作者:张双虎 来源:科学网微信公众号 发布时间:2024/5/5 20:30:32
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一月内两篇顶刊论文,是“赶巧”也是厚积薄发

 

文|《中国科学报》记者 张双虎

“不过是赶巧了,实际上我们这两项工作都‘磨’了很多年。”提及在一个月内连发两篇顶刊论文,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、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某个领域做“单项冠军”,沉下心去“挖一口深井”。

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张余。

一月两篇顶刊

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当期封面。

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,解析烟草叶绿体RNA(核糖核酸)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被解析,是‘最后一块拼图’。”张余解释说,“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、理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,为植物叶绿体生物反应器的效率提升提供了着手点,助力重组疫苗、重组蛋白药物和天然产物的生产。”

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mRNA(信使核糖核酸)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’,存储在DNA上的遗传信息可看作‘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CPU的指令一样,准确识别硬盘不同‘磁区’并将信息‘读’(转录)出来。上一条信息‘读’完了,如果不能正常终止,就会干扰下游基因表达,影响基因组稳定等重要过程。”张余补充说,“因此,从基础研究层面说,弄清转录终止机制非常有价值。”

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张余(左)和曾媛。 

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。其中转录过程又分为“起始、延伸和终止”三个步骤,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。

“虽然也有学者提出过多个转录终止机制模型,但是具体的机制尚存争议。”该论文第一作者、张余团队成员曾媛解释说,“可能转录终止机制研究相对复杂,研究起来困难重重,所以投身其中的研究者并不多。”

据介绍,转录终止是动态过程,它很快出现、迅速消失,难以捕捉;而且,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”。

尽管困难重重,但转录终止研究非常重要。简单说,遗传信息要发生翻译必须经过转录过程。如果人们完全了解转录机制,下一步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,如果了解转录终止机制,就有可能帮助人们对这类疾病进行诊断和治疗。

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复合物结构(左模式图,中和右复合物结构图)。 

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。”曾媛说,从2020年开始,该团队就明确了研究方向,但实际研究过程“困难还挺多”。

该研究的亮点工作之一是“拿到”一种聚合酶复合物。实际上,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,为数不多的开心时刻就是实验中验证了某个问题或得到某种东西。”曾媛补充道,“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。”

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,来提高复合物的稳定性。

得到稳定的聚合酶复合物后,团队还要用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,但该实验室没有相关仪器,曾媛数次从上海到北京去收集数据。有一次计划要到北京做实验,但正好遇上台风,上海到北京的所有交通工具停运。为躲避台风,研究人员不得不提前两天赶到北京,但因为中途折腾太久,样品不过关,曾媛临时通知实验室的一个师弟重新送样品过去,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,一直做不出来。”曾媛说,“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。”

直到2023年6月,曾媛在阅读最新版文献时,看到有研究人员通过测试很多序列,发现在基因下游有个比较保守的序列。

“保守序列是指不同基因有一段相似的序列、有一定共性。这让我们想到它有可能是提高转录终止效率的关键。”曾媛解释说。

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。

经历大半年的实验验证,研究团队终于为这一转录终止模型给出了合理的解释。

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

“基础研究过程相对枯燥,所以研究者一定要沉下心来,专注于某个领域做‘单项冠军’。”张余说,“这有点像挖井,不要总跟在别人后面挖,也不能浅尝辄止,挖很多口‘浅井’。我们要自己找准地方,坚持不懈挖下去,最终才能取得满意的结果。”


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

 
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