施一公團(tuán)隊(duì)首次捕獲真核細(xì)胞剪接體三維結(jié)構(gòu)
生命奧秘，我們解開(kāi)關(guān)鍵一環(huán)
來(lái)源：人民日?qǐng)?bào) 2015-8-24 趙婀娜
這幾天，生命科學(xué)領(lǐng)域的學(xué)者都在熱議中國(guó)的一項(xiàng)重大成果。因?yàn)檫@項(xiàng)成果不僅標(biāo)志著人類(lèi)對(duì)生命過(guò)程和本質(zhì)的理解又向前邁進(jìn)了關(guān)鍵一步，也標(biāo)志著困擾國(guó)際生命科學(xué)界二十幾年的分子生物學(xué)“中心法則”中的一個(gè)關(guān)鍵步驟、一直以來(lái)充滿(mǎn)神秘感的剪接體的三維結(jié)構(gòu)終被揭示。
這項(xiàng)成果來(lái)自清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院施一公教授的團(tuán)隊(duì)。
21日，施一公團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》（Science）同時(shí)在線(xiàn)發(fā)表了兩篇研究長(zhǎng)文，《3.6埃的酵母剪接體結(jié)構(gòu)》和《前體信使RNA剪接的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)》。第一篇文章介紹了通過(guò)單顆粒冷凍電子顯微技術(shù)（冷凍電鏡）解析的酵母剪接體近原子分辨率的三維結(jié)構(gòu)，第二篇文章在此結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了詳細(xì)分析，闡述了剪接體對(duì)前體信使RNA執(zhí)行剪接的基本工作機(jī)理。捕獲真核細(xì)胞剪接體復(fù)合物的高分辨率空間三維結(jié)構(gòu)，闡述剪接體對(duì)前體信使RNA執(zhí)行剪接的基本工作機(jī)理，這在世界范圍都是第一次。
圍繞基因表達(dá)過(guò)程的研究，已產(chǎn)生多個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)，施一公團(tuán)隊(duì)的研究被認(rèn)為是其中最受矚目的課題之一
什么是剪接體？什么是RNA？施一公團(tuán)隊(duì)成果的價(jià)值何在？解答這些問(wèn)題，還要從生物學(xué)的“中心法則”說(shuō)起。
“中心法則”是描述基因表達(dá)這一細(xì)胞最基礎(chǔ)也是最核心的生命活動(dòng)的一套規(guī)律，于1956年由英國(guó)生物學(xué)家克里克首先提出，對(duì)“中心法則”各個(gè)環(huán)節(jié)中重要生物大分子的組成、結(jié)構(gòu)和功能的研究一直以來(lái)都是研究者追逐的前沿?zé)狳c(diǎn)。
在所有真核細(xì)胞中，基因表達(dá)分三步進(jìn)行，分別由RNA聚合酶、剪接體和核糖體執(zhí)行。第一步簡(jiǎn)稱(chēng)轉(zhuǎn)錄，即儲(chǔ)存在遺傳物質(zhì)DNA序列中的遺傳信息通過(guò)RNA聚合酶的作用轉(zhuǎn)變成前體信使RNA（pre-mRNA）；第二步簡(jiǎn)稱(chēng)剪接，即由多個(gè)內(nèi)含子和外顯子間隔形成的前體信使RNA通過(guò)剪接體的作用去除內(nèi)含子、連接外顯子，轉(zhuǎn)變?yōu)槌墒斓男攀筊NA；第三步簡(jiǎn)稱(chēng)翻譯，即成熟的信使RNA通過(guò)核糖體的作用轉(zhuǎn)變成蛋白質(zhì)，從而行使生命活動(dòng)的各種功能。
描述這一過(guò)程的規(guī)律被稱(chēng)為分子生物學(xué)的“中心法則”，多個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)圍繞此過(guò)程產(chǎn)生。其中，第一步與第三步中的RNA聚合酶及核糖體的結(jié)構(gòu)解析已分別獲得2006年和2009年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
第二步關(guān)鍵步驟，即實(shí)現(xiàn)從前體信使RNA到成熟的信使RNA轉(zhuǎn)變的剪接過(guò)程中，剪接體是如何工作的，以及剪接體到底長(zhǎng)什么樣，是迄今為止國(guó)際生命科學(xué)領(lǐng)域最受矚目的課題之一，而由于剪接體是一個(gè)巨大而復(fù)雜的動(dòng)態(tài)分子機(jī)器，其結(jié)構(gòu)解析難度被普遍認(rèn)為高于RNA聚合酶和核糖體，因此也被認(rèn)為是結(jié)構(gòu)生物學(xué)的難題之一。
從1977年基因剪接現(xiàn)象首次被發(fā)現(xiàn)至今，很多科學(xué)家都在對(duì)剪接體進(jìn)行研究分析，但始終沒(méi)有重大進(jìn)展。不久前，來(lái)自劍橋大學(xué)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)研究組宣布，將剪接體組裝過(guò)程中一個(gè)前體復(fù)合物的分辨率提高到了5.9埃（1埃為十億分之一米）。
施一公團(tuán)隊(duì)的成果不僅將精度從5.9埃提高到了3.6埃，而且解析的對(duì)象是真正的剪接體，這是人類(lèi)第一次在近原子分辨率上看到剪接體的細(xì)節(jié)，并闡述剪接反應(yīng)進(jìn)行的分子機(jī)制。
人類(lèi)許多疾病都是由于基因的剪接差錯(cuò)，施一公團(tuán)隊(duì)的成果初步解答基礎(chǔ)生命科學(xué)領(lǐng)域的核心問(wèn)題
許多人類(lèi)疾病都緣于基因的錯(cuò)誤剪接或是針對(duì)剪接體的調(diào)控錯(cuò)誤。人類(lèi)35%的遺傳紊亂是由于基因突變導(dǎo)致單個(gè)基因的可變剪接引起的：比如，單個(gè)剪接位點(diǎn)的增加或缺失可能引起α-或β-地中海貧血癥；可變剪接平衡紊亂導(dǎo)致的某些外顯子不正常表達(dá)可能導(dǎo)致額顳骨癡呆癥。一些癌癥也與剪接因子的錯(cuò)誤調(diào)控有關(guān)。因此，長(zhǎng)久以來(lái)，剪接體的結(jié)構(gòu)解析一直被認(rèn)為是最值得期待的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究之一。
施一公團(tuán)隊(duì)的研究成果得到了世界同行的高度評(píng)價(jià)，不少專(zhuān)家認(rèn)為，這一成果的完成不僅初步解答了基礎(chǔ)生命科學(xué)領(lǐng)域長(zhǎng)期以來(lái)備受關(guān)注的核心問(wèn)題，也為進(jìn)一步揭示與剪接體相關(guān)疾病的發(fā)病機(jī)理提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校的細(xì)胞與分子醫(yī)學(xué)系教授付向東認(rèn)為，對(duì)剪接體近原子分辨率結(jié)構(gòu)的解析，是RNA剪接領(lǐng)域里程碑式的重大突破，也是近30年中國(guó)在基礎(chǔ)生命科學(xué)領(lǐng)域?qū)κ澜缈茖W(xué)做出的最大貢獻(xiàn)。
2009年諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主、哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授杰克·肖斯德克評(píng)價(jià)說(shuō)，兩篇論文為理解剪接體的結(jié)構(gòu)和工作機(jī)制帶來(lái)了巨大突破。剪接體是細(xì)胞內(nèi)最后一個(gè)被等待解析結(jié)構(gòu)的超大復(fù)合體，而這一等待實(shí)在已經(jīng)太久了，這一領(lǐng)域?qū)?lái)仍然有很多工作要做，在未來(lái)會(huì)有更多的剪接通路中不同階段的結(jié)構(gòu)被解析，甚至更高分辨率的結(jié)構(gòu)、來(lái)自其他物種的結(jié)構(gòu)，乃至最終獲得人類(lèi)剪接體結(jié)構(gòu)。
敢于直面最富挑戰(zhàn)的課題，有眼界、有自信，施一公團(tuán)隊(duì)由他和3個(gè)“85后”博士生組成
全世界的科學(xué)家都在為之努力，為什么幸運(yùn)女神眷顧了施一公團(tuán)隊(duì)？
施一公認(rèn)為，成果源于每一個(gè)精心雕琢的實(shí)驗(yàn)步驟，尤其是極為成熟的樣品處理方法。首先，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)、篩選并結(jié)合大量文獻(xiàn)資料的查閱，最終選擇了裂殖酵母作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，并通過(guò)簡(jiǎn)化純化步驟，實(shí)現(xiàn)了樣品的完整性與穩(wěn)定性。這是最關(guān)鍵的一步。
值得一提的還有冷凍鏡技術(shù)。早在幾年前，施一公就已經(jīng)意識(shí)到，冷凍電鏡可能更有突破前景，于是，在極其困難的情況下，經(jīng)努力爭(zhēng)取，清華大學(xué)擁有了世界最大的冷凍電鏡系統(tǒng)。“沒(méi)有冷凍電鏡技術(shù)，就完全不可能得到剪接體近原子水平的分辨率。”施一公介紹。
在團(tuán)隊(duì)成員杭婧看來(lái)，施一公選擇這樣一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的課題，就是因?yàn)樗?ldquo;膽大心細(xì)”。膽大是建立在眼界開(kāi)闊、目光精準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，心細(xì)則體現(xiàn)在對(duì)課題方向和時(shí)機(jī)的把握與掌控上。
剛加入施一公的研究團(tuán)隊(duì)時(shí)，得知要做這樣一個(gè)課題，杭婧曾有過(guò)擔(dān)心和懷疑：“國(guó)內(nèi)外有很多強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，都在這一領(lǐng)域里探索多年，我們進(jìn)入的時(shí)間不長(zhǎng)，沒(méi)有太多經(jīng)驗(yàn)，真的能夠做好這個(gè)課題嗎？”
一開(kāi)始，他們選擇了從小處著手，試圖從解析剪接體復(fù)合物中的一些重要組成蛋白的結(jié)構(gòu)開(kāi)始，逐步接近目標(biāo)。這些工作取得了一些成果，但卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。
真的要一直徘徊在從小的蛋白入手的道路上嗎？經(jīng)過(guò)慎重的考慮后，團(tuán)隊(duì)決定直面最富挑戰(zhàn)的攻堅(jiān)課題：完整剪接體的結(jié)構(gòu)。正是這一次研究方向的調(diào)整，才使團(tuán)隊(duì)后來(lái)有機(jī)會(huì)見(jiàn)到了勝利的曙光。
你可能想不到，在這個(gè)4人團(tuán)隊(duì)中，除了施一公，其他3個(gè)人都是“85后”博士生。這3位學(xué)生就是這兩篇文章的共同第一作者——清華大學(xué)生命學(xué)院閆創(chuàng)業(yè)博士，醫(yī)學(xué)院博士研究生杭婧、萬(wàn)蕊雪。其中，年齡最大的閆創(chuàng)業(yè)今年還不滿(mǎn)30歲，而杭婧和萬(wàn)蕊雪則分別是26歲和25歲。在施一公看來(lái)，團(tuán)隊(duì)成員每人都有自己的特點(diǎn)，他們最需要做的，就是充分發(fā)揮自己的能力特長(zhǎng)，通過(guò)長(zhǎng)期嚴(yán)格的科研訓(xùn)練，在擅長(zhǎng)的領(lǐng)域里做到極致。
正是這3位年輕人，在施一公的帶領(lǐng)下，實(shí)現(xiàn)了生命科學(xué)基礎(chǔ)原理研究領(lǐng)域的一個(gè)重大突破。
記者手記
科學(xué)需沉潛之心
從21日文章發(fā)表至今，施一公及其團(tuán)隊(duì)被問(wèn)及最多的就是“能否斬獲諾貝爾獎(jiǎng)”。每當(dāng)此時(shí)，他們總是給出樸素得不能再樸素的答案：能夠通過(guò)這項(xiàng)成果讓人類(lèi)對(duì)生命過(guò)程和本質(zhì)的理解再向前邁進(jìn)一步，這個(gè)意義比其他任何獎(jiǎng)項(xiàng)都更為重大。即便有記者反復(fù)問(wèn)到研究成果究竟有怎樣的臨床價(jià)值，施一公也只是耐心地介紹，這只是生命科學(xué)領(lǐng)域基礎(chǔ)研究的突破，距離治療疾病的實(shí)際應(yīng)用還有很大距離。
聽(tīng)到這樣的答復(fù)，或許有人會(huì)失望，可是，這樣最為基礎(chǔ)的研究，不正是當(dāng)下科學(xué)界最急需、最可貴的嗎？
去除浮躁、功利之心，培植理性、求真與獨(dú)立思考的科學(xué)精神，增進(jìn)人類(lèi)對(duì)自然界及人類(lèi)自身的認(rèn)識(shí)、推動(dòng)科學(xué)的發(fā)展、聚焦整個(gè)人類(lèi)的進(jìn)步與受益……這樣的基礎(chǔ)研究，當(dāng)下還是太少。
做基礎(chǔ)研究很苦，不僅與短期內(nèi)可見(jiàn)的功利無(wú)緣，還需坐得住冷板凳。正如施一公所說(shuō)，團(tuán)隊(duì)里一些成員已經(jīng)近兩年沒(méi)有發(fā)表過(guò)一篇文章，生活單調(diào)得只有實(shí)驗(yàn)室—宿舍兩點(diǎn)一線(xiàn)，常常幾天幾夜不合眼，只怕錯(cuò)過(guò)一個(gè)細(xì)節(jié)、一幅有價(jià)值的圖像。
但，科學(xué)不就是需要這樣的沉潛之心嗎？“沉”，沉靜下來(lái)；“潛”，潛入進(jìn)去，潛入生命的最深處、歷史的最深處、學(xué)術(shù)的最深處。惟如此，科學(xué)才會(huì)更進(jìn)一步，距攻克那些困擾我們的難題才會(huì)更近一步。
