奮鬥在RNA剪接體的研究之路

奮鬥在RNA剪接體的研究之路

——記清華大學「身邊榜樣」、生命學院博士生白蕊

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白蕊在做實驗

白蕊,生命學院2015級博士生，導師是施一公教授，專業方向為結構生物學。迄今已經發表高水平科研論文7篇，其中5篇發表於美國《科學》期刊（影響因子：41.058），2篇發表於美國《細胞》期刊（影響因子：31.398），其中以共同第一作者身份發表文章6篇，2篇排位第一，引用次數累計373次。曾榮獲2015年清華大學「未來學者」獎學金、2018年研究生國家獎學金、2018年清華大學特等獎學金（研究生）。

白蕊，本科畢業於武漢大學生命科學學院生物學基地班。2015年9月，憑藉專業排名第一的優異成績，被保送到清華大學生命科學學院，師從施一公教授。

邁入研究之門

在博士入學之前，白蕊就已經在施一公教授實驗室開展畢業設計。初來乍到的白蕊，被實驗室高速、高效的工作模式所震撼。在這樣的環境裡學習，白蕊既激動又倍感壓力。但壓力即是動力，憑藉自己紮實的基礎知識以及不懈的努力，白蕊在專業知識和實驗技能上快速地成長。不到半年，白蕊不僅完全適應了實驗室的工作模式，而且還成為了課題組的骨幹成員，從此踏上了研究剪接體結構與機理的徵途。

白蕊本科畢業照

RNA剪接是真核生物遺傳信息傳遞過程中涉及中心法則的關鍵一環，通過RNA剪接，真核生物基因通過轉錄所得到的前體信使RNA（pre-mRNA）分子中的內含子被去除、外顯子相連，從而形成蛋白質的翻譯模板——成熟信使RNA（mature mRNA）。RNA剪接普遍存在於真核生物中，隨著物種的進化，含有內含子的基因數量增加，發生RNA剪接的頻率也相應增高，使得一個基因編碼多個蛋白質成為可能，極大地豐富了真核生物蛋白質的多樣性。

RNA剪接的本質是兩步轉酯反應，這種看似簡單的化學反應在細胞中難以自行發生，而是需要一個巨大且高度動態變化的分子機器——剪接體（spliceosome）來完成。剪接體構象多變、組成極其複雜。研究表明，30%的人類遺傳紊亂以及多種癌症均與某些基因的錯誤剪接、剪接體蛋白組分的突變以及剪接體的錯誤調控有關。然而，剪接體催化過程中不同構象高解析度結構的缺失嚴重限制了人們對剪接體工作機制以及RNA剪接的分子機理的理解。因此，對於剪接體以及RNA剪接通路上各複合物結構的研究，是真核生物生命活動最基礎的研究工作之一，也是當今世界最富有挑戰性、最亟待解決的課題之一。

當時，國際上還從未有人成功解析過以上不同狀態剪接體的高解析度三維結構。在施一公教授的鼓勵與指導下，白蕊開始研究攻克更為關鍵的不同功能狀態下的剪接體結構機制。

在這個過程中，白蕊仔細研讀了大量的文獻，分析了不同狀態剪接體中的特有蛋白，憑藉對課題的深入理解與紮實的實驗基礎，白蕊所在的團隊成功分離出4個狀態的剪接體，白蕊以共同一作的身份在生命科學領域頂級期刊《科學》和《細胞》上發表了共4篇重大成果。其中兩篇在《科學》期刊上以「背靠背」的形式發表，在領域內掀起了極大的轟動。這段時期的實驗訓練與對課題的深入理解，讓白蕊的邏輯思維與科學素養日漸成熟，逐漸顯露出敏銳的科學洞察力。

再接再厲攻克難關

在研究中，白蕊意識到，從細胞內源直接提取的剪接體多是構象相對穩定的狀態，而剪接體的瞬變（transient）狀態對理解RNA剪接的分子機制更為重要，白蕊決定轉向研究瞬變狀態的剪接體結構。但是，這方面的工作少有文獻報導，因為處於瞬變狀態的剪接體豐度極低，也很不穩定，無法直接從細胞中分離出來。這一問題，被結構生物學領域內的同行們認為是全面解析剪接體功能的一大瓶頸。此時的白蕊，已經成為可以獨當一面的研究骨幹，她決定迎難而上。作為核心與骨幹力量，白蕊決心帶領課題組攻克難關。

為了獲得瞬時狀態的剪接體樣品，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著白蕊。兩個月內白蕊閱讀了大量的文獻，白蕊發現可以通過在細胞內改造某些RNA剪接過程中的關鍵蛋白，使得剪接體在細胞內被阻隔在某些特定狀態，便於突破剪接體領域的瓶頸。此時的白蕊欣喜若狂，馬上開展實驗，一刻也不想停下。然而，新的問題又來了——在細胞內過表達這些關鍵蛋白的失活體，細胞不能正常生長了。

白蕊在實驗室

辦法總比困難多，於是白蕊開始日以繼夜、夜以繼日地進行優化，尋找既不會影響細胞生長又能將剪接體阻礙在某種瞬變狀態的關鍵蛋白失活體。經過了多次實驗，白蕊終於找到了最佳的實驗方案。這個關鍵問題的解決，使得白蕊一擊即中，首次成功解析了世界上被認為難以捕捉的瞬變狀態剪接體post-catalytic spliceosome(催化後剪接體)，並以第一作者的身份在美國《細胞》雜誌上發表了該重大成果。這項發現在領域內引起了不小的轟動，並為該領域長達數年的猜想與爭論提供了最有效的證據。

挑戰全新研究

運用自己優化的最佳實驗方案獲得成功之後，白蕊舉一反三，立刻投入到RNA剪接中一個全新的瞬變狀態——pre-B complex的捕獲中。在此之前，世界上從未有課題組捕獲並解析過該狀態的剪接體。Pre-B complex具有更高度的動態性，挑戰更大。僅僅使用之前的優化方案並不成功，這提示白蕊需要再尋找更好的實驗方案。作為課題的負責人之一，白蕊創新性地改變了以往的提純方法，更重要的是，根據該複合物的特點，白蕊敏銳地意識到並更換了實驗步驟中的一些試劑，因此大大提高了樣品的穩定性。

這些關鍵細節的改變，使得白蕊和她帶領的團隊首次解析了世界上最大、最複雜、最難獲得穩定樣品的pre-B complex近原子解析度的三維結構，該重大成果發表在美國《科學》雜誌上。文章發表後，領域內的科學家們驚嘆這個龐大且高度動態的剪接體的結構之精美，許多學者紛紛寫信表示祝賀並詢問細節，審稿人更是將該結構評價為史上最重要、最振奮人心的剪接體結構之一。

就白蕊個人而言，她認為對課題的深層次理解、對課題的全身心投入，以及對待實驗須有的嚴謹態度與操作，都是推動研究不斷取得進展的重要因素。不放過實驗中的每一個細節，就會離成功更近一點。

曾經的榮耀已然過去，對RNA剪接分子機理的研究卻沒有終點。白蕊將繼續帶領團隊乘風破浪，在研究RNA剪接分子機理的道路上勇往直前。

（清華新聞網5月16日電）

供稿：生命學院

編輯：宋亮 李華山 萬寧寧

審核：周襄楠