趙婀娜

這項(xiàng)成果不僅標(biāo)志著人類對生命過程和本質(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”中的一個關(guān)鍵步驟、一直以來充滿神秘感的剪接體的三維結(jié)構(gòu)終被揭示。

這幾天，生命科學(xué)領(lǐng)域的學(xué)者都在熱議中國的一項(xiàng)重大成果。因?yàn)檫@項(xiàng)成果不僅標(biāo)志著人類對生命過程和本質(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”中的一個關(guān)鍵步驟、一直以來充滿神秘感的剪接體的三維結(jié)構(gòu)終被揭示。

這項(xiàng)成果來自清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院施一公教授的團(tuán)隊(duì)。

8月21日，施一公團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》（Science）同時在線發(fā)表了兩篇研究長文，《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)過程的研究，已產(chǎn)生多個諾貝爾獎，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)成果的價值何在？解答這些問題，還要從生物學(xué)的“中心法則”說起。

“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的一套規(guī)律，于1956年由英國生物學(xué)家克里克首先提出，對“中心法則”各個環(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。第一步簡稱轉(zhuǎn)錄，即儲存在遺傳物質(zhì)DNA序列中的遺傳信息通過RNA聚合酶的作用轉(zhuǎn)變成前體信使RNA（pre-mRNA）；第二步簡稱剪接，即由多個內(nèi)含子和外顯子間隔形成的前體信使RNA通過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；第三步簡稱翻譯，即成熟的信使RNA通過核糖體的作用轉(zhuǎn)變成蛋白質(zhì)，從而行使生命活動的各種功能。

描述這一過程的規(guī)律被稱為分子生物學(xué)的“中心法則”，多個諾貝爾獎圍繞此過程產(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。

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)變的剪接過程中，剪接體是如何工作的，以及剪接體到底長什么樣，是迄今為止國際生命科學(xué)領(lǐng)域最受矚目的課題之一，而由于剪接體是一個巨大而復(fù)雜的動態(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)家都在對剪接體進(jìn)行研究分析，但始終沒有重大進(jìn)展。不久前，來自劍橋大學(xué)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的一個研究組宣布，將剪接體組裝過程中一個前體復(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，而且解析的對象是真正的剪接體，這是人類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。

人類許多疾病都是由于基因的剪接差錯，施一公團(tuán)隊(duì)的成果初步解答了基礎(chǔ)生命科學(xué)領(lǐng)域的核心問題

許多人類疾病都緣于基因的錯誤剪接或是針對剪接體的調(diào)控錯誤。人類35%的遺傳紊亂是由于基因突變導(dǎo)致單個基因的可變剪接引起的：比如，單個剪接位點(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誤調(diào)控有關(guān)。因此，長久以來，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價，不少專家認(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)域長期以來備受關(guān)注的核心問題，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)獎得主、哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授杰克·肖斯德克評價說，兩篇論文為理解剪接體的結(jié)構(gòu)和工作機(jī)制帶來了巨大突破。剪接體是細(xì)胞內(nèi)最后一個被等待解析結(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)砣匀挥泻芏喙ぷ饕觯谖磥頃懈嗟募艚油分胁煌A段的結(jié)構(gòu)被解析，甚至更高分辨率的結(jié)構(gòu)、來自其他物種的結(jié)構(gòu)，乃至最終獲得人類剪接體結(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“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)對象，并通過簡化純化步驟，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)努力爭取，清華大學(xué)擁有了世界最大的冷凍電鏡系統(tǒng)?！皼]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，施一公選擇這樣一個極具挑戰(zhàn)性的課題，就是因?yàn)樗澳懘笮募?xì)”。膽大是建立在眼界開闊、目光精準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，心細(xì)則體現(xiàn)在對課題方向和時機(jī)的把握與掌控上。

剛加入施一公的研究團(tuán)隊(duì)時，得知要做這樣一個課題，杭婧曾有過擔(dān)心和懷疑：“國內(nèi)外有很多強(qiáng)有力的競爭對手，都在這一領(lǐng)域里探索多年，我們進(jìn)入的時間不長，沒有太多經(jīng)驗(yàn)，真的能夠做好這個課題嗎？”

一開始，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)后來有機(jī)會見到了勝利的曙光。

你可能想不到，在這個4人團(tuán)隊(duì)中，除了施一公，其他3個人都是“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、萬蕊雪。其中，年齡最大的閆創(chuàng)業(yè)今年還不滿30歲，而杭婧和萬蕊雪則分別是26歲和25歲。在施一公看來，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，通過長期嚴(yán)格的科研訓(xùn)練，在擅長的領(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)域的一個重大突破。