本文是2021年杜克大学的David C. Richardson、Jane S. Richardson夫妇和Scripps研究所的David S. Goodsell为庆祝PDB成立50周年撰写的综述，原题目为“Seeing the PDB”，副标题是译者加的。Jane S. Richardson教授和David C. Richardson教授是著名的生物化学家，几十年来致力于蛋白和RNA分子三维结构的研究。他们也是蛋白质晶体学、蛋白质从头设计以及分子图形学的开拓者。David Goodsell教授则是RCSB PDB网站著名的“本月分子（Molecule of the Month）”栏目结构图示的绘制者，他的图示促进了许多分子生物学，细胞生物学相关的生物大分子的结构机制阐释和科普。从20世纪60年代测定出第一个蛋白结构起，结构生物学家就有对于生物分子结构可视化方法的需求。结构可视化既是结构生物学家研究的必要工具，也能促进研究者、学生和公众对分子三维结构的理解。为了庆祝蛋白质结构数据库(PDB)成立50周年，我们特此分享我们在蛋白和核酸结构可视化和分析方法的发展和应用方面的经历。这些年来，简·理查德森（Jane Richardson）和大卫·理查德森（David Richardson）主要专注于研究生物大分子内部和分子之间的组织关系，从用丝带表示主链整体的折叠方式，到通过接触点显示局部全原子间的结合细节。大卫·古德塞尔（David Goodsell）则探索了基于表面的结构表示法，以直观地展示从分子到细胞等不同的生物学主题。我们对这个问题的解决方法有着根本性的不同，但也因此我们的方法高度互补。在PDB成立之前，科学报道中的蛋白通常以平滑的密度形式展示螺旋和原子连接关系或者以Watson–Kendrew铜管模型形式展示全部的细节。铜管模型的展示需要通过拍摄搭建的实体模型得到，且局限于黑白两色。第一个将这些信息转化为吸引人的、令人信服的、可理解的图画的专业艺术家和科学插画家是欧文·盖斯（Irving Geis）。图1A就是他为《科学美国人》杂志绘制的2埃的肌红蛋白的结构。这幅图中包含了深度信息，三维关系，原子类型，氢键，甚至氢原子，这样的图示比黄铜模型的照片更有效。图1B则是他绘制的脱氧血红蛋白四聚体的图示，在代表低分辨率电子密度的蓝色半透明管的内部是带有残基编号的Cα的轨迹。他还用红色表示蛋白中心开口的大小来和蛋白的氧合形式比较，表示蛋白的构象变化。![]()
这些肌红蛋白和血红蛋白的结构鼓舞了David Richardson将解析葡萄球菌核酸酶结构作为他的博士项目。后来，克里斯·安芬森（Chris Anfinsen）说服Jane为《Advances in Protein Chemistry》杂志绘制和分类所有现有蛋白质结构的任务时，Jane从Geis那里得到了许多有用的建议，比如用不同的颜色展示主链和侧链，有时不一致的表示有更好的显示效果：例如，Geis的图示中的主链羰基和所有血红素是全键红色，而其他地方则是半键颜色（见图1A）以及Jane的厚β带与薄α带与圆绳环（见图3的丝带图）。后来，Geis还以Jane的风格为他的朋友Fred Richards绘制了月光下的核糖核酸酶S。![]()
当Dave和Jane为金黄色葡萄球菌核酸酶搭建好了铜管模型之后，他们努力地想把主链的折叠形式（Fold）清晰地展示出来。对于把核酸酶当作无二硫键体系研究蛋白折叠问题的安芬森来说，他的建议是我们把装满荧光染料的四分之一英寸的聚乙烯管绑在铜管模型的骨架上，然后再在紫外光下观察（图3A,B）。这看起来就像最早期的计算机图形。![]()
Jane根据紫外光照射下的图像画了一个原始的“蠕虫”（图3C），后来又以一种接近过渡到丝带的形式绘制了一些小结构，如胰岛素（图3D），Dave则在他的课堂上学着画了血红蛋白四聚体的蠕虫风格结构。这些是丝带图的前身，后来又进一步受到了埃舍尔作品的启发。埃舍尔作品中丝带和环的创造性运用，使得观察者能够同时看到物体的正面和背面。Jane一直努力，在她能看到结构之后，她也希望读者能够看到，所以她的β丝带是连续的β片，而不是一小撮分开的箭头。![]()
图4. 启发Jane的“MC Escher ribbon head”[2]Jane开始并不熟悉艺术，她花了整整一年的时间为丝带风格制定有效的规范，练习如何绘制它们，并绘制了75种不同的蛋白质结构域结构，然后又花了一年的时间写了一篇长长的评论文章对这些结构进行说明。好在她当时时间相对宽裕。她建立或帮助建立了四种蛋白的初始模型，因此她能够在脑中直接想象到Cα图像中的肽方向和氢键。NIH的理查德·费尔德曼（Richard Feldman）实验室在计算机图形系统方面的开创性工作提供了交互式观察Cα轨迹的方法。Jane经常驾车前往他们实验室，去查看不同蛋白的坐标文件，然后带回这些文件的打印输出结果。![]()
丝带图中对于α螺旋（helix），β片层（sheet）和无规则环（loop）的绘制规范如图5A所示，其中无规则环的范例中环的下层还绘制了对应的Cα轨迹。图5B展示了金黄色葡萄球菌核酸酶的铅笔素描结构，它详细的绘制过程见图6。每一幅这样的草图都经历了大量的反复尝试、擦除和重绘，直到看起来正确为止。最终的钢笔墨水图是在铅笔草图上用厚描纸绘制的，然后由Dave拍摄成高对比度的修饰底片，用于综述文章的制作（图5D显示了类似的Greek-key折叠的结构)，并由我们作为着色书分发。双眼视觉会引起我们观察β片层的视错觉，如图5C所示，因此我们进行了绘制上的调整使得视觉感知上正确。![]()
最初用于幻灯片的阴影版本是用粘在一起的塑料剪裁而成的，其中黑白部分采用网点阴影，其他部分用彩色。粘好的图片常常会再加上配体或者重要的侧链。Dave的母亲是一位职业艺术家，她曾鼓励Jane尝试其他媒介，例如非常适合绘制放大版本的粉彩画。但粉彩画非常容易弄脏，所以Jane仅绘制了TIM（图7A）和SOD（图5D）的结构。此外，她还尝试了刮画板（图7B）、彩色玻璃，甚至用我们的斜切锯将1又1/4英寸直径的木质衣橱杆切割成片并粘合在一起，制作了一个小型雕塑（图7C），这个雕塑还登上了《Biophysical Journal》的封面。![]()
其他的艺术家也创作了许多丝带风格的雕塑，比如Byron Rubin（图8A，更多作品见：[4]），Bathsheba Grossman （图8B，更多作品见：[5]），Julian Voss-Andrea（图8C，更多作品见：[6]）。![]()
杜克大学的展览也展示了许多大分子可视化的历程中用以展示大分子结构的材料或作品，感兴趣的读者可线上前往参观[7]。
本文完。下期将继续介绍作者对计算机时代的大分子可视化回顾。[1] Lillie, B. (2014) What Wikipedia taught me about my grandfather. Atlantic Monthly[2] mcescher.com/gallery/most-popular/[3] exhibits.library.duke.edu/exhibits/show/invisible/case04[4] www.reed.edu/reed-magazine/articles/2019/byron-rubin-protein-sculptor.html[5] bathsheba.com/crystal/[7] https://exhibits.library.duke.edu/exhibits/show/invisible/case04
