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 施一公團隊首次捕獲真核細胞剪接體三維結構 

生命奧秘,我們解開關鍵一環(發現)

本報記者  趙婀娜

2015年08月24日03:48    來源:人民網-人民日報    手機看新聞

  施一公研究團隊。
  清華大學供圖

  這幾天,生命科學領域的學者都在熱議中國的一項重大成果。因為這項成果不僅標志著人類對生命過程和本質的理解又向前邁進了關鍵一步,也標志著困擾國際生命科學界二十幾年的分子生物學“中心法則”中的一個關鍵步驟、一直以來充滿神秘感的剪接體的三維結構終被揭示。

  這項成果來自清華大學生命科學學院施一公教授的團隊。

  21日,施一公團隊在《科學》(Science)同時在線發表了兩篇研究長文,《3.6埃的酵母剪接體結構》和《前體信使RNA剪接的結構基礎》。第一篇文章介紹了通過單顆粒冷凍電子顯微技術(冷凍電鏡)解析的酵母剪接體近原子分辨率的三維結構,第二篇文章在此結構的基礎上進行了詳細分析,闡述了剪接體對前體信使RNA執行剪接的基本工作機理。捕獲真核細胞剪接體復合物的高分辨率空間三維結構,闡述剪接體對前體信使RNA執行剪接的基本工作機理,這在世界范圍都是第一次。

  圍繞基因表達過程的研究,已產生多個諾貝爾獎,施一公團隊的研究被認為是其中最受矚目的課題之一

  什麼是剪接體?什麼是RNA?施一公團隊成果的價值何在?解答這些問題,還要從生物學的“中心法則”說起。

  “中心法則”是描述基因表達這一細胞最基礎也是最核心的生命活動的一套規律,於1956年由英國生物學家克裡克首先提出,對“中心法則”各個環節中重要生物大分子的組成、結構和功能的研究一直以來都是研究者追逐的前沿熱點。

  在所有真核細胞中,基因表達分三步進行,分別由RNA聚合?、剪接體和核糖體執行。第一步簡稱轉錄,即儲存在遺傳物質DNA序列中的遺傳信息通過RNA聚合?的作用轉變成前體信使RNA(pre-mRNA)﹔第二步簡稱剪接,即由多個內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含子、連接外顯子,轉變為成熟的信使RNA﹔第三步簡稱翻譯,即成熟的信使RNA通過核糖體的作用轉變成蛋白質,從而行使生命活動的各種功能。

  描述這一過程的規律被稱為分子生物學的“中心法則”,多個諾貝爾獎圍繞此過程產生。其中,第一步與第三步中的RNA聚合?及核糖體的結構解析已分別獲得2006年和2009年的諾貝爾化學獎。

  第二步關鍵步驟,即實現從前體信使RNA到成熟的信使RNA轉變的剪接過程中,剪接體是如何工作的,以及剪接體到底長什麼樣,是迄今為止國際生命科學領域最受矚目的課題之一,而由於剪接體是一個巨大而復雜的動態分子機器,其結構解析難度被普遍認為高於RNA聚合?和核糖體,因此也被認為是結構生物學的難題之一。

  從1977年基因剪接現象首次被發現至今,很多科學家都在對剪接體進行研究分析,但始終沒有重大進展。不久前,來自劍橋大學分子生物學實驗室的一個研究組宣布,將剪接體組裝過程中一個前體復合物的分辨率提高到了5.9埃(1埃為十億分之一米)。

  施一公團隊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節,並闡述剪接反應進行的分子機制。

  人類許多疾病都是由於基因的剪接差錯,施一公團隊的成果初步解答基礎生命科學領域的核心問題

  許多人類疾病都緣於基因的錯誤剪接或是針對剪接體的調控錯誤。人類35%的遺傳紊亂是由於基因突變導致單個基因的可變剪接引起的:比如,單個剪接位點的增加或缺失可能引起α-或β-地中海貧血症﹔可變剪接平衡紊亂導致的某些外顯子不正常表達可能導致額顳骨痴呆症。一些癌症也與剪接因子的錯誤調控有關。因此,長久以來,剪接體的結構解析一直被認為是最值得期待的結構生物學研究之一。

  施一公團隊的研究成果得到了世界同行的高度評價,不少專家認為,這一成果的完成不僅初步解答了基礎生命科學領域長期以來備受關注的核心問題,也為進一步揭示與剪接體相關疾病的發病機理提供了堅實基礎。

  美國加州大學聖地亞哥分校的細胞與分子醫學系教授付向東認為,對剪接體近原子分辨率結構的解析,是RNA剪接領域裡程碑式的重大突破,也是近30年中國在基礎生命科學領域對世界科學做出的最大貢獻。

  2009年諾貝爾生理與醫學獎得主、哈佛大學醫學院教授杰克·肖斯德克評價說,兩篇論文為理解剪接體的結構和工作機制帶來了巨大突破。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太久了,這一領域將來仍然有很多工作要做,在未來會有更多的剪接通路中不同階段的結構被解析,甚至更高分辨率的結構、來自其他物種的結構,乃至最終獲得人類剪接體結構。

  敢於直面最富挑戰的課題,有眼界、有自信,施一公團隊由他和3個“85后”博士生組成

  全世界的科學家都在為之努力,為什麼幸運女神眷顧了施一公團隊?

  施一公認為,成果源於每一個精心雕琢的實驗步驟,尤其是極為成熟的樣品處理方法。首先,實驗團隊通過反復試驗、篩選並結合大量文獻資料的查閱,最終選擇了裂殖酵母作為實驗對象,並通過簡化純化步驟,實現了樣品的完整性與穩定性。這是最關鍵的一步。

  值得一提的還有冷凍鏡技術。早在幾年前,施一公就已經意識到,冷凍電鏡可能更有突破前景,於是,在極其困難的情況下,經努力爭取,清華大學擁有了世界最大的冷凍電鏡系統。“沒有冷凍電鏡技術,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。

  在團隊成員杭婧看來,施一公選擇這樣一個極具挑戰性的課題,就是因為他“膽大心細”。膽大是建立在眼界開闊、目光精准的基礎上,心細則體現在對課題方向和時機的把握與掌控上。

  剛加入施一公的研究團隊時,得知要做這樣一個課題,杭婧曾有過擔心和懷疑:“國內外有很多強有力的競爭對手,都在這一領域裡探索多年,我們進入的時間不長,沒有太多經驗,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合物中的一些重要組成蛋白的結構開始,逐步接近目標。這些工作取得了一些成果,但卻遠遠不夠。

  真的要一直徘徊在從小的蛋白入手的道路上嗎?經過慎重的考慮后,團隊決定直面最富挑戰的攻堅課題:完整剪接體的結構。正是這一次研究方向的調整,才使團隊后來有機會見到了勝利的曙光。

  你可能想不到,在這個4人團隊中,除了施一公,其他3個人都是“85后”博士生。這3位學生就是這兩篇文章的共同第一作者——清華大學生命學院閆創業博士,醫學院博士研究生杭婧、萬蕊雪。其中,年齡最大的閆創業今年還不滿30歲,而杭婧和萬蕊雪則分別是26歲和25歲。在施一公看來,團隊成員每人都有自己的特點,他們最需要做的,就是充分發揮自己的能力特長,通過長期嚴格的科研訓練,在擅長的領域裡做到極致。

  正是這3位年輕人,在施一公的帶領下,實現了生命科學基礎原理研究領域的一個重大突破。

 

  記者手記

  科學需沉潛之心

  從21日文章發表至今,施一公及其團隊被問及最多的就是“能否斬獲諾貝爾獎”。每當此時,他們總是給出朴素得不能再朴素的答案:能夠通過這項成果讓人類對生命過程和本質的理解再向前邁進一步,這個意義比其他任何獎項都更為重大。即便有記者反復問到研究成果究竟有怎樣的臨床價值,施一公也只是耐心地介紹,這只是生命科學領域基礎研究的突破,距離治療疾病的實際應用還有很大距離。

  聽到這樣的答復,或許有人會失望,可是,這樣最為基礎的研究,不正是當下科學界最急需、最可貴的嗎?

  去除浮躁、功利之心,培植理性、求真與獨立思考的科學精神,增進人類對自然界及人類自身的認識、推動科學的發展、聚焦整個人類的進步與受益……這樣的基礎研究,當下還是太少。

  做基礎研究很苦,不僅與短期內可見的功利無緣,還需坐得住冷板凳。正如施一公所說,團隊裡一些成員已經近兩年沒有發表過一篇文章,生活單調得隻有實驗室—宿舍兩點一線,常常幾天幾夜不合眼,隻怕錯過一個細節、一幅有價值的圖像。

  但,科學不就是需要這樣的沉潛之心嗎?“沉”,沉靜下來﹔“潛”,潛入進去,潛入生命的最深處、歷史的最深處、學術的最深處。惟如此,科學才會更進一步,距攻克那些困擾我們的難題才會更近一步。


  《 人民日報 》( 2015年08月24日 12 版)
(責編:白宇、馬麗)


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