奮斗在RNA剪接體的研究之路

——記清華大學(xué)“身邊榜樣”、生命學(xué)院博士生白蕊

白蕊在做實(shí)驗(yàn)

白蕊,生命學(xué)院2015級(jí)博士生，導(dǎo)師是施一公教授，專業(yè)方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)生物學(xué)。迄今已經(jīng)發(fā)表高水平科研論文7篇，其中5篇發(fā)表于美國(guó)《科學(xué)》期刊（影響因子：41.058），2篇發(fā)表于美國(guó)《細(xì)胞》期刊（影響因子：31.398），其中以共同第一作者身份發(fā)表文章6篇，2篇排位第一，引用次數(shù)累計(jì)373次。曾榮獲2015年清華大學(xué)“未來(lái)學(xué)者”獎(jiǎng)學(xué)金、2018年研究生國(guó)家獎(jiǎng)學(xué)金、2018年清華大學(xué)特等獎(jiǎng)學(xué)金（研究生）。

白蕊，本科畢業(yè)于武漢大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物學(xué)基地班。2015年9月，憑借專業(yè)排名第一的優(yōu)異成績(jī)，被保送到清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，師從施一公教授。

邁入研究之門

在博士入學(xué)之前，白蕊就已經(jīng)在施一公教授實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展畢業(yè)設(shè)計(jì)。初來(lái)乍到的白蕊，被實(shí)驗(yàn)室高速、高效的工作模式所震撼。在這樣的環(huán)境里學(xué)習(xí)，白蕊既激動(dòng)又倍感壓力。但壓力即是動(dòng)力，憑借自己扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)以及不懈的努力，白蕊在專業(yè)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能上快速地成長(zhǎng)。不到半年，白蕊不僅完全適應(yīng)了實(shí)驗(yàn)室的工作模式，而且還成為了課題組的骨干成員，從此踏上了研究剪接體結(jié)構(gòu)與機(jī)理的征途。

白蕊本科畢業(yè)照

RNA剪接是真核生物遺傳信息傳遞過(guò)程中涉及中心法則的關(guān)鍵一環(huán)，通過(guò)RNA剪接，真核生物基因通過(guò)轉(zhuǎn)錄所得到的前體信使RNA（pre-mRNA）分子中的內(nèi)含子被去除、外顯子相連，從而形成蛋白質(zhì)的翻譯模板——成熟信使RNA（mature mRNA）。RNA剪接普遍存在于真核生物中，隨著物種的進(jìn)化，含有內(nèi)含子的基因數(shù)量增加，發(fā)生RNA剪接的頻率也相應(yīng)增高，使得一個(gè)基因編碼多個(gè)蛋白質(zhì)成為可能，極大地豐富了真核生物蛋白質(zhì)的多樣性。

RNA剪接的本質(zhì)是兩步轉(zhuǎn)酯反應(yīng)，這種看似簡(jiǎn)單的化學(xué)反應(yīng)在細(xì)胞中難以自行發(fā)生，而是需要一個(gè)巨大且高度動(dòng)態(tài)變化的分子機(jī)器——剪接體（spliceosome）來(lái)完成。剪接體構(gòu)象多變、組成極其復(fù)雜。研究表明，30%的人類遺傳紊亂以及多種癌癥均與某些基因的錯(cuò)誤剪接、剪接體蛋白組分的突變以及剪接體的錯(cuò)誤調(diào)控有關(guān)。然而，剪接體催化過(guò)程中不同構(gòu)象高分辨率結(jié)構(gòu)的缺失嚴(yán)重限制了人們對(duì)剪接體工作機(jī)制以及RNA剪接的分子機(jī)理的理解。因此，對(duì)于剪接體以及RNA剪接通路上各復(fù)合物結(jié)構(gòu)的研究，是真核生物生命活動(dòng)最基礎(chǔ)的研究工作之一，也是當(dāng)今世界最富有挑戰(zhàn)性、最亟待解決的課題之一。

當(dāng)時(shí)，國(guó)際上還從未有人成功解析過(guò)以上不同狀態(tài)剪接體的高分辨率三維結(jié)構(gòu)。在施一公教授的鼓勵(lì)與指導(dǎo)下，白蕊開(kāi)始研究攻克更為關(guān)鍵的不同功能狀態(tài)下的剪接體結(jié)構(gòu)機(jī)制。

在這個(gè)過(guò)程中，白蕊仔細(xì)研讀了大量的文獻(xiàn)，分析了不同狀態(tài)剪接體中的特有蛋白，憑借對(duì)課題的深入理解與扎實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，白蕊所在的團(tuán)隊(duì)成功分離出4個(gè)狀態(tài)的剪接體，白蕊以共同一作的身份在生命科學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊《科學(xué)》和《細(xì)胞》上發(fā)表了共4篇重大成果。其中兩篇在《科學(xué)》期刊上以“背靠背”的形式發(fā)表，在領(lǐng)域內(nèi)掀起了極大的轟動(dòng)。這段時(shí)期的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練與對(duì)課題的深入理解，讓白蕊的邏輯思維與科學(xué)素養(yǎng)日漸成熟，逐漸顯露出敏銳的科學(xué)洞察力。

再接再厲攻克難關(guān)

在研究中，白蕊意識(shí)到，從細(xì)胞內(nèi)源直接提取的剪接體多是構(gòu)象相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，而剪接體的瞬變（transient）狀態(tài)對(duì)理解RNA剪接的分子機(jī)制更為重要，白蕊決定轉(zhuǎn)向研究瞬變狀態(tài)的剪接體結(jié)構(gòu)。但是，這方面的工作少有文獻(xiàn)報(bào)道，因?yàn)樘幱谒沧儬顟B(tài)的剪接體豐度極低，也很不穩(wěn)定，無(wú)法直接從細(xì)胞中分離出來(lái)。這一問(wèn)題，被結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的同行們認(rèn)為是全面解析剪接體功能的一大瓶頸。此時(shí)的白蕊，已經(jīng)成為可以獨(dú)當(dāng)一面的研究骨干，她決定迎難而上。作為核心與骨干力量，白蕊決心帶領(lǐng)課題組攻克難關(guān)。

為了獲得瞬時(shí)狀態(tài)的剪接體樣品，白蕊徹夜難眠，起初不知該如何入手，但施一公教授的支持與信任始終激勵(lì)著白蕊。兩個(gè)月內(nèi)白蕊閱讀了大量的文獻(xiàn)，白蕊發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)在細(xì)胞內(nèi)改造某些RNA剪接過(guò)程中的關(guān)鍵蛋白，使得剪接體在細(xì)胞內(nèi)被阻隔在某些特定狀態(tài)，便于突破剪接體領(lǐng)域的瓶頸。此時(shí)的白蕊欣喜若狂，馬上開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，一刻也不想停下。然而，新的問(wèn)題又來(lái)了——在細(xì)胞內(nèi)過(guò)表達(dá)這些關(guān)鍵蛋白的失活體，細(xì)胞不能正常生長(zhǎng)了。

白蕊在實(shí)驗(yàn)室

辦法總比困難多，于是白蕊開(kāi)始日以繼夜、夜以繼日地進(jìn)行優(yōu)化，尋找既不會(huì)影響細(xì)胞生長(zhǎng)又能將剪接體阻礙在某種瞬變狀態(tài)的關(guān)鍵蛋白失活體。經(jīng)過(guò)了多次實(shí)驗(yàn)，白蕊終于找到了最佳的實(shí)驗(yàn)方案。這個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題的解決，使得白蕊一擊即中，首次成功解析了世界上被認(rèn)為難以捕捉的瞬變狀態(tài)剪接體post-catalytic spliceosome(催化后剪接體)，并以第一作者的身份在美國(guó)《細(xì)胞》雜志上發(fā)表了該重大成果。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)在領(lǐng)域內(nèi)引起了不小的轟動(dòng)，并為該領(lǐng)域長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的猜想與爭(zhēng)論提供了最有效的證據(jù)。

挑戰(zhàn)全新研究

運(yùn)用自己優(yōu)化的最佳實(shí)驗(yàn)方案獲得成功之后，白蕊舉一反三，立刻投入到RNA剪接中一個(gè)全新的瞬變狀態(tài)——pre-B complex的捕獲中。在此之前，世界上從未有課題組捕獲并解析過(guò)該狀態(tài)的剪接體。Pre-B complex具有更高度的動(dòng)態(tài)性，挑戰(zhàn)更大。僅僅使用之前的優(yōu)化方案并不成功，這提示白蕊需要再尋找更好的實(shí)驗(yàn)方案。作為課題的負(fù)責(zé)人之一，白蕊創(chuàng)新性地改變了以往的提純方法，更重要的是，根據(jù)該復(fù)合物的特點(diǎn)，白蕊敏銳地意識(shí)到并更換了實(shí)驗(yàn)步驟中的一些試劑，因此大大提高了樣品的穩(wěn)定性。

這些關(guān)鍵細(xì)節(jié)的改變，使得白蕊和她帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)首次解析了世界上最大、最復(fù)雜、最難獲得穩(wěn)定樣品的pre-B complex近原子分辨率的三維結(jié)構(gòu)，該重大成果發(fā)表在美國(guó)《科學(xué)》雜志上。文章發(fā)表后，領(lǐng)域內(nèi)的科學(xué)家們驚嘆這個(gè)龐大且高度動(dòng)態(tài)的剪接體的結(jié)構(gòu)之精美，許多學(xué)者紛紛寫信表示祝賀并詢問(wèn)細(xì)節(jié)，審稿人更是將該結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)為史上最重要、最振奮人心的剪接體結(jié)構(gòu)之一。

就白蕊個(gè)人而言，她認(rèn)為對(duì)課題的深層次理解、對(duì)課題的全身心投入，以及對(duì)待實(shí)驗(yàn)須有的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度與操作，都是推動(dòng)研究不斷取得進(jìn)展的重要因素。不放過(guò)實(shí)驗(yàn)中的每一個(gè)細(xì)節(jié)，就會(huì)離成功更近一點(diǎn)。

曾經(jīng)的榮耀已然過(guò)去，對(duì)RNA剪接分子機(jī)理的研究卻沒(méi)有終點(diǎn)。白蕊將繼續(xù)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)乘風(fēng)破浪，在研究RNA剪接分子機(jī)理的道路上勇往直前。

（清華新聞網(wǎng)5月16日電）

供稿：生命學(xué)院

編輯：宋亮 李華山 萬(wàn)寧寧

審核：周襄楠