厚积薄发我国科学家揭开表观遗传“神秘面纱”

长期以来，人们普遍认为，脱氧核糖核酸（DNA）决定了生物体的全部表型。但问题来了，在相同环境中成长的同卵双胞胎，身高、肤色、性格、健康状况等并非完全相同，这是为什么？

为了揭开表观遗传的“神秘面纱”，科学家将视线从DNA转向了另一种遗传物质——和DNA共同构成细胞染色体的蛋白质。

近日，香港大学生物科学学院教授翟元梁研究团队联合北京大学生命科学学院教授高宁、李晴研究团队，借助冷冻电镜和基因组学多种手段，抓拍到亲代组蛋白在复制叉上转移的关键步骤，为进一步完全揭示组蛋白编码表观遗传信息传递与DNA复制的耦合机制奠定了基础。3月7日，相关研究成果发表于《自然》。

论文匿名评审人认为，“这是一项先进的结构研究，极大推动了我们对组蛋白回收机制的理解”。

给“快递员”拍个工作照

每个人的身体里有几百种不同的细胞，每种细胞里的DNA都是相同的，但为什么这些细胞表现出不同的细胞类型？

这是一个令整个学界困惑的难题。生物体的遗传信息分为两种，一种是DNA携带的遗传信息，另一种是表观遗传。含有相同DNA的细胞表现出不同的细胞类型，就与表观遗传的调控有关。

DNA是生物体的主要遗传物质，真核生物的DNA以染色体形式存在。DNA缠绕在一种名为组蛋白的蛋白上，和组蛋白共同形成核小体。核小体内一共有8个组蛋白，也可以称之为组蛋白八聚体。核小体上的组蛋白修饰正是重要的表观遗传标记。

由于DNA呈双链结构，DNA复制时需要“解开”双螺旋，同时复制叉前面的核小体也会被“拆开”。之后，DNA原本的两条旧链分别复制形成两条子链，此时被“拆开”的核小体也顺势“复制”到新合成的子链上。

但在这一过程中，如何保证核小体能将表观遗传信息“完美降落”到新合成的子链上？又是什么帮助核小体完成转移？

“我们用冷冻电镜抓拍到这个过程的一个瞬间，这也是本项研究的关键突破。”他说。

他们发现，当复制体作用于携带表观遗传信息的亲代组蛋白时，会将原本的八聚体拆分为六聚体和二聚体。同时，能够维持组蛋白稳定性的伴侣蛋白FACT，会将拆解出来的六聚体“抓住”，并在解旋酶Mcm2亚基的协助下将组蛋白嵌套在一个转移平台Tof1蛋白上，从而将亲代组蛋白定位到复制体的前端，以便进一步转移至DNA子链上。

“亲代组蛋白回收的复制偶联机制一直是学界‘公认但知之甚少’的，我们的研究首次揭示了其中的一个关键步骤。”翟元梁说。

复制体回收亲代组蛋白的模型示意图

八年磨一剑

“这篇论文从投稿到接收只用了4个月，但项目前后做了快8年。”翟元梁感慨地说。

在翟元梁看来，这项研究的成功离不开自己的合作伙伴——高宁团队的支持。

这是一项工作量极其庞大的研究。“目前学界基本上采用体外重组的方法，但我们选择了体内和体外相结合的研究方式。”翟元梁表示。

如果将蛋白质复合物比作工厂里的机器，里面的组件非常复杂，那么体外重组就类似于把每个零部件买回来自己组装。然而，有时研究者并不能完全掌握分子机器每一个零部件的细节，不仅组装难度大，而且组装完成后无法进行验证。

因此，翟元梁决定，直接把体内组装好的“机器”拿出来，这样就避开了对分子机器零部件认识不足的问题。但新的问题是，体内存在大量不同的蛋白质，要想在数以亿计的蛋白质中把特定的数量极少的“快递员”复制体复合物从染色质上提取出来，需要把整个蛋白纯化的过程梳理清楚。

“这也是非常困难的。”翟元梁说。

为了破解这一难题，翟元梁和擅长冷冻电镜结构研究的高宁进行了合作。高宁在美国读博时就从事冷冻电镜结构研究，而他的团队在复杂大分子机器的结构解析上有着丰富的经验。

“通俗来说，冷冻电镜技术就是给大分子机器拍平面照片。有了各个角度的平面照片后，就可以计算出大分子的立体结构。因为蛋白质十分脆弱，只能用很弱的光给它拍照，单张照片清晰度很低，所以冷冻电镜方法是拍大量的照片、叠加起来，相当于用强光器曝光，这样就能观察到蛋白质分子的高分辨率结构。”论文第一作者、北京大学生命科学学院研究员李宁宁介绍，“随着冷冻电镜技术的发展，分辨率逐渐提高，数据处理的算法也得到更新，能够更清楚地观察到本次研究中的‘关键快照’。”

即便如此，这依然不是一项容易的研究。

“需要耗费大量精力。”李宁宁举了个例子，“这项研究每次样品的制作都需要用100升指数生长期的酵母细胞。以1升容量的摇瓶为例，100升酵母细胞就是100瓶，这需要分成很多次去培养，攒到一定程度才能开始处理细胞、在冷冻电镜中测试一次。同时，还需要很多配套工作，比如怎样用温和的方法实现酵母破壁等。整体来看，实验规模和难度都非常大。整个研究期间，前后至少培养了上千升细胞。”

2015年，他和高宁团队合作发表了第一篇刊发于《自然》的论文，研究了酵母复制前期复合物的结构。之后，他们开始专注研究复制体复合物的冷冻电镜结构，经过8年摸索，终于破解理论与技术难题，成功抓拍到“快递员”复制体的“工作照”。同时，在李晴的协助下，他们成功揭示复制体“快递”亲代组蛋白的具体目的地。

“坐得住‘冷板凳’”

“研究中，我觉得最重要的是信心——相信自己一定能做出来。”在回顾整个研究过程时，翟元梁说。

早在香港科技大学攻读博士学位时，翟元梁便从事染色质复制研究。他根据文献和实验独自摸索出内源蛋白纯化的方法，对海量的蛋白进行提取纯化，并优化冷冻制样的方法。

无论是一开始的独立摸索、积累经验，还是后来组建研究团队、带领学生科研攻关，“坚持”是翟元梁最大的感受。

“在我读博士和从事博士后阶段研究的过程中，我的导师们非常支持我的选择，基本上是我选定感兴趣的方向后，自己探索钻研，在持续积累的基础上，慢慢做出一些成果。”翟元梁感慨道，“在科研中，一帆风顺并不现实。沉得住气、坐得住‘冷板凳’、踏踏实实做事，才是科研工作者最重要的品质。”

“厚积薄发”是李宁宁对翟元梁的评价。“他是非常低调、温和、有原则的人，对科研有极致的热爱，并且充分尊重学生的意愿，能带领整个团队沉下心来做研究。”

而对于翟元梁来说，一切只是开始：“表观遗传的整个过程有很多步骤，也有不同蛋白因子参与其中。我们的研究只是打开了一个很小的窗口，还需要进一步深入探索。”