構進行全程觀察：比如，一個酶蛋白分子是如何完成一個完整催化過程的；一個“馬達蛋白”分子是如何將儲存于ATP（生物體內的能量貨幣）中的化學能高效地轉化為機械能的。5、蛋白質的單分子行為傳統的對蛋白質分40

近年來，一些物理學家出身的生命科學家已經開始了這樣的所謂蛋白質的單分子研究。建立這種單分子研究系統的挑戰(zhàn)主要在于方法的靈敏性（單個蛋白分子能夠發(fā)出的檢測信號是極其微弱的）和快速性（完成某一過程的時間可以在皮秒范圍甚至更快！）。同樣地，這樣的極富挑戰(zhàn)性的研究獲得成功的關鍵在于學科的高度交叉。近年來，一些物理學家出身的生命科學家已41

從不同層次（單分子，蛋白質復合物，體外，細胞水平和整體水平）研究蛋白質的結構、功能和作用機制出發(fā)，蛋白質研究必須必然經歷一個從體外到體內的過程。研究蛋白質在體內（即細胞和整體水平）的行為盡管還很難進行，但這是未來蛋白質研究的必經之路。從不同層次（單分子，蛋白質復合物，體42蛋白質結構的高度有組織性、結構和功能的高度多樣化、結構和功能的高度對應性、以及完成功能時的快速性和可調節(jié)性等特性，使得我們可以將蛋白質分子看作是一個高度復雜的“系統”，同時其大小也使其成為納米科學研究的理想對象之一。蛋白質結構的高度有組織性、結構和功能的高43作為生命活動的執(zhí)行者，蛋白質中也許蘊涵著還未曾被人類發(fā)現的新的物質運動規(guī)律。通過非共價相互作用而形成的靈活可變的蛋白質相互作用網絡蘊涵著許多生命的奧秘。作為生命活動的執(zhí)行者，蛋白質中也許蘊涵44所以在驚嘆通過蛋白質而實現的高度靈活的生命過程的同時，我們迫切需要物理學家、化學家和數學家對這樣的復雜系統開展研究，在發(fā)現新的物質運動規(guī)律的同時，能夠用物理的、化學的和數學的語言和手段來精確描述和研究生命現象，最終實現對生命過程這樣一個非線性過程的定性和定量的描述。所以在驚嘆通過蛋白質而實現的高度靈活456、發(fā)展新的蛋白質研究方法論和新的技術

研究蛋白質的理論需要創(chuàng)新，但理論創(chuàng)新離不開新的更為精密和高效的技術手段的出現。技術在推動科學發(fā)展的過程經常起著舉足輕重的作用，尤其當研究進入微觀層次之后。從上面的描述中，我們已經看到，研究蛋白質還存在很多方法手段上的障礙。6、發(fā)展新的蛋白質研究方法論和新的技術46

用何種方法我們才能真正完全打開蛋白質這個“神秘王國”的大門呢？這將是對21世紀科學家們的一個重大挑戰(zhàn)。蛋白質研究新方法的建立可能更多的需要依賴于非生物學家們的努力。用何種方法我們才能真正完全打開蛋白477、蛋白質的應用基礎

蛋白質生物功能的多樣性決定了它在未來生物技術發(fā)展中的主角地位。只有當我們對生命有機體中那成千上萬種蛋白質的結構和功能有了充分了解之后，生物技術的無窮威力才可能得以真正發(fā)揮、生物技術才會成為一個成熟的產業(yè)：除了在醫(yī)療和農業(yè)上的直接的應用之外，對發(fā)揮不同生物學功能的蛋白質機器的深入了解將改變我們的工業(yè)模式。7、蛋白質的應用基礎 蛋白質生物功能的多樣性決定了48近期應用前景

蛋白質除了可以直接作為臨床藥物之外（如胰島素、生長激素、干擾素、白細胞介素等等），也是很多小分子藥物和中藥的作用靶點。比如阿斯匹林就是通過抑制一種催化前列腺素合成的關鍵酶蛋白而發(fā)揮其效應的；很多抗菌素是通過抑制細菌細胞的蛋白質合成過程而發(fā)揮作用的等。因此對不同生物體內蛋白質結構和功能的深入研究將會大大改變新藥研發(fā)的方式和效率。近期應用前景 蛋白質除了可以直接作為臨床49遠期應用前景

催化生物有機體內各種各樣化學轉化過程的是被稱為酶的一大類蛋白質。對這些蛋白的功能和作用機制的深入研究，將會大大促進它們在化學工業(yè)和環(huán)境保護中的應用。遠期應用前景 催化生物有機體內各種各樣化學50

對蛋白質結構和功能的深入研究不僅會大大促進我們對天然存在的蛋白質在人類生活的各個方面的應用，同時我們還可以設計出具有新的活性的人工蛋白質來完成我們所期望的工作。對蛋白質的深入研究毫無疑問將會大大擴展人類對蛋白質的直接和間接應用的范圍。對蛋白質結構和功能的深入研究不僅會51三、實施蛋白質研究計劃的可行性

在我國實施該計劃，除了具有重大意義和必要性外，也具有廣泛和牢靠的基礎。

1、已得到科學界的共識和支持

蛋白質的研究是人類認識生命現象的關鍵之一。當今，全面深刻認識蛋白質又絕非傳統生物學所能，它注定需要多學科的交叉，并正在引起越來越多的物理學、化學、數學、計算機科學等科學家的興趣和關注，有一些有影響的科學家已涉足其中，并取得成績。三、實施蛋白質研究計劃的可行性在我國實522、已有較好的研究積累、條件和進展

蛋白質的研究在我國是有傳統的，并取得過世界領先的研究成果，如人工全化學合成牛胰島素及其三維晶體結果測定。近年來，在多個國家計劃的支持下，已建立了一些蛋白質研究的高水平技術平臺和基地，在國際一流的學術刊物上發(fā)表了有國際影響的研究成果，為今后的研究打下了堅實的基礎。2、已有較好的研究積累、條件和進展 蛋白質的研533、已形成一支必要的研究隊伍

通過幾十年的努力，特別是近二十年來，已經形成一支由數十位院士領銜，上百位中青年學術帶頭人承擔，以生物學家，物理學家、化學家和數學家為主的蛋白質科學研究的交叉人才隊伍。這些國際國內的條件為我們在中國成功實施“蛋白質研究計劃”奠定了良好的基礎。3、已形成一支必要的研究隊伍 通過幾十年的努力54四、蛋白質研究計劃實施

的原則方案基礎科學重大專項的最終目的是在理論和技術源頭上獲得創(chuàng)新的成果。其實施的原則和組織體系與工程類重大專項的實施原則和體系會有所不同。四、蛋白質研究計劃實施

的原則方案基55

1、組織一個該重大專項實施的總體部，建議設在國家自然科學基金委員會，便于整個項目的領導和協調；在北京和上海分設兩個分部，便于地區(qū)性的協調；組織有基礎的高等學校、研究院所、專門實驗室參與；成立獨立的、有權威性的學術和評價委員會。

56

2、建立若干個公共的、集群式的研究基地和技術平臺，集中在一個相對小的地區(qū)，如北京，上海和合肥等已具備良好蛋白質研究的地區(qū),其它地區(qū)視發(fā)展情況再定。要配置最先進的研究設備和發(fā)展最先進的實驗技術，要注意與已有的和計劃中的大科學裝置的結合，為學科交叉研究創(chuàng)造最好的研究條件。2、建立若干個公共的、集群式的研究基57

3、采取“導向性研究”與“自由探索研究”相結合的方式。在“導向性研究”為主的前提下，留有一定的“自由探索研究”空間，支持少部分科學家進行蛋白質研究領域的必要的自由探索研究，以期獲得難以預料的成果或突破。3、采取“導向性研究”與“自由探索研究58

4、項目要設立專門的專利管理部門，及時進行成果專利化的分析和申報。委托有相關經驗、誠信度高的社會中介機構，對成果及時進行經濟評估和幫助進行轉化。4、項目要設立專門的專利管理部門，及時進59

5、基礎科學研究比較適合開展國際合作。應該在充分強調自主的前提下，加強國際合作。5、基礎科學研究比較適合開展國際合作。應60總之，通過該計劃的實施，我國要在蛋白質科學與技術的重要戰(zhàn)略方向產生一系列重大的科學與技術研究成果，建立國際領先的研究、開發(fā)和成果轉化體系。總之，通過該計劃的實施，我國要在蛋白質61附：上?；A科學戰(zhàn)略研究

生物與醫(yī)學領域將圍繞上海的人口與健康，以應用為導向，將“重要疾病發(fā)生機理與防治”、“營養(yǎng)、代謝和衰老”、“城市人口和生活質量”作為發(fā)展重點。并將基因組學、蛋白質科學、代謝組學、細胞活動的分子機制、腦與認知的正常和異常的生物學基礎、重大疾病發(fā)病機制及相關的防治措施作為重要研究方向。附：上海基礎科學戰(zhàn)略研究生物與醫(yī)學領62演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！63國家中長期科學與技術發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃研究

“基礎科學問題專題組”提出的

重大專項計劃之一

蛋白質研究計劃

（2006-2020）國家中長期科學與技術發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃研究課件64重大科學研究計劃

根據世界科學發(fā)展趨勢和我國重大戰(zhàn)略需求，選擇能引領未來發(fā)展，對科學和技術發(fā)展有很強帶動作用，可促進我國持續(xù)創(chuàng)新能力迅速提高，同時具有優(yōu)秀創(chuàng)新團隊的研究方向，重點部署四項重大科學研究計劃。這些方向的突破，可顯著提升我國的國際競爭力，大力促進可持續(xù)發(fā)展，實現重點跨越。重大科學研究計劃

根據世界科學發(fā)展趨勢和我65(1)蛋白質研究

蛋白質是最主要的生命活動載體和功能執(zhí)行者。對蛋白質復雜多樣的結構功能、相互作用和動態(tài)變化的深入研究，將在分子、細胞和生物體等多個層次上全面揭示生命現象的本質，是后基因組時代的主要任務。同時，蛋白質科學研究成果將催生一系列新的生物技術，帶動醫(yī)藥、農業(yè)和綠色產業(yè)的發(fā)展，引領未來生物經濟。因此，蛋白質科學是目前發(fā)達國家激烈爭奪的生命科學制高點。(1)蛋白質研究

蛋白質是最主要的生命66重點研究重要生物體系的轉錄組學、蛋白質組學、代謝組學、結構生物學、蛋白質生物學功能及其相互作用、蛋白質相關的計算生物學與系統生物學，蛋白質研究的方法學，相關應用基礎研究等。重點研究重要生物體系的轉錄組學、蛋白質67(2)量子調控研究

以微電子為基礎的信息技術將達到物理極限，對信息科技發(fā)展提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，人類必須尋求新出路，而以量子效應為基礎的新的信息手段初露端倪，并正在成為發(fā)達國家激烈競爭的焦點。量子調控就是探索新的量子現象，發(fā)展量子信息學、關聯電子學、量子通信、受限小量子體系及人工帶隙系統，構建未來信息技術理論基礎，具有明顯的前瞻性，有可能在20~30年后對人類社會經濟發(fā)展產生難以估量的影響。(2)量子調控研究

以微電子為基礎的信68

重點研究量子通信的載體和調控原理及方法，量子計算，電荷－自旋－相位－軌道等關聯規(guī)律以及新的量子調控方法，受限小量子體系的新量子效應，人工帶隙材料的宏觀量子效應，量子調控表征和測量的新原理和新技術基礎等。重點研究量子通信的載體和調控原理及方法，量子計69(3)納米研究

物質在納米尺度下表現出的奇異現象和規(guī)律將改變相關理論的現有框架，使人們對物質世界的認識進入到嶄新的階段，孕育著新的技術革命，給材料、信息、綠色制造、生物和醫(yī)學等領域帶來極大的發(fā)展空間。納米科技已成為許多國家提升核心競爭力的戰(zhàn)略選擇，也是我國有望實現跨越式發(fā)展的領域之一。

(3)納米研究

物質在納米尺度下表現出70重點研究納米材料的可控制備、自組裝和功能化，納米材料的結構、優(yōu)異特性及其調控機制，納加工與集成原理，概念性和原理性納器件，納電子學，納米生物學和納米醫(yī)學，分子聚集體和生物分子的光、電、磁學性質及信息傳遞，單分子行為與操縱，分子機器的設計組裝與調控，納米尺度表征與度量學，納米材料和納米技術在能源、環(huán)境、信息、醫(yī)藥等領域的應用。重點研究納米材料的可控制備、自組裝和功能71(4)發(fā)育與生殖研究

動物克隆、干細胞等一系列舉世矚目的成就為生命科學與醫(yī)學的未來發(fā)展帶來了重大的機遇。然而這些成果大多還不能直接造福于人類，主要原因是對生殖與發(fā)育過程及其機理缺乏系統深入的認識。我國人口增長量大，出生缺陷多，移植器官嚴重短缺，老齡化高峰即將到來，迫切需要生殖與發(fā)育科學理論的突破和技術創(chuàng)新。(4)發(fā)育與生殖研究

動物克隆、干細胞等72重點研究干細胞增殖、分化和調控，生殖細胞發(fā)生、成熟與受精，胚胎發(fā)育的調控機制，體細胞去分化和動物克隆機理，人體生殖功能的衰退與退行性病變的機制，輔助生殖與干細胞技術的安全和倫理等。重點研究干細胞增殖、分化和調控，生殖細胞發(fā)生、成熟73蛋白質研究計劃蛋白質研究計劃74摘要蛋白質是一切生命活動的功能執(zhí)行者,是生物技術研發(fā)的主體。“人類基因組計劃”的完成宣告生命科學與技術的研究進入了“后基因組時代”。自此，蛋白質研究成為科學界關注的核心之一。在國際學術界提出“人類蛋白質組計劃”后,及時實施我國蛋白質研究計劃,符合提高我國科技競爭實力的需要、符合解決國家重大戰(zhàn)略問題的需要、符合推動現代生物技術產業(yè)發(fā)展的需要和促進科學技術自身發(fā)展的需要。摘要蛋白質是一切生命活動的功能執(zhí)行者,是生物技75

蛋白質研究計劃將圍繞：蛋白質的生物學功能、蛋白質功能的結構基礎、蛋白質的相互作用網絡、細胞中蛋白種類的時空差異、體內外蛋白質的單分子行為等重大科學問題。蛋白質研究計劃將圍繞：76重點研究的內容：

1、選擇具有重要功能或病理意義的人類組織或器官，重要經濟生物為研究對象，開展蛋白質組及其調控規(guī)律的研究；

2、選擇具有重要功能的蛋白質分子、蛋白質分子間或蛋白質與非蛋白質分子間的復合體、代謝/信號轉導通路等進行規(guī)?；慕Y構，功能、功能網絡和動態(tài)結構的研究。重點研究的內容：77

該計劃的實施必將促進多學科（如生命科學、技術科學、信息科學、數理科學、分析科學、材料科學等）的廣泛交叉與融合，必將推動我國跨學科、跨行業(yè)、跨部門、跨地域的大科學協作，必將實現我國蛋白質科學與技術領域的跨越式發(fā)展，從而帶動生命科學與生物技術的快速突破，為醫(yī)藥、農業(yè)、工業(yè)、資源環(huán)境與能源、國防等行業(yè)/產業(yè)改造和換代提供強大的科技原動力和戰(zhàn)略性支撐。

該計劃的實施必將促進多學科（如生命科學、78

“人類基因組計劃”與“曼哈頓原子彈研制計劃”、“阿波羅登月計劃”一道被譽為二十世紀三大科技工程，其完成宣告人類從此進入“后基因組時代”,自此，蛋白質研究成為科學界關注的核心。正如恩格斯所言，“生命是蛋白體的存在形式”。蛋白質是一切生命活動的功能執(zhí)行體，是生物技術研發(fā)的主體。蛋白質由于其結構、功能的多樣性和廣泛的相互作用，演繹出生命的復雜性與生物界的多樣性。圍繞著蛋白質研究，學術界提出了又一個大科學工程：“人類蛋白質組計劃”?！叭祟惢蚪M計劃”與79

在此國際大背景下，我們擬提出我國的“蛋白質研究計劃”。該計劃的整體思路是：瞄準我國經濟社會發(fā)展的戰(zhàn)略需求，針對蛋白質這一類生命活動的關鍵物質開展理論和應用研究。

在此國際大背景下，我們擬提出我國的“蛋白質研究計劃80一、實施該計劃的重大意義和必要性1、帶動我國基礎科學學科發(fā)展的需要

自上世紀中旬以來，以揭示生命奧秘為目標的生命科學已經日益成為了基礎科學各學科中最為活躍的（或領頭）學科之一。與經典生物學不同的是，當代生命科學已變得日益定量化和精確化。生命科學一方面在數、理、化等學科的推動下得到了迅猛發(fā)展，它同時也為這些基礎學科提出了大量新的命題，從而為后者的進一步發(fā)展提供著動力和素材。一、實施該計劃的重大意義和必要性1、帶動我國基礎科學學科發(fā)展81

其實施不僅會大大提升我國生命科學在世界科學界的地位，同時也必將戰(zhàn)略性地帶動我國數、理、化等學科的發(fā)展，進而提升我國總體的基礎科學創(chuàng)新能力。其實施不僅會大大提升我國生命科學在世822、提高我國科技競爭實力的需要蛋白質科學與技術已逐步成為本世紀生命科學領域中爭奪最激烈的前沿陣地。以發(fā)達國家為主導已經提出了“人類蛋白質組計劃”，并紛紛投入巨資和人力，為的是要搶占這一重要而又有限的生物戰(zhàn)略資源，搶占發(fā)展的先機。2、提高我國科技競爭實力的需要蛋白質科學83許多跨國公司和企業(yè)也大量投資此領域，以搶占商機。在我國,重點組織蛋白質研究就是要打破發(fā)達國家壟斷國際重大戰(zhàn)略研究計劃的局面，繼續(xù)在這一領域開創(chuàng)和擴大中國領銜重大國際合作項目的范圍，主動把握生物經濟時代發(fā)展的主脈，大幅度提高我國生命科學與技術領域及其相關產業(yè)的原始創(chuàng)新能力和國際競爭力。許多跨國公司和企業(yè)也大量投資此領域，843、解決國家重大戰(zhàn)略問題的需要

我國存在著若干嚴重影響我國可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略問題。人口與健康問題、農業(yè)問題、能源和環(huán)境問題、生物安全問題等對我國社會和經濟所形成的壓力的緩解和消除，無不與生命科學與技術的發(fā)展密切相關。蛋白質處于生命活動的中心，是所有生命活動的載體和功能執(zhí)行者，上述重大戰(zhàn)略問題的產生或解決，只要與生物體、生命活動和生物功能有關，必然直接或間接地與蛋白質有關。3、解決國家重大戰(zhàn)略問題的需要我國存在著854、推動現代生物技術產業(yè)發(fā)展的需要蛋白質科學與技術涉及眾多的生物技術產業(yè)。蛋白質的研究必然催生更多的高新技術產業(yè)，對經濟發(fā)展必將發(fā)揮巨大的推動作用。通過人或動物功能蛋白質的研究，將會促進基于蛋白質的原創(chuàng)性新藥的研究與開發(fā)，加快制藥產業(yè)的發(fā)展。人體健康與否，與存在于其體內的幾萬種蛋白息息相關；很多人類疾?。òㄟz傳病、癌癥等）的出現其實都可歸因于體內蛋白質作用異常的結果。因此對蛋白質的研究必然大大促進醫(yī)學和醫(yī)學生物技術的發(fā)展。4、推動現代生物技術產業(yè)發(fā)展的需要蛋白質科學與技86通過植物功能蛋白質的研究，將揭示農作物重要農藝性狀的調控機理，鑒定和利用相應的基因，加快農作物的遺傳改良。另外，蛋白質為主體的生物技術在化工、能源、環(huán)境等方面都有重大的應用前景和潛力。總之，對蛋白質研究計劃的實施，不僅會促進人類對生命本質的認識，它同時也將有助于我們人類解決所面臨的眾多生存問題。通過植物功能蛋白質的研究，將揭示農作物重要農藝性87二、蛋白質研究計劃的主要方面

就蛋白質而言，科學家最為關注的是它們在所有生命有機體內所發(fā)揮的形形色色的生物學功能：從成千上萬種生物化學反應的催化到生物對各種有害環(huán)境的抵御，從形成生物個體形態(tài)的機械支持到生命有機體所產生的各種微觀和宏觀的機械運動，從將太陽能轉換為化學能的光合作用到遺傳信息的復制、表達和修復等。二、蛋白質研究計劃的主要方面就蛋白質88盡管科學家已經對大量蛋白開展過不同程度的研究，但從基因組DNA測序所獲得的信息來看，科學家對生物體內還有大約一半的蛋白質分子還從未有過任何了解。在“后基因組時代”，我們必須回答他們在生物體內發(fā)揮何種功能。盡管科學家已經對大量蛋白開展過不同程度891、蛋白質的生物學功能

對于生命科學家而言，可能最為關心的是每一種蛋白質在生物有機體內究竟完成什么樣的生物學功能。基因組DNA測序的主要結果是揭示了每一種模式生物的遺傳信息所編碼的總蛋白的大概數目和每一種蛋白質的可能氨基酸序列。根據對不同生物的基因組測序所預測出的編碼蛋白質分子中，我們對其中大約一半的蛋白質分子還未曾有過任何接觸，在“后基因組時代”我們測定它們的結構并認識它們的生物學功能。1、蛋白質的生物學功能 對于生命科學家90

對蛋白質結構的了解終究是服務于對其功能的認識。在認識某一正常（如細胞的分裂、分化，個體的發(fā)育，思維和記憶的分子基礎等）或異常（像細胞的癌變等機體病變）的生命現象時，我們都首先需要了解的是參與有關過程的蛋白質分子種類和它們各自所發(fā)揮的生物學功能。對蛋白質結構的了解終究是服務于對其功91

而要認識某種蛋白質在生命有機體內的功能還仍舊缺乏普遍適用的方法。因此與測定蛋白質的靜態(tài)三維結構相比，認識蛋白質功能的工作更為艱巨和更富挑戰(zhàn)性。也使得認識蛋白質的生物學功能成為未來一個從理論到方法都極需創(chuàng)新的領域。而要認識某種蛋白質在生命有機體內的922、蛋白質發(fā)揮功能的結構基礎盡管對蛋白質結構的研究在上個世紀的中期就已經開始了，但其工作還遠未結束。目前的物理學手段（比較重要是X-射線晶體衍射方法）在測定蛋白質靜態(tài)三維空間結構方面已經相當有效。但對于很多無法形成晶體的蛋白質而言，目前還沒有有效的物理方法能夠用于測定它們的空間結構（但通過核磁共振和電子顯微學方法測定這類蛋白質結構的方法學正在發(fā)展之中）。2、蛋白質發(fā)揮功能的結構基礎盡管對蛋93而且，對于蛋白質發(fā)揮生物學功能而言，更為重要的是在原子和分子水平測定其發(fā)揮作用過程中其非共價結構的快速動態(tài)變化。在后一方面的研究理論和研究手段方面都幾乎還是空白，迫切需要物理學家、化學家和數學家等的參與。

而且，對于蛋白質發(fā)揮生物學功能而言，更為943、蛋白質分子之間以及蛋白質分子與其它生物分子之間的相互作用生物體的基本結構單位是細胞。近年的研究使得人們日益認識到，在細胞內成千上萬種蛋白質分子之間并不是孤立地發(fā)揮其生物學功能的，它們需要在特異相互識別基礎上進行可逆的“弱”相互作用，而形成不同的蛋白質“機器”，進而完成不同的生物學功能。3、蛋白質分子之間以及蛋白質分子與其它生物分子之間的相互作用95同時，蛋白質生物學功能的發(fā)揮也依賴于蛋白分子與非蛋白質分子（如核酸、糖、脂類和各種小分子）之間特異的、可逆的、動態(tài)的和可調節(jié)的相互作用而實現.同時，蛋白質生物學功能的發(fā)揮也依賴于蛋白96

理解和分析這些強度不一的特異“弱”相互作用、這種相互作用所形成的網絡以及通過這種相互作用所實現的信息的傳遞和功能的協調是認識很多生命過程的基礎。認識蛋白質分子之間這種“弱”相互作用的本質和規(guī)律自然離不開物理學家、化學家、數學家等提供思考的理論和探索的方法。理解和分析這些強度不一的特異“弱”974、細胞中蛋白種類的時間和空間差異

像動物和植物這樣的多細胞生物發(fā)育過程的關鍵是細胞的分化（即從一個細胞分裂形成的后代細胞不斷出現差異的過程），即從一個單一的受精卵細胞開始，通過不斷的細胞的分裂和分化而形成不同的組織和器官。4、細胞中蛋白種類的時間和空間差異98與早期推測完全不同的是，分子生物學的研究成果表明，在組成這樣的多細胞生物體的每一類細胞中的基因組的組成（即細胞核中的DNA分子序列）是完全相同的。與早期推測完全不同的是，分子生物學的研99

細胞類型的差異在于由基因組編碼的蛋白質在特定細胞中被表達的種類各不相同、蛋白質的修飾和蛋白質的相互作用的網絡也不相同。細胞的分化過程被認為是這種存在于不同細胞中的蛋白的差異所致。細胞類型的差異在于由基因組編碼的蛋白100

近年發(fā)展起來的蛋白質組學方法，旨在分析存在于特定細胞或組織中的全部（幾千甚至幾萬種）的蛋白質種類以及同一細胞處于不同環(huán)境條件下的蛋白的差異。但因為很多蛋白質在細胞內的存在量極微或存在的時間極短，目前還難以有真正有效地去捕捉這些蛋白質分子。近年發(fā)展起來的蛋白質組學方法，旨在分101

同時，如何利用這樣得到的不同細胞的蛋白種類差異譜去認識蛋白質的生物學功能也還需要從理論和方法學上進行突破。而這個方面的研究也同樣離不開數、理、化等學科科學家的參與。同時，如何利用這樣得到的不同細胞的蛋白1025、蛋白質的單分子行為

傳統的對蛋白質分子行為的研究都是基于對單種蛋白質分子的統計行為的觀察。人們期望能夠對單個蛋白質分子（包括由多個蛋白質分子相互作用形成的復合體）在發(fā)揮生物學功能時的動態(tài)結構進行全程觀察：比如，一個酶蛋白分子是如何完成一個完整催化過程的；一個“馬達蛋白”分子是如何將儲存于ATP（生物體內的能量貨幣）中的化學能高效地轉化為機械能的。5、蛋白質的單分子行為傳統的對蛋白質分103

近年來，一些物理學家出身的生命科學家已經開始了這樣的所謂蛋白質的單分子研究。建立這種單分子研究系統的挑戰(zhàn)主要在于方法的靈敏性（單個蛋白分子能夠發(fā)出的檢測信號是極其微弱的）和快速性（完成某一過程的時間可以在皮秒范圍甚至更快?。Ｍ瑯拥?，這樣的極富挑戰(zhàn)性的研究獲得成功的關鍵在于學科的高度交叉。近年來，一些物理學家出身的生命科學家已104

從不同層次（單分子，蛋白質復合物，體外，細胞水平和整體水平）研究蛋白質的結構、功能和作用機制出發(fā)，蛋白質研究必須必然經歷一個從體外到體內的過程。研究蛋白質在體內（即細胞和整體水平）的行為盡管還很難進行，但這是未來蛋白質研究的必經之路。從不同層次（單分子，蛋白質復合物，體105蛋白質結構的高度有組織性、結構和功能的高度多樣化、結構和功能的高度對應性、以及完成功能時的快速性和可調節(jié)性等特性，使得我們可以將蛋白質分子看作是一個高度復雜的“系統”，同時其大小也使其成為納米科學研究的理想對象之一。蛋白質結構的高度有組織性、結構和功能的高106作為生命活動的執(zhí)行者，蛋白質中也許蘊涵著還未曾被人類發(fā)現的新的物質運動規(guī)律。通過非共價相互作用而形成的靈活可變的蛋白質相互作用網絡蘊涵著許多生命的奧秘。作為生命活動的執(zhí)行者，蛋白質中也許蘊涵107所以在驚嘆通過蛋白質而實現的高度靈活的生命過程的同時，我們迫切需要物理學家、化學家和數學家對這樣的復雜系統開展研究，在發(fā)現新的物質運動規(guī)律的同時，能夠用物理的、化學的和數學的語言和手段來精確描述和研究生命現象，最終實現對生命過程這樣一個非線性過程的定性和定量的描述。所以在驚嘆通過蛋白質而實現的高度靈活1086、發(fā)展新的蛋白質研究方法論和新的技術

研究蛋白質的理論需要創(chuàng)新，但理論創(chuàng)新離不開新的更為精密和高效的技術手段的出現。技術在推動科學發(fā)展的過程經常起著舉足輕重的作用，尤其當研究進入微觀層次之后。從上面的描述中，我們已經看到，研究蛋白質還存在很多方法手段上的障礙。6、發(fā)展新的蛋白質研究方法論和新的技術109

用何種方法我們才能真正完全打開蛋白質這個“神秘王國”的大門呢？這將是對21世紀科學家們的一個重大挑戰(zhàn)。蛋白質研究新方法的建立可能更多的需要依賴于非生物學家們的努力。用何種方法我們才能真正完全打開蛋白1107、蛋白質的應用基礎

蛋白質生物功能的多樣性決定了它在未來生物技術發(fā)展中的主角地位。只有當我們對生命有機體中那成千上萬種蛋白質的結構和功能有了充分了解之后，生物技術的無窮威力才可能得以真正發(fā)揮、生物技術才會成為一個成熟的產業(yè)：除了在醫(yī)療和農業(yè)上的直接的應用之外，對發(fā)揮不同生物學功能的蛋白質機器的深入了解將改變我們的工業(yè)模式。7、蛋白質的應用基礎 蛋白質生物功能的多樣性決定了111近期應用前景

蛋白質除了可以直接作為臨床藥物之外（如胰島素、生長激素、干擾素、白細胞介素等等），也是很多小分子藥物和中藥的作用靶點。比如阿斯匹林就是通過抑制一種催化前列腺素合成的關鍵酶蛋白而發(fā)揮其效應的；很多抗菌素是通過抑制細菌細胞的蛋白質合成過程而發(fā)揮作用的等。因此對不同生物體內蛋白質結構和功能的深入研