为了将蛋白质复杂的三维结构简化和可视化，科学家创造了由彩带、线条和箭头组成的丝带图，这是当今最常见的蛋白质三维结构表示办法。那样，它是如何被创造的，它的出目前科学界又有哪些意义呢？

撰文 | 小闸蟹

Don't be afraid to go in new directions. Share, collaborate, and give away ideas and results freely.

不要害怕尝试新的方向。自由地推荐、合作、拿出想法和成就。

——Jane Richardson

1958年，英国生物学家John Cowdery Kendrew等人借助X射线衍射的办法，成功确定了抹香鲸肌红蛋白的三级结构，并将研究结果发表在了Nature上。这是人类历史上首个被X射线衍射技术解出高级结构的蛋白质。1962年， Kendrew和Max Perutz因分析血红蛋白结构共享了诺贝尔化学奖，自此，结构生物学作为一门学科开始如火如荼。

同时，在大西洋彼岸的美国，一个名叫Jane Shelby的17岁少女刚刚由于裸眼观测并计算出了苏联发射的人造卫星（Sputnik）的轨迹而获得了西屋科学人才发现大赛（Westinghouse Science Talent Search）的3、。该比赛始于1942年并延续到今天，现由美国再生元公司冠名（比赛名字是Regeneron Science Talent Search），旨在在高中生中挖掘和培养科学人才。

图1 Jane 的成绩到今天可查

Jane的爸爸是一位电气工程师，可能遭到家庭影响，她从三年级的一次对美国纽约海登天文馆的参观开始，就对数学和航空航天产生了浓厚的兴趣。她后来考入美国顶尖的文理学院斯沃斯莫尔学院（Swarthmore College），又在哈佛大学完成了硕士学习。毕业后，Jane当过一段时间的中学老师，随后进入了麻省理工学院的一个实验室担任技术员，开始接触结构生物学范围，并在那里遇见了当时正在攻读博士的David Richardson。

Jane和David在工作中感情升温，两人喜结连理，结婚以后也一直在为了相同的科研目的而努力。在反复对Kendrew等人的例子进行逆向研究之后，两人最后在1969年深入剖析和展示了细胞色素C的结构——这也是人类历史上第十个被解出结构的蛋白。（题外话：咱们说“爱情的结晶”是个比喻，人家是真有结晶。比不了，比不了。）

伴随愈加多的蛋白质结构被解出，结构生物学家们又面临着一个新的问题，那就是怎么样精准地表达蛋白质的结构，特别是在论文这种二维平面上展示蛋白质的三维结构。Kendrew等人发表第一个结构时，选择制作了一个模型然后拍照。显然，如此既不严谨，也不便捷。但当时的大家也并没更好的方法。

时间来到了1980年前后，Jane依旧在为这个问题而烦恼。有一次，她手中无意把玩着一根皮带，卷起的皮带就像连接起来的氨基酸骨架，这可能意味着三维蛋白质可以被更好地可视化。她以此为基础，经过一年的修修改改，创造了影响深远的丝带模型（Ribbon diagram，有时也被翻译为“飘带模型”等），并以The Anatomy and Taxonomy of Protein Structure为题写作论文，发表在1981年的Advances in Protein Chemistry年刊上。该文占据了一百七十余页的篇幅，从此奠定了Jane Richardson在蛋白质“三渲二（通过计算机或人工渲染，三维空间结构渲染在二维的纸张、屏幕等载体上展示，以便读者和观众阅读、观看和理解的技术）”范围的开山鼻祖地位。

Jane的工作一经推出，便在同行圈子内广受好评。缘由无他——实在是太好使了。丝带模型明确有效地将组成蛋白质的氨基酸骨架排列并展示出来。因为氨基酸骨架会自发地形成能量较低的α-螺旋、β-折叠等结构，所以Jane创造性地用像装饰彩带的结构表示α-螺旋，用扁平的箭头表示β-折叠，与用细线来表示连接上述两种结构之间的回路。

图2 左图为JC Kendrew的“模型拍照”；右图为Jane Richardson的“丝带模型”原稿。丨图片来源：参考文献[1]/Jane Richardson

这一模型的创造惊艳了整个圈子，但非常快同行们就发现，并非每个人都能画出这么优美而准确的图。于是Jane又成了圈子内炙手可热的“画师太太”。很多同行写信给她，问：“你能帮忙画画我的这个结构吗？”

显然，Jane一个人画不完这么多的结构，科学的进步也不可能寄托于科学家的美术天分。于是Jane和David夫妇想到了用计算机生成。八九十年代正是计算机技术如火如荼的年代，然而大约十年后，他们才终于做出了可以生成丝带模型的算法。在这个计算机程序完成后，Jane开心地说：“我终于不需要再用手画图啦！”非常难想象这十年来她历程了什么。

Jane的工作并没伴随放手画笔而终止，她一直在结构生物学范围深耕，并不断为这一模型添加新的特质，其中不少沿用到今天，比如氢键和结合水的表示等。

不能否认的是，丝带模型存在肯定的局限性，比如其为了精简结构而只描述了氨基酸的骨架，而没体现出侧链，因此没办法显示出蛋白质表面的通道、凹凸等和分子间相互用途有要紧关系的结合位点。因此后人又在这一模型的基础上进步出了球棍模型（BallStick Diagram）、空间占用模型（Space Filling Diagram）等经典模型，以供读者理解。

图3 三种常用模型的比较，左边为Jane Richardson创造的丝带模型，重点体现蛋白质的氨基酸骨架和结构域等特点；中间为球棍模型，较为准确地标明了每一个原子的地方；右边为空间占用模型，通过显示每一个原子的体积，可以更直观地呈现蛋白质分子中原子或原子团簇的实质空间分布，展示了蛋白质分子表面的形态、通道和孔隙等结构特点，能够帮助在药物研发等范围探寻潜在的结合位点。丨图片来源：Protein Data Bank

有人将图3中的左图称为“Cartoon”图，事实上，不一样的模型系统的命名存在差异。如蛋白质结构数据库（RCSB PDB）中，Cartoon和Ribbon均用丝带表示α-螺旋和β-折叠，不同在于Cartoon的无定形区使用柱状细线，同时用箭头标明了β-折叠的方向；而Ribbon的无定形区使用和α-螺旋、β-折叠一样的扁形丝带，同时β-折叠也没箭头——这都是在Jane的刚开始版本之上做的改动。

图4 左图为PDB中的“Cartoon”；右图为“Ribbon”（PDB：1FPU）。

其他地方的命名方法也存在不同。比如在PyMol软件中，“Cartoon”图像本文中提到的“Ribbon”和PDB的“Cartoon”，而“Ribbon”则是一种只展示主干的展示办法，见图5。

图5 左图为PyMol中的“Ribbon”，右图为“Cartoon”（PDB：1FPU）。

无论怎么样，到了现在，丝带模型仍然是最成功的蛋白质模型，也是最常在科研论文和科普读物中看到的模型。以至于不少的老师都得反复告诫学生：“这玩意儿就是个大概，你体内不是一群箭头和螺旋。”笔者本人以往的作品中也多有此模型的应用，在此一并向Jane奶奶致谢。

图6 Jane 的早期作图，已经拥有了当代“Ribbon”或者“Cartoon”的典型特点。丨图片来源：doi.org/10.1038/77912

Jane Richardson和爱人David一块，一直在为结构生物学的进步而努力，在蛋白质结构分析和结构可视化办法方面做出了巨大贡献。蛋白质数据库（Protein Data Bank）的创立有他们一份功劳；2019年，他们庆祝了一块在杜克大学度过的50周年龄念日，杜克大学官方称Jane为丝带模型之母（Mother of Ribbon Diagrams）；新冠肺炎疫情期间，他们还对新冠肺炎病毒蛋白的结构分析有所贡献。到了现在，他们依旧在杜克大学有我们的课题组。

图7 Jane Richardson丨图片来源：duke.edu

Jane Richardson一生没获得正式的博士学位，却有三个学校授与的荣誉博士学位。她十分鼓励青年的探索，并在一次采访中表示：“有些时候想想，目前的青年看蛋白质的方法和我80年代的时候是一样的。可能我创造了一个好办法，但一定不是唯一的办法。一个蛋白质长什么样子取决于你想怎么样展示它。”

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Tags：蛋白质