李明麗

洪靖君

人體擁有近3萬個(gè)基因，其不僅決定著人類的長相，還控制著人體中所有重要的生物過程，掌握人體健康的命脈。新的研究發(fā)現(xiàn)，有一種組蛋白（histone）變體H2A.Z在這些關(guān)鍵的生物過程中扮演著重要角色，它對于揭示組蛋白變體和組蛋白伴侶在染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)中發(fā)揮的作用，闡明二者的生物學(xué)功能具有重要意義，為癌癥和基因研究提供了新的研究思路。

但目前對組蛋白變體H2A.Z的機(jī)理研究仍然處于起步階段，后續(xù)研究中迫切需要解決的科學(xué)問題還有很多。近10年來，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)院特任研究員洪靖君輾轉(zhuǎn)國內(nèi)外，扎根在組蛋白變體H2A.Z關(guān)鍵問題的研究中，為徹底弄清其背后龐大復(fù)雜的生物學(xué)原理一往無前。

偶遇組蛋白

與組蛋白研究領(lǐng)域的接觸，開始于洪靖君在美國國立衛(wèi)生研究院國家癌癥研究所從事博士后工作期間。他博士后的合作導(dǎo)師白雅文是組蛋白以及核小體方面的資深研究員，洪靖君也跟隨著老師一腳踏入了這個(gè)充滿未知的領(lǐng)域。

組蛋白是真核生物中一類進(jìn)化上相對保守的蛋白質(zhì)，由組蛋白八聚體及纏繞其上的DNA構(gòu)成核小體結(jié)構(gòu)，是真核生物染色質(zhì)的基本組成單位，H2A.Z是組蛋白H2A的一類變體。酵母及哺乳動(dòng)物細(xì)胞中的H2A.Z具有高度保守的序列，并且在基因轉(zhuǎn)錄、基因組穩(wěn)定性維持等過程中發(fā)揮重要作用。H2A.Z通過精確定位于基因組的特定位點(diǎn)來改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)并實(shí)現(xiàn)其功能?！癏2A.Z在基因組中的位置非常特別，很多研究都證明它和早期的胚胎發(fā)育相關(guān)，所以說它的生物學(xué)意義是很重要的?！北M管科學(xué)家知道H2A.Z很特殊，但是它是如何在染色質(zhì)中進(jìn)行精準(zhǔn)定位的呢？這仍然是一個(gè)未解的謎團(tuán)。

洪靖君通過對相關(guān)文獻(xiàn)的調(diào)研得知，美國國立衛(wèi)生研究院分子細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室主任吳以仲院士也在進(jìn)行組蛋白變體H2A.Z的研究，于是主動(dòng)聯(lián)系了對方，開展解開H2A.Z更多謎團(tuán)的后續(xù)合作。洪靖君介紹：“吳以仲院士做的是遺傳學(xué)方面的研究，而我們是從結(jié)構(gòu)生物學(xué)入手對H2A.Z進(jìn)行研究?！?/p>

經(jīng)過研究，洪靖君確定了催化亞基Swr1區(qū)域（599-627）是識(shí)別組蛋白的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)域，該區(qū)域被稱為Swr1-Z，他還解析了在1.78埃分辨率下它與H2A.Z-H2B的復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)。通過對晶體結(jié)構(gòu)的詳細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)Swr1-Z能夠特異識(shí)別H2A.ZC-末端螺旋，區(qū)別于常規(guī)H2A的特殊氨基酸序列特征。此外，體外研究表明Swr1-Z可以通過組蛋白伴侶機(jī)制將H2A.Z-H2B二聚體傳遞到DNA-（H3-H4）2四聚體形成核小體，而體內(nèi)研究表明Swr1-Z具有重要的生物結(jié)構(gòu)功能。對Swr1如何識(shí)別H2A.Z-H2B二聚體的第一個(gè)結(jié)構(gòu)，洪靖君的研究成果提供了一些見解，闡明了組蛋白特異的伴侶如何精確地識(shí)別組蛋白變體，并將它們帶到染色質(zhì)基因組中的特定位置。因?yàn)樵诙鄶?shù)基因中，這個(gè)高度保守的組蛋白變體H2A.Z標(biāo)記轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)對于后生動(dòng)物的早期發(fā)育、誘導(dǎo)分化等起重要作用。如果H2A.Z在染色質(zhì)中不能被正確定位，將增加人類包括癌癥在內(nèi)的疾病，該結(jié)果也為基于該結(jié)構(gòu)的癌癥藥物設(shè)計(jì)鋪平道路。該項(xiàng)研究成果于2014年發(fā)表在國際頂級學(xué)術(shù)刊物Molecular Cell上，洪靖君為第一作者。

盡管取得了非常讓人滿意的研究成果，但研究的過程卻沒有那么順利，洪靖君光是解結(jié)構(gòu)這個(gè)步驟就反復(fù)經(jīng)歷了多次?！敖饨Y(jié)構(gòu)時(shí)，一開始的分辨率是2.4埃左右，而我們認(rèn)為這還不夠好，又將分辨率優(yōu)化至1.7埃左右?！标P(guān)于這些小故事的背后艱辛，洪靖君一直說得很輕描淡寫，但正是有了這些反復(fù)實(shí)驗(yàn)的積淀，才有了最后如此優(yōu)秀的成果。

在得到了如此重要的成果后，洪靖君并沒有停下研究的腳步，他將目光投向了組蛋白H3變體的研究，這是同樣能導(dǎo)致癌癥和出生缺陷的重要組蛋白變體。

新的發(fā)現(xiàn)

著絲粒（centromere）特異的H3變體CenH3是組蛋白H3家族成員中重要的變體蛋白，哺乳動(dòng)物來源的CenH3稱為著絲粒特異蛋白CENP-A。著絲粒位于真核生物染色體的特定位置，并且具有特殊的DNA組成方式，其作用是控制細(xì)胞分裂過程中染色質(zhì)均勻分布到子代細(xì)胞，從而保證每個(gè)子代細(xì)胞生存所必需的遺傳物質(zhì)。CenH3的蛋白序列與其他H3組蛋白家族成員的蛋白質(zhì)序列有顯著差異，這表明CenH3的序列差異與其特有的生物學(xué)功能有一定關(guān)系。但是，CenH3如何確定著絲粒精準(zhǔn)地定位并保持其形成呢？這些懸而未決的科學(xué)問題推動(dòng)了洪靖君研究的不斷深入。

通過結(jié)合冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）、生物化學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)等交叉學(xué)科，洪靖君與美國國立衛(wèi)生研究院國家癌癥研究所的同事們?yōu)榻鉀Q著絲粒細(xì)胞分裂這一關(guān)鍵問題提供了新的研究思路?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)了著絲粒特異蛋白CENP-N對CENP-A核小體的識(shí)別機(jī)制，這是一種選擇性的識(shí)別機(jī)制，十分特殊?！焙榫妇嬖V記者，進(jìn)化的壓力使著絲粒發(fā)生了明顯的變化，因此像CENP-N這樣的著絲粒蛋白必須“與時(shí)俱進(jìn)”，以確保準(zhǔn)確無誤的細(xì)胞分裂。洪靖君的研究成果用冷凍電鏡解析了動(dòng)粒蛋白CENP-N識(shí)別CENP-A核小體復(fù)合物結(jié)構(gòu)，提出并證明CENP-A/CENP-N共進(jìn)化假說，奠定了著絲粒核小體的基礎(chǔ)，生理意義非同一般，并為人類最終完全了解該過程，開發(fā)治療相關(guān)癌癥的新方法提供了線索。2017年12月21日，世界權(quán)威學(xué)術(shù)期刊Science發(fā)表了相關(guān)研究成果，2017年度“科學(xué)十大突破（Breakthrough of the year，2017）”視屏版也引用了該研究成果。

“非常曲折”是洪靖君用來形容這項(xiàng)研究成果的詞語?！坝捎趯?shí)驗(yàn)所需蛋白的結(jié)構(gòu)非常不穩(wěn)定，使純化的過程變得十分困難。”蛋白的不穩(wěn)定，使洪靖君最終純化出了一種完全錯(cuò)誤的蛋白質(zhì)，還是一種與實(shí)驗(yàn)中所需蛋白極為相似的錯(cuò)誤蛋白。更讓洪靖君無奈的是，這個(gè)極其相似的錯(cuò)誤蛋白分辨率也非常好，可以達(dá)到1.2埃，但卻是一件無用功?！爱?dāng)時(shí)當(dāng)然很傷心啊，但是我對自己說沒關(guān)系，一切不過是重新開始?！焙榫妇己玫男膽B(tài)穩(wěn)住了傷心失望的情緒，他打起精神從零開始優(yōu)化實(shí)驗(yàn)框架，重新投入新的純化實(shí)驗(yàn)。付出的時(shí)間和努力最終都沒有辜負(fù)洪靖君，他得到了很好的研究成果。

新的征途

2018年9月，洪靖君回到了闊別已久的母?！袊茖W(xué)技術(shù)大學(xué)，擔(dān)任生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部的特任研究員和合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心研究員，繼續(xù)從事組蛋白與核小體相關(guān)科學(xué)領(lǐng)域的研究。

過往研究組蛋白的經(jīng)歷為洪靖君積累了很多經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，他的研究重點(diǎn)仍放在了組蛋白變體H3上。一些研究表明，組蛋白變體H3.3在基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控和細(xì)胞發(fā)育分化過程中表現(xiàn)出不同于常規(guī)組蛋白H3的功能。哺乳動(dòng)物中編碼H3.3的H3F3A和H3F3B基因突變與一些兒童及青年人腫瘤，例如小兒高級別腦膠質(zhì)瘤、軟骨母細(xì)胞瘤和骨巨細(xì)胞瘤有關(guān)聯(lián)。但目前對于這些組蛋白突變的致癌機(jī)制總的來說還不是很清楚。這些研究發(fā)現(xiàn)引起了洪靖君的研究興趣，“我們都知道兒童膠質(zhì)瘤是非常難治的，如果能研究出組蛋白變體H3.3的致癌機(jī)制，就能為未來兒童腫瘤治療帶來新的希望”。

除注重科研外，洪靖君還對學(xué)生的培養(yǎng)有自己的見解。洪靖君贊同一位中科院博導(dǎo)發(fā)表在《學(xué)術(shù)觀察》上的觀點(diǎn)，“學(xué)術(shù)研究當(dāng)以笨功夫做科研，才可能出卓越成果”，這個(gè)洪靖君自己深有體會(huì)。他堅(jiān)信“寶劍鋒從磨礪出，梅花香自苦寒來”，希望青年學(xué)生既能“動(dòng)腦”，又能“動(dòng)手”，既能獨(dú)立思考，又能吃苦耐勞，如此才能取得一番成績。

未來，洪靖君打算組建一支由自己帶領(lǐng)的獨(dú)立科研團(tuán)隊(duì)?！拔疫^去取得的成果，不是靠一個(gè)人的力量就可以完成的，都是和其他人一起合作，一起探討，一起做出來的成果?！焙榫妇钪茖W(xué)研究不是單打獨(dú)斗，好的合作才是基礎(chǔ)。細(xì)胞與癌癥的關(guān)系是人類一直需要面對的問題，未來，還會(huì)有什么新的研究突破出現(xiàn)，尚未可知。不過，洪靖君會(huì)一直保持著探索組蛋白的初心，為人類生命科學(xué)的事業(yè)貢獻(xiàn)自己的力量。