研究就像三國殺,復(fù)雜孕育無窮樂趣

精品文檔-下載后可編輯研究就像三國殺,復(fù)雜孕育無窮樂趣默默算了算，自己已在清華“混跡”十年。2022年，我通過生物競賽與物理競賽被保送至清華。除了家，這里是我待得最久的地方。也許久了就成為一種習(xí)慣，感覺這里的一草一木都那么熟悉，紅磚灰瓦那么親切與大氣。

2022年底，我來到施一公老師的實驗室。施一公老師的科研熱情和勤勉工作對我們產(chǎn)生了很大影響。記得初入實驗室不久，施老師在討論課題的時候讓我分析一塊蛋白酶切的圖，而我其實還沒仔細(xì)想過。施老師幫我們耐心地分析實驗酶切的原理與結(jié)果。那時自己有些尷尬，也很感動。沒想到施老師會這么認(rèn)真地討論每一個細(xì)節(jié)，對于還有很多東西不會的我們，也是那么包容與鼓勵。

冷凍電鏡的學(xué)習(xí)

冷凍電鏡的發(fā)展對于很多人來講是始料未及的，它以前所未有的速度改變了整個結(jié)構(gòu)生物學(xué)的格局。很多時候，也是很巧合。2022年，程亦凡教授通過冷凍電鏡解析出來3.4的TRPV1離子通道，而當(dāng)時很多結(jié)構(gòu)生物學(xué)家都在通過晶體學(xué)手段研究這類離子通道，但就是無法結(jié)晶。程老師通過冷凍電鏡做出TRPV1的結(jié)構(gòu)，我們都感覺很不可思議，也很震撼，從那時候起我也開始了冷凍電鏡的學(xué)習(xí)。

在讀博士期間，我從事的是結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究，顧名思義，就是從結(jié)構(gòu)層次去闡明所研究對象的分子機理。那個時候跟王佳偉教授學(xué)習(xí)了很多晶體學(xué)的知識，每天與晶體、衍射、點陣、倒易空間、相位解析以及模型搭建打交道，通過X-射線晶體學(xué)研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。這其實與電鏡在很多方面都是相通的。博士畢業(yè)后，我繼續(xù)在施一公老師實驗室攻讀博士后。

2022年時學(xué)習(xí)電鏡的人還不多，整個清華電鏡平臺都給了我們很多幫助，王宏偉教授、李雪明教授等都曾耐心給我們講解，給了我們很多指導(dǎo)。

電鏡在后期建模與X-射線晶體學(xué)是完全相通的。開始做剪接體前，我搭建的最大的原子模型是迄今為止已知的最大的離子通道RyR1，它的一個單體就有5037個氨基酸。那時我也發(fā)覺電鏡建模與晶體又有很多區(qū)別。不再像以前的晶體，一般都只有幾百個氨基酸左右，在完成相位的初始解析后，最后搭建模型其實比較小，也較容易判斷。而RyR1需要搭建一個5037個氨基酸的模型，一下復(fù)雜了很多，需要將每個殘基都找出來。就像給你一個拼圖，以前讓你拼一個10×10的圖，可能你一下能夠找到頭緒；現(xiàn)在給你一個100×100的拼圖，這個就相當(dāng)復(fù)雜了。

關(guān)于電鏡的學(xué)習(xí)，以及搭建模型的過程，對于我后面參與和完成剪接體的研究都起到了非常重要的作用。電鏡很快就炙手可熱，團隊也開始對剪接體復(fù)合物進行研究。

剪接體是什么？

首先科普一下。剪接體（spliceosome）是什么呢？就像有一條紅綠相間的繩子，現(xiàn)在我們需要把紅的部分連在一起，把綠的部分剪掉。而剪接體就像是一雙手和一把剪刀，能夠把繩子在紅綠交界處剪開，并把紅的繩子結(jié)在一起。不同的是，剪接體剪開并連接的是細(xì)胞里最關(guān)鍵的分子之一―前體信使RNA鏈。

我們能夠運動，能夠看見東西、聽見聲音，能夠思考問題，幾乎所有你能想象到的活動，都是由多種多樣但又彼此不同的蛋白質(zhì)來執(zhí)行與完成的。但這些功能多樣的蛋白并非憑空產(chǎn)生，它們都是根據(jù)對應(yīng)的基因-遺傳物質(zhì)DNA的信息合成的。基因就像一根紅綠相間的繩子，紅色的對應(yīng)外顯子，能夠表達(dá)為蛋白質(zhì)部分，綠色的就對應(yīng)內(nèi)含子，最終需要被去除。

DNA信息可以通過轉(zhuǎn)錄，將信息復(fù)制到RNA分子里面。這個RNA分子就叫前體信使RNA，它最終能夠作為模版（信使RNA）通過核糖體來指導(dǎo)合成對應(yīng)的蛋白質(zhì)。而這個模版，還不能直接使用，必須通過剪接體像剪繩子一樣把內(nèi)含子剪掉才能使用。剪完之后的RNA我們叫做信使RNA。

大家可能就要問了，為什么還要這么麻煩地剪切掉呢？研究發(fā)現(xiàn)，不同基因的剪切在不同的發(fā)育時期是有可能不一樣的，在不同的環(huán)境下可能也會產(chǎn)生變化。實際上一個基因通過剪接體的不同剪切方式就會產(chǎn)生功能相近又不完全一樣的蛋白質(zhì)，從而能夠提高生物的適應(yīng)能力。在真核細(xì)胞中，絕大多數(shù)蛋白的表達(dá)都要經(jīng)過剪接體對前體信使RNA的剪接。所以說，這個剪接體復(fù)合物是在最基礎(chǔ)的層次上參與了我們每個人的生命活動，沒有了它，那絕對是致命了。而揭示了其中的機制，將來可能給我們帶來很多意想不到的收獲。

自1993年基因剪接的發(fā)現(xiàn)被授予了諾貝爾生理學(xué)醫(yī)學(xué)獎以來，科學(xué)家們其實一直在步履維艱地探索著其中的奧秘，期盼著盡早了解其中的機理。

柔性結(jié)構(gòu)添困難

很快，我們就展開了繁忙的攻堅戰(zhàn)。團隊里杭婧和萬瑞雪都特別優(yōu)秀，研究也特別辛苦，我們一起完成的這個課題研究。其實開始時，也是抱著試試看的態(tài)度做，沒想到樣品質(zhì)量很不錯，我們很快就通過計算知道剪接體大概是一個什么形狀。后面我們一起收集了更多的冷凍電鏡圖片，逐步地將分辨率一點點提高上來。

其實，開始算出一個電鏡密度圖，我也是一下子暈了。這么大一個分子，而且不像RyR1，我確定知道的只有這么一個蛋白和一個很小的結(jié)合蛋白。在剪接體中，我們通過質(zhì)譜能夠檢測出上百個蛋白，它們加在一起的序列高達(dá)4萬個氨基酸，特別復(fù)雜。

對這么多蛋白，一開始我也根本不清楚它們都是做什么的，也不清楚它們應(yīng)該長什么樣子，每一個蛋白都要去熟悉它的作用、它的結(jié)構(gòu)。很多沒有同源結(jié)構(gòu)的，要根據(jù)密度從頭搭建模型，就更為復(fù)雜了。很多時候需要憑借非常多的經(jīng)驗與邏輯分析，以及大量的猜測假設(shè)與推演才能最終確定某個未知區(qū)域究竟是哪個蛋白的哪個部分。

除了組成上的復(fù)雜外，遇到的另一個問題是剪接體是一個比較柔性的結(jié)構(gòu)，沒有特別均一的構(gòu)象，這為解析它核心區(qū)以外的結(jié)構(gòu)帶來非常大的困難。我需要單獨把很多小的區(qū)域計算到更高的分辨率來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的解析，后面很多小地方的計算實際上比拿到整體的密度圖都要更麻煩。

在這里，我們其實對計算方式進行了一定的改進，得到了更好的結(jié)果，計算需要的時間也變少了。在這個結(jié)構(gòu)逐步完善的過程中，有些小的區(qū)域，為了最終完善結(jié)構(gòu)，從開始到最終完成建模，時間最久的跨度能有兩個月，盡管它可能只占不到1%的序列。

我們特別希望讓大家看到最完整的剪接體，做到我們能夠做到的最好程度。當(dāng)然，由于這個蛋白一些區(qū)域柔性實在太高了，一小部分區(qū)域還是很遺憾不能被解析出來。在整個計算、建模再計算再建模的過程，就像一個數(shù)獨游戲，正確答案永遠(yuǎn)只有一個，在你沒找到之前，可能是各種糾結(jié)與煩惱，但是最終解決時這種喜悅其實也是很多事情無法代替的。

科研樂趣

在這個計算與建模過程中，最興奮的事情就是將起催化作用的RNA都定位出來，而且居然能夠看到鎂離子，能夠觀察到內(nèi)含子套索結(jié)構(gòu)（反應(yīng)的中間體）。那時施老師和我們一下子都特別興奮了，這表明我們捕@了一個極為重要的反應(yīng)過程。

RNA的剪接是一個很大的領(lǐng)域，里面涉及的組裝過程非常復(fù)雜與繁瑣。剛開始覺得很繁雜，但經(jīng)過這么長時間的了解與結(jié)構(gòu)解析，隨著對里面各種各樣蛋白越來越理解，這里面的事情也變得越來越紛繁有趣。

就像玩三國殺，剛開始你可能會覺得好復(fù)雜、搞不定、沒有頭緒。可當(dāng)你熟悉每個人物時，才發(fā)現(xiàn)正因為復(fù)雜才能孕育無窮的樂趣。很多時候，解析晶體結(jié)構(gòu)和電鏡結(jié)構(gòu)盡管專業(yè)性都很強，當(dāng)你不熟悉這里面的知識規(guī)則的時候，步履維艱；當(dāng)你熟悉時，就是非常有趣的一件事。

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