厚積薄發我國科學家揭開表觀遺傳“神秘面紗”

長期以來，人們普遍認為，脫氧核糖核酸（DNA）決定了生物體的全部表型。但問題來了，在相同環境中成長的同卵雙胞胎，身高、膚色、性格、健康狀況等并非完全相同，這是為什么？

為了揭開表觀遺傳的“神秘面紗”，科學家將視線從DNA轉向了另一種遺傳物質——和DNA共同構成細胞染色體的蛋白質。

近日，香港大學生物科學學院教授翟元梁研究團隊聯合北京大學生命科學學院教授高寧、李晴研究團隊，借助冷凍電鏡和基因組學多種手段，抓拍到親代組蛋白在復制叉上轉移的關鍵步驟，為進一步完全揭示組蛋白編碼表觀遺傳信息傳遞與DNA復制的耦合機制奠定了基礎。3月7日，相關研究成果發表于《自然》。

論文匿名評審人認為，“這是一項先進的結構研究，極大推動了我們對組蛋白回收機制的理解”。

給“快遞員”拍個工作照

每個人的身體里有幾百種不同的細胞，每種細胞里的DNA都是相同的，但為什么這些細胞表現出不同的細胞類型？

這是一個令整個學界困惑的難題。生物體的遺傳信息分為兩種，一種是DNA攜帶的遺傳信息，另一種是表觀遺傳。含有相同DNA的細胞表現出不同的細胞類型，就與表觀遺傳的調控有關。

DNA是生物體的主要遺傳物質，真核生物的DNA以染色體形式存在。DNA纏繞在一種名為組蛋白的蛋白上，和組蛋白共同形成核小體。核小體內一共有8個組蛋白，也可以稱之為組蛋白八聚體。核小體上的組蛋白修飾正是重要的表觀遺傳標記。

由于DNA呈雙鏈結構，DNA復制時需要“解開”雙螺旋，同時復制叉前面的核小體也會被“拆開”。之后，DNA原本的兩條舊鏈分別復制形成兩條子鏈，此時被“拆開”的核小體也順勢“復制”到新合成的子鏈上。

但在這一過程中，如何保證核小體能將表觀遺傳信息“完美降落”到新合成的子鏈上？又是什么幫助核小體完成轉移？

“我們用冷凍電鏡抓拍到這個過程的一個瞬間，這也是本項研究的關鍵突破。”他說。

他們發現，當復制體作用于攜帶表觀遺傳信息的親代組蛋白時，會將原本的八聚體拆分為六聚體和二聚體。同時，能夠維持組蛋白穩定性的伴侶蛋白FACT，會將拆解出來的六聚體“抓住”，并在解旋酶Mcm2亞基的協助下將組蛋白嵌套在一個轉移平臺Tof1蛋白上，從而將親代組蛋白定位到復制體的前端，以便進一步轉移至DNA子鏈上。

“親代組蛋白回收的復制偶聯機制一直是學界‘公認但知之甚少’的，我們的研究首次揭示了其中的一個關鍵步驟。”翟元梁說。

復制體回收親代組蛋白的模型示意圖

八年磨一劍

“這篇論文從投稿到接收只用了4個月，但項目前后做了快8年。”翟元梁感慨地說。

在翟元梁看來，這項研究的成功離不開自己的合作伙伴——高寧團隊的支持。

這是一項工作量極其龐大的研究。“目前學界基本上采用體外重組的方法，但我們選擇了體內和體外相結合的研究方式。”翟元梁表示。

如果將蛋白質復合物比作工廠里的機器，里面的組件非常復雜，那么體外重組就類似于把每個零部件買回來自己組裝。然而，有時研究者并不能完全掌握分子機器每一個零部件的細節，不僅組裝難度大，而且組裝完成后無法進行驗證。

因此，翟元梁決定，直接把體內組裝好的“機器”拿出來，這樣就避開了對分子機器零部件認識不足的問題。但新的問題是，體內存在大量不同的蛋白質，要想在數以億計的蛋白質中把特定的數量極少的“快遞員”復制體復合物從染色質上提取出來，需要把整個蛋白純化的過程梳理清楚。

“這也是非常困難的。”翟元梁說。

為了破解這一難題，翟元梁和擅長冷凍電鏡結構研究的高寧進行了合作。高寧在美國讀博時就從事冷凍電鏡結構研究，而他的團隊在復雜大分子機器的結構解析上有著豐富的經驗。

“通俗來說，冷凍電鏡技術就是給大分子機器拍平面照片。有了各個角度的平面照片后，就可以計算出大分子的立體結構。因為蛋白質十分脆弱，只能用很弱的光給它拍照，單張照片清晰度很低，所以冷凍電鏡方法是拍大量的照片、疊加起來，相當于用強光器曝光，這樣就能觀察到蛋白質分子的高分辨率結構。”論文第一作者、北京大學生命科學學院研究員李寧寧介紹，“隨著冷凍電鏡技術的發展，分辨率逐漸提高，數據處理的算法也得到更新，能夠更清楚地觀察到本次研究中的‘關鍵快照’。”

即便如此，這依然不是一項容易的研究。

“需要耗費大量精力。”李寧寧舉了個例子，“這項研究每次樣品的制作都需要用100升指數生長期的酵母細胞。以1升容量的搖瓶為例，100升酵母細胞就是100瓶，這需要分成很多次去培養，攢到一定程度才能開始處理細胞、在冷凍電鏡中測試一次。同時，還需要很多配套工作，比如怎樣用溫和的方法實現酵母破壁等。整體來看，實驗規模和難度都非常大。整個研究期間，前后至少培養了上千升細胞。”

2015年，他和高寧團隊合作發表了第一篇刊發于《自然》的論文，研究了酵母復制前期復合物的結構。之后，他們開始專注研究復制體復合物的冷凍電鏡結構，經過8年摸索，終于破解理論與技術難題，成功抓拍到“快遞員”復制體的“工作照”。同時，在李晴的協助下，他們成功揭示復制體“快遞”親代組蛋白的具體目的地。

“坐得住‘冷板凳’”

“研究中，我覺得最重要的是信心——相信自己一定能做出來。”在回顧整個研究過程時，翟元梁說。

早在香港科技大學攻讀博士學位時，翟元梁便從事染色質復制研究。他根據文獻和實驗獨自摸索出內源蛋白純化的方法，對海量的蛋白進行提取純化，并優化冷凍制樣的方法。

無論是一開始的獨立摸索、積累經驗，還是后來組建研究團隊、帶領學生科研攻關，“堅持”是翟元梁最大的感受。

“在我讀博士和從事博士后階段研究的過程中，我的導師們非常支持我的選擇，基本上是我選定感興趣的方向后，自己探索鉆研，在持續積累的基礎上，慢慢做出一些成果。”翟元梁感慨道，“在科研中，一帆風順并不現實。沉得住氣、坐得住‘冷板凳’、踏踏實實做事，才是科研工作者最重要的品質。”

“厚積薄發”是李寧寧對翟元梁的評價。“他是非常低調、溫和、有原則的人，對科研有極致的熱愛，并且充分尊重學生的意愿，能帶領整個團隊沉下心來做研究。”

而對于翟元梁來說，一切只是開始：“表觀遺傳的整個過程有很多步驟，也有不同蛋白因子參與其中。我們的研究只是打開了一個很小的窗口，還需要進一步深入探索。”