爱华网清华大学施一公研究团队今天在《科学》杂志同时在线发表了两篇具有里程碑意义的论文，这些最新研究成果是人类首次从原子尺度观测到了剪接体的三维结构以及剪接体对前体信使RNA执行剪接的基本工作机理。海外有学者评点称：“世界上有多个顶尖实验室一直在努力攻克这一难题。这一工作是施教授目前为止最杰出的贡献，也是中国科学家近几十年来对科学的最重大的贡献之一。”
在一个竞争如此激烈的热门领域，为什么是施一公获得了突破？实际上，就在此前两天，他还在《自然》杂志上发表论文，报道了分辨率高达3.4埃的人体γ-分泌酶的电镜结构，为理解老年痴呆症发病机理提供重要基础。
“只有一句话，那就是机会只给有准备的人。当技术的发展推动了科学前进的时候，施一公团队长期以来的大量投入使得他获得了创新和突破的机会。”国家蛋白质设施（北京）清华基地的负责人王宏伟这样告诉记者。
冷冻电镜技术的突破使得发现成为可能
施一公自己在接受媒体采访时说：“如果没有冷冻电镜技术，就完全不可能得到剪接体近原子水平的分辨率。”
一直以来，研究蛋白质结构有三种主要方法：X射线晶体衍射、核磁共振，以及单颗粒冷冻电子显微学（冷冻电镜）。过去用得更多的是X射线晶体衍射，但是剪接体非常特殊，它是属于比较大的细胞机器，而且是由多个核酸蛋白亚复合物组成的一个动态结构，很难获得晶体进行结构解析。
此次施一公团队所采用的冷冻电镜技术其实已经存在几十年，并一直处于平稳发展阶段，直到最近几年才在技术上取得了革命性的突破，这包括两个方面：一方面是它的数据采集系统质量有了很大提升，另一方面是其结构解析的图像处理技术有了很大发展，从而大幅提高了冷冻电镜的解析能力——可以将放大几万乃至几十万倍的蛋白质分子，解析至原子分辨率。
据王宏伟介绍，清华大学从上世纪90年代就开始进行冷冻电镜技术的相关方法学与应用研究，在2008年施一公教授从美国全职回国加入清华后，又决定加大力度发展冷冻电镜的研究领域，如今，清华拥有世界上最大的冷冻电镜平台。
施一公教授作为X射线晶体学领域卓越的结构生物学家，是去年才开始转入应用冷冻电镜技术来进行生物大分子结构研究的。
长时间的积累使实验获得突破
“很多人问我，国际上有不少团队在研究剪接体，也有不少团队使用冷冻电镜，但这个发现为什么是他？施一公做实验有没有什么独门绝技？在我看来，只有一句老话，机会总是青睐有准备的人。”王宏伟说：“施老师的团队比该课题的其他研究团队更有效地投入了时间，做了更严谨的实验。”
施一公团队从去年开始学习冷冻电镜技术，“虽然研究的是同一个对象，但冷冻电镜技术和X射线衍射技术解析结构的方法差别很大。生物学样品的制备与数据采集均需要从头学起。但施一公的团队经过短短一年学习，即完全掌握了该技术，并做出非常精彩的科研成果。”王宏伟说。
施一公自己也说，他们能领先竞争对手的主要原因，是拥有极为成熟的样品处理方法。“也就是说如何让蛋白质服服帖帖、性质稳定，成为适合结构解析的样品。而这个处理方法即便写出来，别人不在我的实验室做上一两年，也很难理解或吃透，因为这是师傅带徒弟一点点积累起来的。”
从施一公实验室培养出来的学生，不论是目前在清华大学任职的颜宁教授，还是已经在其它高校任职的优秀科研工作者，对这一团队都有一个最强烈的感受：导师和我们一起以无限的激情长时间地投入到科研中去，一周工作的时间远远超过其它的课题组。
除了先进的仪器、精湛的技术和勤奋的学生，施一公说，“胆量”给了他们最大的惊喜。“本来我们的样品不是最理想的状态，学生有点不敢试，我说不妨上一下试试，最多就是不成功，只要有15埃的分辨率就很好了，结果算出来竟然有3.6埃。我们在今年整个4月份里做计算，那一个月突破连连，都跟做梦似的！”
一直以来，对剪接体的结构解析是分子生物学里最热门的研究之一，其中最有力的竞争者是剑桥大学分子生物学实验室的日裔学者KiyoshiNagai博士，此前该领域近一半的工作都与他有关。而他所在的实验室，也是现代结构生物学和分子生物学的奠基之处，这里曾走出14名诺贝尔奖得主。
据科技媒体“赛先生”介绍，6月24日，Nagai研究组的一篇论文于《自然》网站在线发表，其工作将剪接体所涉及的一个中心复合物tri-snRNP的分辨率提高到了5.9埃，一度引起轰动。而此前人类对基因剪接体的认识精度只有29埃。1埃为10的负10次方米，即把1米分成十亿份，Nagai的最新工作被称为近原子尺度的结构研究。
基因剪接的分子机制示意图
施一公团队令人震惊的是——此次得到的结果不仅将精度由5.9埃提高到了3.6埃，而且其解析对象是具有活性的剪接体，而不是Nagai团队所取得的参与剪接体组装过程的复合物。因而，这是第一次在近原子分辨率上看到了剪接体的细节。
学界认为研究成果达到“诺贝尔奖级别”，将为未来揭示与RNA剪接相关的疾病机理提供基础性指导。施一公看来，此研究成果的意义超过了过去25年科研生涯中所有研究成果的总和。
21日凌晨，清华大学施一公研究团队在顶级国际期刊《科学》同时在线发表了两篇背靠背研究论文——“3.6埃的酵母剪接体结构”和“信使RNA前体剪接的结构基础”。前者是第一次在近原子分辨率水平上看清楚剪接体如何将信使RNA前体加工成信使RNA；后者阐述了剪接体对信使RNA前体进行剪接反应的基本工作原理。这两项成果被学界称为达到了“诺贝尔奖级别”，将为未来揭示与RNA剪接相关的疾病机理提供基础性指导。
DNA的复制、RNA转录和蛋白质翻译过程，是生物体最基本的生命活动，被称为中心法则。相关研究成果已经获得了超过五项诺贝尔奖。剪接体是一个巨大而又复杂的动态分子机器，其结构解析的难度被普遍认为高于RNA聚合酶和核糖体，是世界结构生物学公认的两大难题之一。
自上世纪70年代后期RNA剪接被发现以来，科学家们一直在步履维艰地探索其中的分子奥秘，期待早日揭示这个复杂过程的分子机理。根据中心法则，基因组DNA通过RNA聚合酶转录后，生成pre-mRNA，即信使RNA前体，再通过剪接体的作用产生成熟的mRNA（即信使RNA）。正是mRNA将遗传信息携带到细胞质从而合成蛋白质，并通过各种蛋白质来行使生物学功能。由于基因是不连续的，新转录生成的pre-mRNA同时包含了外显子和内含子顺序。将pre-mRNA中内含子去除，外显子连接生成成熟mRNA的过程被称为pre-mRNA剪接。剪接发生在一个巨大的、动态的分子机器中，也就是剪接体中。剪接体主要由五个核酸蛋白复合物组成。
剪接体复合物的三维结构
自从1977年科学家发现了mRNA剪接，并因此获得了1993年的诺贝尔奖后，科学界一直致力于发现剪接体是如何将pre-mRNA加工生成mRNA的。据中科院上海生化细胞所研究员惠静毅介绍，在分子生物学上，中心法则是描述细胞最基础也最核心的生命活动基因表达的一套规律，其中RNA剪接是使得生物体遗传信息得以传递的关键步骤之一，但科学家一直苦于无法揭示其清晰结构、认识其复杂机理。此前，科学家虽然对于剪接体五个核酸蛋白复合物以及剪接体组装过程的中间体有了一定的观测，但是在原子尺度上解析一个较为完整和具有功能的剪接体复合物的结构，这还是第一次，“可以说是一个具有里程碑式意义的工作，这一工作推进了我们对生命活动中最基础问题的认识。”
在施一公看来，虽然此前他以通讯作者的身份在《自然》、《科学》和《细胞》上发表了50篇左右的文章，但这项研究成果的意义超过了过去25年科研生涯中所有研究成果的总和。
“剪接机制在原子层面上的清晰发现，有助于揭开人体生命的奥秘，而且对未来揭示与剪接机制相关的疾病机理，也将起到基础指导作用。”国家蛋白质设施（北京）清华基地负责人王宏伟教授在接受记者采访时称，剪接现象每时每刻都在人体内发生，一旦剪接发生错误，将会导致蛋白质表达出错，从而引发某些疾病。比如，免疫系统对体外病原的反应，就需要剪接机制发生作用；人类大脑神经细胞的高度分化，剪接机制也起了关键作用。包括婴儿从细胞发育成长的过程中，也是剪接机制在无时无刻地发挥作用，与剪接相关的蛋白质基因发生突变，将影响整个发育过程。
“在他没有阐述清楚‘剪接体对信使RNA前体执行剪接的基本工作原理’前，与剪接相关的疾病不可能被揭示其致病机制，并且针对剪接异常致病的药物也缺少研发的可能。”原中科院上海生化细胞所所长、中科院院士林其谁说：“施一公此次的研究成果，阐释清楚了剪接体对信使RNA前体执行剪接的基本工作原理，这为揭示剪接相关疾病的发病机理提供了可能性。”
【本文转自文汇教育】
