專訪施一公教授:基礎研究的喜悅無與倫比

▎本文經「未來論壇」授權轉載

編者按：在大咖雲集，精彩不斷的首日活動後，2017未來科學大獎頒獎典禮暨未來論壇年會進入了第二天的議程。今日最引人關注的環節，無疑將是下午2點開始的2017科學大獎頒獎典禮。施一公教授、潘建偉教授、許晨陽教授也將迎來屬於他們的這份榮譽。今天，我們將為各位讀者送上未來論壇對三名獲獎人的專訪。讓我們一道在問答中，領略他們的風採。

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2017未來科學大獎/ 生命科學獎 / 施一公

2017未來科學大獎獲獎名單公布後，未來論壇青年理事王皓毅第一時間通過電話連線對生命科學獎得主施一公進行了獨家專訪。

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2017未來科學大獎

生命科學獎得主

圖片丨施一公

施一公，1967年5月5日出生於河南省鄭州市，1989年畢業於清華大學，1995年在美國約翰霍普金斯大學獲博士學位。中國科學院院士、美國科學院外籍院士、美國藝術與科學院院士、結構生物學家、清華大學教授。現任中國科學技術協會第九屆全國委員會副主席，清華大學副校長，西湖高等研究院首任院長。

以下是採訪內容：

01

獲獎成果的意義

王皓毅：施教授您好，首先祝賀您獲得了2017未來科學大獎生命科學獎！我們想代表未來論壇和公眾問您幾個簡單的問題。您的獲獎理由主要是關於RNA剪接體的結構以及機制的一些工作。請您用更為通俗或者簡單的話給公眾介紹清楚這個工作的意義在哪裡？

施一公：好的。這次「未來科學大獎」給我的表彰主要是對「解析真核細胞信使RNA剪接體這一關鍵複合物的結構，揭示活性位點及分子機理」的貢獻。我儘量用比較通俗的語言來解釋一下我們研究的意義。

每一種生物，包括我們人類的行為、語言、思考等一切生命活動都是由我們的基因所控制的，這是一個大家比較熟悉的常識。父母對子女的基因遺傳以DNA作為載體來實現。DNA承載的遺傳信息決定了我們從一個受精卵發育成一個胚胎，變成一個嬰兒出生，一步步發育成熟，又至衰老。那麼基因如何控制每一個生物體的生命過程呢？DNA儲存的遺傳信息首先要轉化成可以執行具體功能的蛋白質，已知的生命活動絕大多數是由蛋白質們來執行完成的。這個遺傳信息從存儲的DNA轉化為具有各種結構、執行各種功能的蛋白質的過程，就叫做中心法則。

說到這對非生物專業的朋友來說可能已經有點晦澀了。我打個比較粗略的比方，如果說生命活動是一部電影，那麼DNA是一部用密碼寫成的腳本，蛋白質們就是演員和道具，共同演繹完成這部電影。但從加密的腳本到最終的影片，還需要解碼、需要對腳本進行編輯成為成熟的劇本，這就是信使RNA要做的事情。

在地球上被稱為「真核生物」的生命體中，中心法則的執行過程可以分解為三步：第一步是把我們的遺傳信息從DNA傳遞到前體信使RNA，也就是解碼的過程。這個前體信使RNA和DNA是一一對應的關係。在真核生物中，絕大多數的前體信使RNA還不能夠被直接翻譯成蛋白質，因為它們常常包含有一段或者若干段長度、序列各異的片段，這些片段並不能編碼蛋白質，它們被稱為內含子。內含子們不能夠進入最後的劇本，它們要被剪掉。前體信使RNA上，除了內含子之外其他的片段就叫做外顯子。想像一下，每一條前體信使RNA就是由長度和序列各異的內含子和外顯子交錯連接起來。把前體信使RNA中的內含子剪裁掉，把包含有效信息的外顯子拼接在一起成為成熟的信使RNA，這個過程就叫做「剪接」(splicing)，顧名思義，剪掉內含子，連接外顯子。成熟的信使RNA就可以被翻譯成蛋白質了。蛋白質們辛勤做功，實現我們的運動、思維、感知、睡眠等等生理過程。

剪接這麼簡單的一個詞，要實現起來可是異常複雜。因為內含子實在是變化太多了，一個內含子可以只有短短的幾個核苷酸，也可能有成千上萬個核苷酸；而內含子與外顯子也是相對而言，一個內含子在另一種剪接方式下就變成了可以編碼蛋白質的外顯子，反之亦然。外顯子的拼接方式也異常複雜，不僅可以12345的順序拼接，還可以打亂順序12543地拼接，甚至來自不同前體信使RNA的外顯子們還可以「跨界」連接。因此，同樣的DNA模板，同樣的前體信使RNA，因為剪接的不同，傳遞下來的意思完全不同了。這只是一個簡單的類比，事實上，細胞世界中前體信使RNA的剪接要更加複雜。同一條前體信使RNA的剪接方式不同，產生的成熟信使RNA就千變萬化，從而導致最後的產品蛋白質隨之千變萬化。

聽起來好像內含子們雜亂無章，剪接隨心所欲，當然不是！每個細胞對於每一條前體信使RNA的剪接在時空上是非常精準的。剪掉誰，剪掉多長，什麼時候剪，按照什麼順序把外顯子拼接起來，這每一個都是可能改變細胞命運的關鍵問題。想一想，一步走錯，結果就千差萬別，生命活動也就亂了套。所以毫不奇怪，人類的遺傳疾病，大約有35%都是因為剪接異常造成的。

正因為剪接如此複雜又如此重要，這個過程不論是在單細胞的酵母中還是在我們複雜的人類中，都是由一種具有巨大分子量、由幾十到幾百種蛋白質和五條RNA動態組合形成的一個超大分子機器，被稱為「剪接體」（spliceosome）。生化教科書將剪接體形容為細胞裡最複雜的超大分子複合物，毫不為過。

施一公

我們再回顧一遍，中心法則是指從遺傳物質變到控制生命過程的蛋白質這樣一個信息傳遞過程，在真核生物裡面是三步曲，每一步都有大分子複合物來催化完成：第一步轉錄，從DNA到前體信使RNA，由RNA聚合酶催化，這一步基本在2006年之前就從分子結構上搞清楚了；第三步從成熟的信使RNA翻譯成蛋白質，由核糖體催化，這一步也基本在2006、2007年之前了解得比較清楚。我這裡說「比較清楚」是指由於結構的解析，從而在原子、分子的層面上可以很清楚的看到這一步是如何完成。RNA聚合酶的結構解析獲得了2006年的諾貝爾化學獎，核糖體的結構解析則獲得了2009年的諾貝爾化學獎。但是中間這一步，也就是剪接，從不成熟的前體信使RNA到成熟的信使RNA這一步相對而言在分子層面很不清楚。事實上，剪接這一現象早在1977年就被兩位美國科學家Phillip Sharp和Richard Roberts發現，他們因此在1993年就已經獲得諾貝爾生理或醫學獎。但是這一步究竟怎麼完成，在2015年之前我們仍只是在遺傳和生化研究上有一些線索和證據，但在結構和分子機理上並不清楚。如前所述，這一步也應該是整個中心法則三步中最複雜的一步。

02

未來研究方向

王皓毅：您解釋得非常清楚。您覺得目前第二步對於分子機理的理解，在您以及其他一些國際同行的工作基礎上，我們已經接近完美了，還是說仍有很多工作要做？您現在在這個方向上最為核心的課題是什麼？

施一公：從1977年算起，經過將近40年的研究，到了2015年初，我們在遺傳角度和生化角度已經把這些RNA剪接的過程梳理出來了，化學原理也知道了，哪些蛋白、RNA來執行剪接過程也發現的差不多了。但是我們就是沒有眼見為實，我們並不知道這麼複雜的剪接過程是如何被精準地控制著有序發生的，我們不知道剪接體的眾多組分是如何排列組合的。每個組分並不是固定不動的板磚，某些特定組分會在剪接的特定過程中伸伸胳膊動動腿，從而精準地找出內含子的邊界，在恰當的時間恰當的地方，剪一刀或者打個結。這個過程如此複雜。要想理解它，就要捕獲剪接體在工作中每一個狀態的結構。不過，在2015年之前，別說每一個了，就算是隨便一個狀態也都被結構生物學界和RNA剪接領域視為mission impossible （不可能完成的任務）。

我從博士研究就做DNA和RNA的蛋白結合，選擇博士後時還曾面試過研究核糖體結構的實驗室，我在普林斯頓期間也一直關注著剪接體的研究進展，因為我覺得這是結構生物學的終極課題之一，極有挑戰性。但我認為當時的技術發展相差甚遠，所以一直沒有痛下決心開始。直到2007年回清華，我注意到了冷凍電鏡領域進步迅速而且潛力巨大，所以我對電鏡的未來很有信心，判斷是一個非常好的時機。清華大學恰好擁有良好的生物電鏡基礎，學校批准了我們購買高端電鏡的請求。坦白說，我預測到了電鏡技術會有進步，卻沒有想到這場革命性進展來的如此迅疾。

迄今，我的實驗室在這個領域裡已經攻關整整十年了。在世界範圍內，在2015年之前，我們知道的結構信息、包括我自己實驗室前期做出來的，都是片斷，都是個別蛋白或個別蛋白複合物在剪接體中的一些結構信息，就像是一個大的立體拼圖，你只看到拼圖遊戲中的一兩個小的圖塊在哪兒，從來沒有把這個拼圖放在一起看過。2015年5月份，我的實驗室第一次把來自酵母的一個內源剪接體的空間三維結構解析到了近原子解析度的3.6埃，這是人類第一次完成這個大拼圖，我們完整地看到了每一個拼圖的小片周圍是哪些其他的圖塊，它們是如何組合在一起成為一個漂亮的機器。這個結果在同年8月份以兩篇背靠背文章的形式發表於《科學》周刊。

從那兒以後，我的實驗室以及世界上其他一些研究剪接體結構的課題組就展開了對剪接體各個工作狀態結構的探索。世界上主要還有另外兩個團隊，一家在德國馬普所、一家在英國劍橋大學的分子生物學實驗室，分別由德國科學家Reinhard Luhrmann和日裔英國科學家Kiyoshi Nagai率領。在我們2015年取得突破之後，這兩家實驗室和我們一起在不同的剪接體的結構探索中陸續取得一系列重要的成果。迄今，我的清華實驗室一共捕獲到了酵母剪接體處於5個工作狀態的高解析度結構，Nagai獲得了與我們類似的2個狀態和一個處於更早階段的狀態。所以在酵母中，六個關鍵狀態已經被捕獲，我個人認為酵母中對於剪接體的分子機理我們已經了解到70-80%。

相比於低等的酵母，我們人類中的剪接體不論從成分組成還是結構，都更大更複雜。人類剪接體高解析度結構解析的第一個突破也是我們實驗室做出的—在今年夏天5月份的《細胞》雜誌上，我們第一次報導了來自人源剪接體近原子解析度的三維結構；應該指出的是，Luhrmann實驗室今年早些時候報導過同樣狀態的人源剪接體的中等解析度結構。8月，Luhrmann實驗室還報導了處於另外一個狀態的中等解析度的人源剪接體結構。

總結起來，在對剪接現象的分子機理探索上，在酵母中我們已經取得了長足進步，徵程過半；在人源中我們雖然剛剛起步，但是因為酵母和人類在剪接過程中有相同的化學機理和保守的蛋白序列，我相信對人類剪接體的結構研究、以及整個前體信使RNA的剪接機理，在一年之內會取得長足進步，在兩到三年之內應該大致搞清楚主體問題。對此我很樂觀。

王皓毅：謝謝您。所以您現在主要攻關的就是人的剪接體的機制，對吧。

施一公：對，我們酵母剪接體還在做，還差一兩個關鍵狀態。雖然越往後技術上越難，但是我相信我們與其他友好合作及競爭的幾個實驗室最終會把酵母剪接體所有關鍵工作步驟的結構基本都捕獲，重構出一部相對完整的RNA剪接影片。酵母剪接體，如果作為一個大的戰役來講即將結束，剩下的是局部戰鬥。但這些戰鬥還需要多年，它不再是兩年三年的攻堅戰，也許可能是五年、十年、甚至二十年的持久戰，因為我們解析了正常的剪接體結構之後，就要利用酵母利於引入突變的特點來研究與疾病有關的剪接體突變體的結構，看看它們如何變的異常，如何導致疾病；還要研究剪接體的調控機理，理解它們的時空調控等等。所以說即使在酵母中也還有多年的工作要做，細水長流，但是就酵母剪接體結構本身的戰略性大進展我認為已經接近尾聲。而已經展開的針對更為複雜的人源剪接體的結構生物學探索則是另外一場攻堅戰。

王皓毅：您現在用的冷凍電鏡技術，得到的應該還是某一個時刻的一張照片。有沒有可能將來出現某個技術可以讓我們看到活體實體分子在分子水平的運動？

施一公：冷凍電鏡技術過去十來年確實經歷了一場革命，為結構生物學、甚至其他的生命醫藥相關學科帶來了巨大變革。冷凍電鏡跟大家想像中的用電子顯微鏡只能觀察到一個蛋白質大分子的輪廓已經完全不一樣了。因為幾年之前冷凍電鏡在技術上取得了突破，一是硬體，也就是探測器或照相機的革命性突破，二是軟體計算方法的進展。以前獲取電鏡圖像，與我們日常用的相機類似，經歷了膠片和CCD兩代探測器，但都有這樣那樣的問題，限制了解析度的提高。最近十年，材料科學、物理學、計算機科學、包括數據存儲技術等多學科現代科學技術的進步催生了能夠直接記錄電子的探測器，輔之以圖像處理技術和算法的進步，於是把冷凍電鏡成像獲得的結構從幾納米的解析度推進到2-4埃，就是0.2-0.4納米，也就是大家經常講的近原子解析度。現在最新的進展是已經達到1.5埃，也許再過幾年，用冷凍電鏡看到原子水平上的精細結構就會成為常態，會在最精準的水平上理解生命過程。

生命過程是動態的，而我們現在看到的照片都是靜態的。但你可以想像，這些樣品在冷凍之前必然是動態的，那麼一幅一幅照片最終應該能夠還原冷凍之前的各種狀態，現在已經有以Joachim Frank教授為代表的電鏡專家做理論和方法的探索，試圖從靜態的照片中還原動態過程。我相信將來隨著冷凍電鏡軟硬體技術的進一步的突破，結合其他的成像手段等，我們將會觀測到細胞內生物大分子的動態變化。

03

關於剪接體

王皓毅：剪接體這個戰役將來完成的時候，對您個人來說最有趣、最重要的結構生物學問題會是什麼呢？

施一公：在三年前，英國的著名學術期刊《自然》為慶祝X-射線晶體學百年發表了一篇評論，在結尾一段提出了結構生物學的兩大「聖杯」：一個就是剪接體，那位寫評論的作者可能悲觀了一些，沒想到一年之後我們就把剪接體的高解析度結構做出來了；另外一個叫核孔複合體，其分子量超過1億道爾頓，有剪接體的幾十倍。當然剪接體的難度在於其高度動態，有多種工作狀態。我們說剪接體的時候不是指一個複合物，而是指一系列的成分和結構都不同的複合物，人為分類到大約十個不同的大分子複合物，每兩個之間都有很大的成分和結構變化，它們統稱為剪接體。而對於我剛才說的核孔複合體來講，它是一個相對而言比較靜態比較固定的超分子複合物，並且具有八次對稱性。這個複合物是目前結構生物學的另外一個重大懸而未決的問題，世界上很多的實驗室已經在對這個問題進行攻關，現在最好的解析度已經到了20埃之內，當然比起剪接體的3-4埃的解析度，它還有很大的距離。除此之外，隨著我們對細胞內精細結構的了解，也許會有一批我們以前可能都未意識到其存在的超分子複合物被發現，與核孔複合物一起成為結構生物學新的攻堅方向，它們的原子精細信息也會陸續被我們結構生物學家們捕獲，從根本上加深我們對生命的理解，從根本上促進精準製藥的過程。

但是於我而言，最有趣的應該還是剪接體。如我前面所說，這是持久戰。我們不僅要獲得它們在體外的結構，我們還想看到它們在細胞內部的動態組合和變化，我們想根據結構信息來設計篩選可能的藥物。而我認為對結構生物學這個領域而言，如何獲得分子在細胞原位的高解析度結構、包括其動態信息將會是一個主要的攻堅方向。

04

獲獎感受和「新人」寄語

施一公獲獎理由

王皓毅：接下來我把兩個問題合在一起，第一是您得到今年未來科學大獎後的感想。第二是對於剛剛踏入生命科學研究領域的新人，您有什麼樣的寄語或者建議？謝謝。

施一公：獲獎後的感受其實挺多的，當然第一感覺是非常的興奮、非常的激動，感謝我的提名人、外圍評審專家、以及評獎委員會對我工作的認可；感謝我的妻子仁濱長期以來對我繁重研究工作的理解和支持、也感謝兩個孩子逐漸開始懂事開始理解爸爸；感謝自然科學基金委評審專家對我的信任和基金委對我研究工作長期的資助。但是感觸最大的是，這體現了我國過去十年基礎研究長期投入以後中國整個科學技術的發展。剪接體的結構生物學探索，是我完完全全回到清華以後白手起家、探索膠著、最終取得突破的。2007年我回清華的時候，清華大學當時的本科基礎教育已經是世界一流，毫無疑問清華大學的本科生培養總體水平世界領先。但實話實說，十年前即便在清華北大這樣中國最好的高校，我們在基礎研究上還是面臨極大的困難、遠遠落後於歐美一流大學，和世界領先水平總體相差甚遠。以至於像清華這樣的學校，如果我們想招聘國外一流的青年才俊回國來擔任教職的話是非常困難的。

2007、2008年的時候我經常感慨，如果清華和美國比較好的研究型的州立大學競爭青年人才，我們的勝算我認為當時是不足10%的，我們處於嚴重劣勢。十年之後的今天，比如說在生命科學領域，清華兵強馬壯，我們現在的整體規模比十年之前擴大了四倍，從科研實力上擴大了不止一個數量級。我常常鼓勵我們的老師、學生說，現在的清華比起美國一般的研究型的州立大學，無論是從科研設施還是競爭實力來講都不僅僅是略勝一籌，競爭優秀青年人才的勝算應該在百分之八九十！幾年前在清華剛剛開始獨立研究生涯的六、七位年輕教授被國外一流大學和一流研究機構爭相招聘，這一點在十年前想都不敢想！現在我們的師生出國交流的機會很多，很多人回來感慨國內科學研究的支持強度之大、科研條件之好。我一路走過來，回頭看確實是今非昔比，與十年前相比已經天翻地覆。

這樣的進步得益於國家對研究型大學基礎研究的長期投入，才使得我們有這樣的科研條件，能夠做出這樣的成績來，能夠脫穎而出，所以在我從事的結構生物學領域，我們還是比較自信地說清華已經走在世界前沿；兩年前，清華的結構生物學中心入選北京市首批高精尖中心，如虎添翼，進一步堅定了我們在自己研究領域引領世界的信心。所以我非常感謝國家、北京市和清華大學常年來對基礎研究的投入和重視。

另外一個非常強烈的感受就是，儘管未來大獎是獎勵個人，但它真正認可的是我們在剪接體結構生物學領域的突破，而這些突破當然不是我一個人做的，我只是這個團隊的領隊和指導而已。腳踏實地全力以赴做出貢獻的是我實驗室的博士生和博士後們，幾茬學生，歷經十年。大家看到的是現在的成果，而看不到我們早期的掙扎、沒有發表的結果，其背後也是非常優秀的博士生和博士後，包括從武漢大學來到清華的博士後、現在已經在華中農業大學做教授的殷平，清華本科後加盟我實驗室攻讀博士學位、現在哈佛醫學院做博士後的周麗君和她的小助手周雨霖，以及中國科技大學本科後做我的博士生、現在西雅圖的華盛頓大學做博士後的盧培龍，等等，儘管他們的名字並沒有出現在2015年的剪接體結構的文章中，但他們前面建立系統、趟了很多路，其實在英雄榜上都應該有他們的名字。隨後我的幾位博士生和博士後，尤其是清華本科畢業後就跟著我的碩士博士博士後閆創業、中山大學本科後加盟我實驗室的萬蕊雪、武漢大學本科後加盟清華的杭婧，再往後是白蕊、張曉峰、佔謝超、王琳、黃高興宇，和來自美國的博士後Lorenzo Finci，現在又有最新一代加盟進來，他們真的是英雄。RNA操作對於技術要求極為嚴格，他們認真設計實驗，一絲不苟地分析每一個結果，奮戰在我們的冷凍電鏡平臺、冷室、樣品間，用生化、分子生物學的手段優化出最好的樣品，用冷凍電鏡收集數據。我真是非常幸運，有這些學生信任我的判斷，願意與我一起去冒險和努力付出。他們真是非常的優秀，沒有他們就不可能取得這些突破。

基礎研究，很多青年學生可能不了解的時候覺得很遙遠，而且覺得很深奧，甚至想像得太過高大上，似乎每一個成果都是驚天地泣鬼神的。其實我很想對我們的本科生、我們的中學生、我們的小學生講，基礎研究確實很深奧，但也非常簡單。這個過程大家可以很快的適應，並不是說你一定要數學考多少分，你的數學物理基礎要多強才能做基礎研究，實際上基礎研究的門檻主要是來自興趣和好奇。我相信，當你對基礎研究真正感興趣的時候，很多人都可以做基礎研究，它是一個門檻並不算高，進來以後可以逐漸通過自己的興趣培養出能力的一門學科。而基礎研究一旦入門以後，你會得到無窮無盡的快樂。我相信不僅是我，我的所有取得過研究突破的博士生和博士後都會告訴你們做基礎研究獲得的喜悅和成就感。尤其是得到突破之後，這種快樂是無與倫比的，我覺得是世界上獨一無二的一種喜悅。我有一個學生曾經因為課題不順利，鬱悶到要轉行，工作都聯繫好了，在南方一個消費不太高的城市，年薪20萬。但是就在最後半年，他取得了突破，這種苦盡甘來的巨大反差讓他改了主意，5年博士畢業後去了美國繼續從事博士後研究，最近告訴我他很慶幸最後的堅持。

我很理解他的這種心態，而且有這種心理變化的人不止他一個，而且我年輕時也經歷過。這個世界最容易讓我著迷的是不可預測的未來、是未知的那些部分。基礎研究的每一項突破都讓我們在宇宙中、在地球上把我們人類的已知邊界向外拓展了一步,都讓人類在未知世界的探索中又往前邁進了一步;而任何一個取得這種基礎研究突破的研究人員，無論是學生、博士後、還是教授，都是創造歷史的一部分，他們的研究與他們的名字連在一起，這種喜悅是無法用語言來形容的。我想我的很多同事都經歷過這種感受，我也想藉此激勵我們的青年學生保持對科學研究的興趣。

王皓毅：謝謝施一公老師。最後再次感謝您接受我們的採訪，也再次祝賀您獲得今年的未來科學大獎生命科學獎，謝謝您。

施一公：謝謝大家。

05

採訪後記

三位科學家嚴謹的態度不僅僅是只體現在科研、學術論文等等，他們還用嚴謹的態度來對待生活的方方面面。即使時間對於他們來說是一件極其寶貴的事情，但是他們也會用心盡力去做好每一件需要他們完成的事，哪怕只是一次專訪。

以大獎禮讚科學家，以態度致敬科學精神！

06

寫在最後

訪者介紹

王皓毅

科學院動物研究所基因工程技術研究組組長。未來論壇青年理事。主要研究方向為基因工程技術和表觀遺傳修飾技術的開發和應用。