施一公團隊首次捕獲剪接體高分辨率結構

如同電影《模仿游戲》中，“計算機科學之父”圖靈在二戰(zhàn)期間帶領團隊協(xié)助盟軍破譯德國密碼系統(tǒng)“英格瑪”一樣，清華大學生命科學學院教授施一公也帶著他的團隊，用6年時間，試圖破譯世界結構生物學公認的兩大難題之一??剪接體的密碼。

北京時間8月21日凌晨，施一公研究組在著名的《科學》雜志在線同時發(fā)表兩篇論文??《3.6埃的酵母剪接體結構》和《前體信使RNA剪接的結構基礎》，宣布得到了高分辨率的剪接體三維結構和剪接體對前體信使RNA執(zhí)行剪接的基本工作機理。

“施一公實驗室向這個生命科學領域中幾乎不可能完成的任務發(fā)起挑戰(zhàn)，并在世界舞臺上取得了成功�！泵绹�科學院院士、著名結構生物學家丁紹?帕特爾這樣評價。更重要的是，“剪接體結構是完全由中國科學家利用最先進的技術在中國本土完成的，這是中國生命科學發(fā)展的一個里程碑�！�

美國加州大學圣地亞哥分校細胞與分子醫(yī)學系教授付向東則認為，該研究是“近30年中國在基礎生命科學領域對世界科學作出的最大貢獻”。在科研領域沉浸了25年的施一公，已經(jīng)在《自然》《科學》《細胞》3大雜志上以通訊作者的身份發(fā)表了將近50篇論文，在他看來，這個發(fā)現(xiàn)可能是自己迄今最重要的研究成果。

不可能完成的任務

1956年，英國生物學家克里克在分子生物學領域提出一個中心法則，描述所有生物的過程就是從DNA到RNA再到蛋白質的信息流動。

多個諾貝爾獎的產(chǎn)生源于中心法則的發(fā)現(xiàn)與闡述，比如說，RNA聚合酶和核糖體的結構解析曾分別獲得2006年和2009年的諾貝爾獎。作為一個巨大而又復雜的動態(tài)分子機器，剪接體的結構解析難度被普遍認為高于RNA聚合酶和核糖體，同時，也因為許多人類疾病都可以歸咎于基因的錯誤剪接或針對剪接體的調控錯誤，所以，剪接體的結構解析也一直被認為是最熱門也是最值得期待的結構生物學研究之一。

1995年，施一公去耶魯大學面試，他的老板就是因為與另外兩位科學家解析核糖體結構而獲得2009年化學獎的湯姆?斯泰茨。斯泰茨當時正在從事后來令他獲得諾貝爾獎的研究。他的一名博士后告訴施一公：“斯泰茨本人最想做的研究是剪接體�！�

剪接體這顆分子生物學皇冠上的明珠，是很多生物學家的終極夢想�？墒沁@個“淘氣的家伙復雜，動態(tài)，多變”，在當時的技術條件下，沒有科學家能清晰地“捕捉”它。

1998年，施一公去普林斯頓大學任教，這個夢想也被他藏在了心中。隨著資歷和經(jīng)驗的積累，2004年，施一公開始從事膜蛋白領域的研究。但是剪接體他還是不敢碰，“那是一個夢想”。

2005年，中國科學院院士、著名生物學家饒子和與人合作在《細胞》雜志上發(fā)表了一篇論文。他出乎意料地接到了另外一名著名生物學家、美國西北大學教授饒毅的電話。饒毅提了個建議：你下一步應該做剪接體的研究。

饒子和的回答很實在：不敢碰。這是當時很多生物學家的想法。施一公說：“沒有辦法做，也沒有手段去做。”

小字輩向老字號發(fā)起挑戰(zhàn)

但是，夢想之火從未熄滅。

2007年，施一公美國回到清華大學生物系工作。他的實驗室開張了，依然沒有去碰這個夢想：不能用這樣的課題去訓練學生，否則只會讓他們失望，甚至丟掉科研興趣。

“太危險了，可能一無所獲，不能讓學生做炮灰�！彼�直言。

當時，他有更現(xiàn)實的問題需要擔心：在國外時間長了，不知道用國內的水和試劑能不能做出東西來？

這樣的情況在回國之初經(jīng)常發(fā)生：培養(yǎng)的細菌一不小心就被污染了；在實驗臺上鋪板，第二天各種雜菌都有。

施一公還把更多的精力放在對學生們進行分子生物學、生物化學的訓練上。

經(jīng)過了一年的建設，2008年施一公回清華任教后的第一篇文章發(fā)表，盡管不是發(fā)表在最頂尖的雜志上，但是，已經(jīng)訓練有素的學生們有了自信。

此時，能夠捕捉到剪接體的技術性革命也已經(jīng)在萌芽之中。

結構生物學的研究有三大利器：X射線晶體衍射、核磁共振以及單顆粒冷凍電子顯微鏡（冷凍電鏡）。而冷凍電鏡被認為分辨率不夠高，是3種利器中最弱的一種技術手段。

2007年，冷凍電鏡技術還遠未成勢，清華選擇了重點發(fā)展冷凍電鏡技術。2009年，盡管當時各方條件都還不夠完善，施一公已經(jīng)決定啟動通往夢想之路�！叭绻�等到條件都具備了，黃花菜都涼了”。他的一名博士后和兩名博士生就此進入剪接體領域。

在這個領域里，施一公的團隊是實實在在的小字輩：世界上有7個實驗室在引領著該領域的研究方向，其中就包括現(xiàn)代結構生物學和分子生物學的奠基之處、曾走出14名諾貝爾獎得主的英國劍橋大學分子生物學實驗室。

面對這些國內外強有力的競爭對手，也曾有博士生有過疑問：我們真的能做好這個課題嗎？

所以一開始，他們就選擇了從小處著手，試圖從解析剪接體復合物中的一些重要組成蛋白的結構開始，逐步接近目標。這個過程并不容易，“我們一直做得很苦”。施一公說，甚至中間有很長時間，學生們什么成果都沒有，壓力都非常大，讓施一公欣慰的是，他們都能“沉得住氣”。

2013年，冷凍電鏡技術在照相技術和軟件分析的圖像處理技術方面取得突破性進展�！霸瓉砝鋬鲭婄R和X射線晶體衍射對結構生物學的的貢獻是1∶10，過去一年這個比例幾乎倒了過來�！笔┮还�說，“如果沒有冷凍電鏡技術的革新，就完全不可能得到剪接體近原子水平的分辨率。”

一起在成長的還有生命科學領域的研究條件。2007年，清東方紅時的生物系只有43個獨立實驗室，現(xiàn)在達到140個。大量的年輕人加入生命科學大軍，為清華大學生命科學帶來勃勃生機。此次以第一作者身份發(fā)表論文的30歲的清華大學生命科學學院博士后閆創(chuàng)業(yè)、清華大學醫(yī)學院26歲的博士研究生杭婧和25歲的博士研究生萬蕊雪就是其中的一員。

2017年年初，團隊首次報道了剪接體復合物中重要組成蛋白Lsm七聚體及其在RNA結合狀態(tài)下的晶體結構，文章發(fā)表在《自然》雜志上，但是這離他們的目標還很遠。

“我們要布局，也要方法。不能只用工具做事情，自己要懂這些工具�！笔┮还�說。

這一等待實在太久了

6月24日，在此領域最有發(fā)言權的劍橋大學分子生物實驗室的Nagai研究組的一篇論文在《自然》網(wǎng)站在線發(fā)表。其結果一度引起轟動：他們將剪接體組裝過程中所涉及的一個中心復合物tri-snRNP的分辨率提高到5.9埃。而此前人類對基因剪接體的認識精度只有29埃。

1埃相當于十億分之一米。Nagai的這項工作較之以前有了飛躍，但只能看到蛋白質的二級結構，看不到氨基酸。

而施一公團隊此次得到的結果不僅將精度由5.9埃提高到3.6埃，可以把許多氨基酸看得清清楚楚。更重要的是，其解析對象是真正的剪接體，而不是Nagai團隊所取得的參與剪接體組裝過程的復合物。這是第一次在近原子分辨率上看到了剪接體的細節(jié)。

2009年諾貝爾生理與醫(yī)學獎得主、哈佛大學醫(yī)學院教授杰克?肖斯德克對此的評價是“剪接體是細胞內最后一個被等待解析結構的超大復合體，而這一等待實在已經(jīng)太久了”。

實際上，這是施一公也沒有想到的突破。

之所以如此，一個關鍵是萬蕊雪和杭婧對于樣品的百般馴化，讓它們適合電鏡觀察；另外一個原因就在于閆創(chuàng)業(yè)巧妙地革新了計算軟件，可以讓所有重要的顆粒都被再挑選出來。這篇論文在科學在線發(fā)表的當天，施一公接到的第一封電郵是來自冷凍電鏡領域的一位大牛，索要這個程序腳本。

實際上，今年4月，施一公“整月都像做夢一樣”。最開始，他對閆創(chuàng)業(yè)說，我們做到15埃就可以了，如果做到10埃就找個地方把文章發(fā)出去，先告訴這個領域我們來了。沒想到，這個極限一再被打破：先是12埃，然后是8埃，再到5.6埃，后來是3.9埃，最后3.6埃。

這種重大科研突破的喜悅完全不能用任何獎項來替代。而這次的論文寫作也創(chuàng)造了施一公25年科研生涯史上的首次：第一次寫文章寫到晚上睡不著覺。

就在兩個多月前，在研究的最后沖刺階段，施一公帶著3名同學“玩命地寫論文”。那段時間他每天寫論文寫到凌晨，有時6點多回家，躺下睡到8點接著起來寫。在送孩子回河南老家的火車上，4小時的車程，施一公就寫了4個小時論文。以至于有一天凌晨3點，還在辦公室寫論文的施一公突然尾椎抽筋，一動不能動。這嚇壞了同樣也在實驗室寫論文的學生。休息過來后，快走了幾圈，施一公才恢復過來。

美國杜克大學藥理學院講席教授王小凡認為，施一公團隊的這項研究解決了“無數(shù)科學家都向往的生物學的基礎問題”。在他看來，施一公取得的這項成就“將得到諾貝爾獎委員會的認真考慮”。

媒體紛紛揣測，這是否會是中國自然科學領域在諾貝爾獎的突破？

中國科學院院士、中國疾病預防控制中心副主任高福希望媒體手下留情，“他們?yōu)槿�世界的科學家指明方向，諾貝爾獎不是一公團隊要做的事情。對科學來說，沒有最好，只有更好。對他們來說，最重要的是有興趣去探索，繼續(xù)發(fā)現(xiàn)未知的好奇心”。

施一公團隊對剪接體密碼的探索才剛剛開始�！斑@項工作的核心意義是讓人類對生命過程和機理有了更進一步的了解�！笔┮还�下一步的工作重點是把不同剪接體相互間不同的地方看清楚，從而闡述內含子被去除、外顯子被接在一起的分子機制。（本報北京8月23日電記者原春琳）