加快打造原始创新策源地,加快突破关键核心技术,努力抢占科技制高点,为把我国建设成为世界科技强国作出新的更大的贡献。

——习近平总书记在致中国科学院建院70周年贺信中作出的“两加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康,率先实现科学技术跨越发展,率先建成国家创新人才高地,率先建成国家高水平科技智库,率先建设国际一流科研机构。

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【中国科学报】“死磕”研究多年,只为“挖一口深井”

2024-05-09 中国科学报 张双虎
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“赶巧了,实际上这两项工作我们‘磨’了很多年了?!苯战邮堋吨泄蒲Пā凡煞檬?,提及一个月内在《细胞》和《自然》连发论文,中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员张余一语道出科研背后的艰辛。

过去十几年,张余带领团队以噬菌体、细菌、酵母和植物细胞核与细胞器为研究对象,探索了转录在基因表达、脱氧核糖核酸(DNA)修复等过程中的多项重要功能和机制。近年来,该团队每年都会收获一两篇CNS(《细胞》《自然》《科学》)论文。对此,张余认为,从事基础研究应专注领域做“单项冠军”,沉下心“挖一口深井”。

最后一块拼图

3月1日,《细胞》在线发表两篇关于叶绿体基因转录机制研究的论文。其中,来自中国科学家的论文被选为该期封面。

在这项研究中,张余团队和华中农业大学副教授周菲团队合作,解析了烟草叶绿体核糖核酸(RNA)聚合酶复合物的电镜结构,揭示了叶绿体基因转录机器的亚基组成、亚基组装方式、特殊功能和功能适应性演化。

“生物细胞中有9类RNA聚合酶备受关注,叶绿体RNA聚合酶的完整结构和功能机制迟迟未能解析,是‘最后一块拼图’?!闭庞嘟馐退?,“因此,该研究为进一步探索叶绿体基因转录机器的工作模式、了解叶绿体基因表达调控方式,以及改造叶绿体基因表达调控网络打下了基础。在合成生物学应用层面,该研究为植物叶绿体生物反应器的效率提高提供了着手点,能助力重组疫苗、重组蛋白药物和天然产物的生产?!?/p>

3月28日凌晨,张余团队又在《自然》发表论文,解析了酵母细胞信使核糖核酸(mRNA)转录终止状态的复合物结构,揭示了核酸外切酶介导mRNA转录终止的分子机制,对进一步理解基因转录的工作机制具有重要意义。

“如果将DNA比作硬盘,那么存储在DNA上的遗传信息就可看作数据。遗传信息在基因上一条条整齐排布,聚合酶起作用时,像执行中央处理器的指令一样,准确识别‘硬盘’不同‘磁区’并将信息转录出来。上一条信息转录完成后,如果不能正常终止,就会干扰下游基因表达,影响基因组稳定等?!闭庞嗖钩渌?,“因此,从基础研究层面弄清转录终止机制非常有价值?!?/p>

少人问津的重要问题

生物学研究中有个“中心法则”,它描述了从DNA到RNA的转录过程,以及从RNA到蛋白质的翻译过程。其中转录过程分为“起始”“延伸”和“终止”3个步骤,过去数十年间,科学家对前两步的关注较多,相关机理也研究得比较清楚,但转录终止机制研究却少人问津。

“虽然有学者提出过多个转录终止机制模型,但尚存争议?!闭庞嗤哦映稍痹陆馐退?,“可能转录终止机制研究相对复杂,研究起来困难重重,所以投身其中的人并不多?!?/p>

据介绍,转录终止是动态过程,它很快出现,又迅速消失,难以捕捉。此外,起转录作用的聚合酶是复合物,有多个蛋白一起发挥功能,因此“非常不稳定,研究难度很大”。

虽然困难重重,但转录终止研究非常重要。如果人们完全了解转录机制,就可以进行基因表达的控制,进而在合成生物学的应用中更好地设计基因线路、更精确地控制基因表达。比如,有些疾病可能和基因转录终止异常有关,了解转录终止机制,就有可能帮助诊断和治疗这类疾病。

纠结很久的生化实验

“这项研究中,我们用结构生物学方法搞清楚了转录终止的机制?!痹滤?,从2020年开始,团队就明确了研究方向,但实际研究过程中困难挺多。

该研究的亮点之一是“拿到”一种聚合酶复合物。其实,研究开始不久,团队就得到了这种聚合酶复合物,这让团队成员非常兴奋。

“我们的日常工作比较单调,开心时刻就是实验中验证了某个问题或得到了某种东西?!痹滤?,“刚得到这种聚合酶复合物的时候大家都挺高兴,但很快就发现这种结构的分辨率不高,想观察的地方观察不到?!?/p>

刚出现一线曙光,新问题就接踵而至。如何提高这种聚合酶复合物的分辨率成了团队要解决的头号难题。尝试了很久,研究团队才创造性地通过加入另一个蛋白,提高了复合物的稳定性。

得到稳定的聚合酶复合物后,团队还要通过实验证明这种复合结构的终止活性,从而验证该模型的有效性。

在进行复合物结构分析时要用到冷冻电镜,但实验室没有相关仪器,曾媛便数次从上海前往北京收集数据。有一次计划到北京做实验,但正好遇上台风。为躲避台风,研究人员不得不提前两天赶到北京,但因为中途出现意外,样品不过关,曾媛只得临时通知实验室的一个师弟重新送样品,但结果依然不理想。

“这样的经历很多,其中有个生化实验‘折磨’了我们很久?!痹滤?,“转录终止蛋白必须有终止活性,但我们在生化实验中发现,它的转录终止活性一直很低?!?/p>

直到2023年6月,曾媛在阅读最新版文献时,看到有研究人员发现在基因下游有个比较保守的序列?!氨J匦蛄惺侵覆煌蛴幸欢蜗嗨频男蛄?、有一定共性。我们想到它有可能是提高转录终止效率的关键?!痹陆馐退?。

受此启发,团队将这段序列应用到新实验发展体系中,最终证明了聚合酶复合物在该体系下的转录终止活性。历经大半年的实验验证,研究团队终于对这一转录终止模型做出了合理的解释。

表面上看,张余团队在20多天时间里先后发表两篇顶刊论文。实际上,关于叶绿体基因转录机制的研究,他们“死磕”了8年,在《自然》发表的酵母细胞mRNA转录终止机制研究也“磨”了5年多。

张余说:“沉下心来专注于一个领域,有点儿像挖井,不要总跟在别人后面挖,也不能浅尝辄止挖多口‘浅井’。只有找准地方,坚持不懈挖下去,才能获得满意的结果?!?/p>

相关论文信息:

https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.01.026

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07240-3

(原载于《中国科学报》?2024-05-09?第1版?要闻)
打印 责任编辑:梁春雨

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