研究就像三国杀,复杂孕育无穷乐趣

精品文档-下载后可编辑研究就像三国杀,复杂孕育无穷乐趣默默算了算，自己已在清华“混迹”十年。2022年，我通过生物竞赛与物理竞赛被保送至清华。除了家，这里是我待得最久的地方。也许久了就成为一种习惯，感觉这里的一草一木都那么熟悉，红砖灰瓦那么亲切与大气。

2022年底，我来到施一公老师的实验室。施一公老师的科研热情和勤勉工作对我们产生了很大影响。记得初入实验室不久，施老师在讨论课题的时候让我分析一块蛋白酶切的图，而我其实还没仔细想过。施老师帮我们耐心地分析实验酶切的原理与结果。那时自己有些尴尬，也很感动。没想到施老师会这么认真地讨论每一个细节，对于还有很多东西不会的我们，也是那么包容与鼓励。

冷冻电镜的学习

冷冻电镜的发展对于很多人来讲是始料未及的，它以前所未有的速度改变了整个结构生物学的格局。很多时候，也是很巧合。2022年，程亦凡教授通过冷冻电镜解析出来3.4的TRPV1离子通道，而当时很多结构生物学家都在通过晶体学手段研究这类离子通道，但就是无法结晶。程老师通过冷冻电镜做出TRPV1的结构，我们都感觉很不可思议，也很震撼，从那时候起我也开始了冷冻电镜的学习。

在读博士期间，我从事的是结构生物学研究，顾名思义，就是从结构层次去阐明所研究对象的分子机理。那个时候跟王佳伟教授学习了很多晶体学的知识，每天与晶体、衍射、点阵、倒易空间、相位解析以及模型搭建打交道，通过X-射线晶体学研究蛋白质的结构。这其实与电镜在很多方面都是相通的。博士毕业后，我继续在施一公老师实验室攻读博士后。

2022年时学习电镜的人还不多，整个清华电镜平台都给了我们很多帮助，王宏伟教授、李雪明教授等都曾耐心给我们讲解，给了我们很多指导。

电镜在后期建模与X-射线晶体学是完全相通的。开始做剪接体前，我搭建的最大的原子模型是迄今为止已知的最大的离子通道RyR1，它的一个单体就有5037个氨基酸。那时我也发觉电镜建模与晶体又有很多区别。不再像以前的晶体，一般都只有几百个氨基酸左右，在完成相位的初始解析后，最后搭建模型其实比较小，也较容易判断。而RyR1需要搭建一个5037个氨基酸的模型，一下复杂了很多，需要将每个残基都找出来。就像给你一个拼图，以前让你拼一个10×10的图，可能你一下能够找到头绪；现在给你一个100×100的拼图，这个就相当复杂了。

关于电镜的学习，以及搭建模型的过程，对于我后面参与和完成剪接体的研究都起到了非常重要的作用。电镜很快就炙手可热，团队也开始对剪接体复合物进行研究。

剪接体是什么？

首先科普一下。剪接体（spliceosome）是什么呢？就像有一条红绿相间的绳子，现在我们需要把红的部分连在一起，把绿的部分剪掉。而剪接体就像是一双手和一把剪刀，能够把绳子在红绿交界处剪开，并把红的绳子结在一起。不同的是，剪接体剪开并连接的是细胞里最关键的分子之一―前体信使RNA链。

我们能够运动，能够看见东西、听见声音，能够思考问题，几乎所有你能想象到的活动，都是由多种多样但又彼此不同的蛋白质来执行与完成的。但这些功能多样的蛋白并非凭空产生，它们都是根据对应的基因-遗传物质DNA的信息合成的。基因就像一根红绿相间的绳子，红色的对应外显子，能够表达为蛋白质部分，绿色的就对应内含子，最终需要被去除。

DNA信息可以通过转录，将信息复制到RNA分子里面。这个RNA分子就叫前体信使RNA，它最终能够作为模版（信使RNA）通过核糖体来指导合成对应的蛋白质。而这个模版，还不能直接使用，必须通过剪接体像剪绳子一样把内含子剪掉才能使用。剪完之后的RNA我们叫做信使RNA。

大家可能就要问了，为什么还要这么麻烦地剪切掉呢？研究发现，不同基因的剪切在不同的发育时期是有可能不一样的，在不同的环境下可能也会产生变化。实际上一个基因通过剪接体的不同剪切方式就会产生功能相近又不完全一样的蛋白质，从而能够提高生物的适应能力。在真核细胞中，绝大多数蛋白的表达都要经过剪接体对前体信使RNA的剪接。所以说，这个剪接体复合物是在最基础的层次上参与了我们每个人的生命活动，没有了它，那绝对是致命了。而揭示了其中的机制，将来可能给我们带来很多意想不到的收获。

自1993年基因剪接的发现被授予了诺贝尔生理学医学奖以来，科学家们其实一直在步履维艰地探索着其中的奥秘，期盼着尽早了解其中的机理。

柔性结构添困难

很快，我们就展开了繁忙的攻坚战。团队里杭婧和万瑞雪都特别优秀，研究也特别辛苦，我们一起完成的这个课题研究。其实开始时，也是抱着试试看的态度做，没想到样品质量很不错，我们很快就通过计算知道剪接体大概是一个什么形状。后面我们一起收集了更多的冷冻电镜图片，逐步地将分辨率一点点提高上来。

其实，开始算出一个电镜密度图，我也是一下子晕了。这么大一个分子，而且不像RyR1，我确定知道的只有这么一个蛋白和一个很小的结合蛋白。在剪接体中，我们通过质谱能够检测出上百个蛋白，它们加在一起的序列高达4万个氨基酸，特别复杂。

对这么多蛋白，一开始我也根本不清楚它们都是做什么的，也不清楚它们应该长什么样子，每一个蛋白都要去熟悉它的作用、它的结构。很多没有同源结构的，要根据密度从头搭建模型，就更为复杂了。很多时候需要凭借非常多的经验与逻辑分析，以及大量的猜测假设与推演才能最终确定某个未知区域究竟是哪个蛋白的哪个部分。

除了组成上的复杂外，遇到的另一个问题是剪接体是一个比较柔性的结构，没有特别均一的构象，这为解析它核心区以外的结构带来非常大的困难。我需要单独把很多小的区域计算到更高的分辨率来实现结构的解析，后面很多小地方的计算实际上比拿到整体的密度图都要更麻烦。

在这里，我们其实对计算方式进行了一定的改进，得到了更好的结果，计算需要的时间也变少了。在这个结构逐步完善的过程中，有些小的区域，为了最终完善结构，从开始到最终完成建模，时间最久的跨度能有两个月，尽管它可能只占不到1%的序列。

我们特别希望让大家看到最完整的剪接体，做到我们能够做到的最好程度。当然，由于这个蛋白一些区域柔性实在太高了，一小部分区域还是很遗憾不能被解析出来。在整个计算、建模再计算再建模的过程，就像一个数独游戏，正确答案永远只有一个，在你没找到之前，可能是各种纠结与烦恼，但是最终解决时这种喜悦其实也是很多事情无法代替的。

科研乐趣

在这个计算与建模过程中，最兴奋的事情就是将起催化作用的RNA都定位出来，而且居然能够看到镁离子，能够观察到内含子套索结构（反应的中间体）。那时施老师和我们一下子都特别兴奋了，这表明我们捕@了一个极为重要的反应过程。

RNA的剪接是一个很大的领域，里面涉及的组装过程非常复杂与繁琐。刚开始觉得很繁杂，但经过这么长时间的了解与结构解析，随着对里面各种各样蛋白越来越理解，这里面的事情也变得越来越纷繁有趣。

就像玩三国杀，刚开始你可能会觉得好复杂、搞不定、没有头绪。可当你熟悉每个人物时，才发现正因为复杂才能孕育无穷的乐趣。很多时候，解析晶体结构和电镜结构尽管专业性都很强，当你不熟悉这里面的知识规则的时候，步履维艰；当你熟悉时，就是非常有趣的一件事。

想想看，你能够将一个肉眼都看不到的东西，最终以美丽