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原子尺度上的追逐|专访李海涛:破译表观修饰密码

【编者按】

大至蓝鲸,小至病毒,生物的世界,可谓千差万别。但无论形态多么丰富,生命的奥秘却藏在蛋白质之中——它们好比构筑生命大厦的砖石,决定着生命可能具有的生物功能。要探究蛋白质结构,这就进入了微观的世界,是对纳米级别世界的窥探。1纳米相当于把一根头发丝切成5万份。要看清蛋白质结构,必须有“火眼金睛”。

中国在蛋白质领域曾有杰出建树。上世纪70年代初期,中科院物理所、中科院生物物理所、上海生化所、北京大学化学系、北京大学生物系共同组成的“北京胰岛素结构研究组”测定了亚洲第一个蛋白质晶体结构——猪胰岛素三方二锌晶体结构,这是中国结构生物学历史发展的起点。

历经跌宕起伏,50年过去后,中国的结构生物学家再次站上国际科研队伍的前列,试图在近原子分辨率下探索生命的奥秘。在最近向世界级高水平之巅发起的攀登中,清华大学结构生物学高精尖创新中心(下称“高精尖中心”)无疑是最耀眼的一支队伍。

该中心于2015年在北京市高等学校高精尖创新中心建设计划下应运而生,但该中心的力量积累则需要再往前推进20年。现年75岁的中国科学院院士、中国冷冻电镜先行者隋森芳即是早期最重要的力量之一,至今依然在该中心从事科学研究,并培育出不少当下的中坚力量。

近日,澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者来到清华大学,专访了清华大学生命科学学院院长、结构生物学高精尖创新中心常务副主任王宏伟教授,清华大学医学院教授、结构生物学高精尖创新中心副主任李海涛,清华大学生命科学研究员、结构生物学高精尖创新中心PI李雪明,清华大学生命科学研究员张强锋,去年刚从清华大学生命科学学院博士毕业、新晋“世界最具潜力女科学家奖获得者”白蕊。通过这五位和高精尖中心深度交集的科学家向读者展现出:伴随着该中心的发展壮大,近几年来中国结构生物学如何再次站上世界前列。

清华大学医学院教授、结构生物学高精尖创新中心副主任李海涛

人类的基因组全部书写在23对染色体上,然而这一套几近相同的密码蓝图在人体内的演绎却精彩纷呈,最终呈现出鲜活生命。再比如,为什么同卵双胞胎却仍有差异,基因之外还有什么在决定着各类细胞不同的命运?试图解释这类问题的科学家们把他们的研究内容定义为表观遗传学。

“上世纪50年代沃森和克里克发现了DNA双螺旋结构,随后大量的资源和人力投入DNA的研究,2003年‘人类基因组’计划完成,获得了一个30亿碱基对写就的剧本。但这个剧本怎么被演绎,这衍生出另一个主流研究。”近日,清华大学医学院教授、结构生物学高精尖创新中心副主任李海涛在接受澎湃新闻记者采访时如此强调表观遗传学的重要性。

所谓的表观遗传学(epigenetics),其研究范畴为生物体从基因型到表型之间存在着的复杂解读机制,最终目标在于揭开DNA蓝图解释不了的生命奥秘。

其中早期著名的例子之一就是荷兰的“饥饿冬天”,第二次世界大战末,荷兰在1944年11月至1945年春天经历了持续的饥荒,那段时期正处于母亲子宫里的群体随后被认为其基因组上因饥荒产生了一种甲基化记号,即所谓的表观修饰标记,这导致挨过饿的母亲生下的小孩更容易在长大后患肥胖症。

尽管和数学、物理等学科相比,生物学在历史的舞台上不够古老,而表观遗传学尤为年轻。“现代表观遗传学真正兴起于1996年,逐渐步入主流,到现在才24年,在这之前普遍认为遗传密码DNA决定生命体的一切。”李海涛本人也仅在15年前“入行”,随后扎根于该领域研究至今。影响李海涛进入这一领域的关键人物则是现代表观遗传学奠基人之一、美国洛克菲勒大学分子生物学家C David Allis教授。正因为在表观遗传学方面的突出贡献,Allis于2018年和加州大学洛杉矶分校的Michael Grunstein一同获得素有“诺贝尔风向标”的拉斯克基础医学奖。

值得注意的是,这门年轻的学科当下仍充斥着激烈的争议,批评者认为领域内的许多研究所隐含的生物学原理根本不可信。但同时也有重磅级的研究在证明这一学科的强大应用,中国两年前一项世界级成果-体细胞克隆猴的成功,其关键技术之一就是找到体细胞去甲基化、乙酰化的合适“配方”,实际上就是打破体细胞重编程过程中的表观遗传修饰障碍,让已经高度分化的体细胞变成多能性,具备像受精卵一样的功能。

毫无疑问,李海涛是表观遗传学领域的忠实耕耘者。其于2003至2010年历任美国纪念斯隆-凯特琳癌症中心博士后助理研究员、博士后副研究员及高级研究科学家,原本在结构生物学实验室工作的李海涛因和Allis实验室合作跨入表观遗传学领域。2010年,34岁的李海涛回国担任清华大学医学院副教授,现为清华大学医学院教授。“我算是在国外进入的这一领域,回来之后还是坚守这个方向,因为这里的新发现空间巨大”。

回国后的这10年里,李海涛带领着自己的科研团队,携手合作者,先后鉴定出包括YEATS、DPF、ZMYND11、ADCP1、ALKBH1等在内的一系列新型组蛋白或DNA修饰调控元件,阐明其发挥功能的生化和结构基础,揭示出相关分子识别与催化事件在遗传信息解读及疾病发生中的作用,在包括Nature,Cell在内的学术期刊发表了40余篇通讯作者论文。同时合作开发了一种基于微阵列芯片的分子互作深度表征技术,实现了高通量表观遗传互作筛选,并完成了数个基于结构的靶向小分子药物前体开发。

李海涛曾获2015“药明康德生命化学研究奖”、2017“国家杰出青年基金”、2019年“中国肿瘤青年科学家奖”及“普洛麦格细胞生物学创新奖”。他同时担任清华大学结构生物学高精尖创新中心副主任。

细胞命运由谁决定?基因还不够

1996年是表观遗传学发展史上里程碑式的一年,国际顶级学术期刊《自然》、《科学》、《细胞》当年刊发了多项关于组蛋白乙酰化修饰的研究成果,其中Allis最先鉴定到单细胞真核生物四膜虫中的组蛋白乙酰转移酶,还确认了组蛋白乙酰化和基因转录激活的相关性。

这一突破性发现首次证实细胞核核小体上的组蛋白不仅仅是用作染色质的骨架,组蛋白修饰还能够调节基因活性,这一发现标志着表观遗传学的兴起。

然而,直到目前为止,仍有不少声音并不承认表观因子对细胞命运影响的重要性。现首都医科大学校长饶毅教授和中科院生物物理所朱冰研究员曾经展开过一场公开辩论。在饶毅看来,通常情况下转录因子起着驱动和主导作用,表观因子只是必要的辅助;而在朱冰看来,细胞命运决定的本质是转录的变化,但真核生物转录的模板是染色质,表观遗传因素在细胞命运决定过程中不可或缺。

李海涛这场辩论之后曾撰写过一篇评论,他写道:表观遗传调控的分子本质是修饰依赖的识别与催化。从分子识别角度看,转录因子对特定DNA序列的识别并不比表观因子对表观遗传景观的识别更优越,进而更具主导性。鉴于固有的可逆调节性和多价性,表观遗传景观的建立和识别所能提供的调控层次和潜能或许更高,对于复杂的多细胞生物,如我们人类的细胞命运决定,表观因素或许更具主导性意义。

实际上,争议并不是阻碍一门学科向前发展的主要因素。“其实这是自然发展的一个过程,之前我们连信息存储都不相信,甚至大家不认为有遗传密码。”的确,基因决定论同样遭受过质疑。

通俗而言,李海涛对澎湃新闻记者表示,“之前大家普遍认为遗传密码DNA决定了我们的一切,但后来实际上发现表观遗传机制可能更关键。有了遗传密码不一定够,这些遗传信息怎么被解读?解读过程中有哪些规律?我们如何应用相关的调控?这些能帮我们更好地理解生命的本质,这也是表观遗传学的研究内容。广义的看,表观修饰作为一种信息承载,是另一类生命密码。”

一般而言,表观遗传机制包括组蛋白或核酸修饰、组蛋白变体、染色质重塑以及非编码RNA等。就其中研究最多的组蛋白来说,它是真核生物细胞核中的碱性蛋白质,和DNA共同组成核小体结构。“虽然遗传信息存储在DNA里,但它在高等生物里是高度组织的,组蛋白把DNA包裹组装起来;后来发现组蛋白上存在很多修饰记号,它们响应环境而留下,记忆着基因的活度状态,又像是一把‘钥匙’,调控着遗传信息的解读。”

过去二十几年时间里,随着科学界对表观遗传机制的了解,它们和人类的疾病也逐渐关联起来。李海涛提到一个例子,从2012年开始,科学家们发现组蛋白突变本身也是很多癌症的病因,包括脑胶质瘤、软骨母细胞瘤和骨巨细胞瘤等。“很多病因以前并不太清楚,后来发现这些癌症的发生与组蛋白本身的突变是息息相关的,科学家找到了疾病和表观调控异常之间的直接关系,这都是最近几年发展起来的。”

全景式探索表观因子的可靶向空间

李海涛团队最近的一项成果从组蛋白修饰扩展到基因组第九碱基DNA 6mA甲基化修饰上。他们首次把哺乳动物ALKBH1(双加氧酶超家族中ALKB家族成员)鉴定为一类局部非配对DNA的6mA去甲基化酶,并通过复合物晶体结构解析,揭示了ALKBH1偏好局部非配对核酸底物的结构基础。与美国耶鲁大学Andrew Xiao教授进一步合作,他们利用小鼠早期胚胎发育细胞模型,发现6mA与基因组的非配对区域存在着显著的共定位;同时揭示基因组6mA修饰可以通过排斥一种DNA结合蛋白SATB1而调控染色质高级结构以及早期发育进程。这项工作把DNA的6mA修饰,局部开链动态结构,以及染色质域尺度的结构调控关联起来,为哺乳动物基因组6mA修饰的功能提供了全新视角。相关工作已被Nature和中国人自己主办的高影响力杂志Cell Research接收发表。

而过去的几年里另一项重要成果是他和中科院国家纳米科学中心朱劲松研究组合作,开发了基于三维卡宾SPRi微阵列技术的深度表征平台,通过把修饰多肽、核酸、抗体,甚至小分子等高通量随机固定在指甲盖大小的芯片上,对潜在靶点进行互作表征。依托这一平台,李海涛团队实现了表观遗传互作高通量筛选,并发现和命名了植物异染色质蛋白ADCP1。相关工作先后发表在美国科学院院刊、Cell Reports和Cell Research等学术期刊上。朱劲松长期从事三维表面化学和SPRi微阵列技术开发。这项工作也被李海涛视为一次成功的学科交叉合作。

这次突破让李海涛预感到一项更为宏大的研究计划或可开始启动。“这项微阵列技术能够帮我实现快速的搜索,针对众多表观遗传学靶点进行广谱的药物筛选,最终希望找出一些规律。”这项研究计划基于他的一种假设,即很多目前机制并不明确的药物的靶点实际上是表观遗传调控因子,“我在探索这样的可能性,而且很有可能是对的。”

李海涛的计划是,在未来的5年至10年时间里,对表观遗传因子和它们的可靶向空间进行全景式的探索。截至目前,人类已知的表观遗传因子超过800个。

这项宏大的老药和表观遗传因子互作空间的表征工作,可能还会带来另一些意想不到的发现。此外,“我们在探索小分子药物和生物大分子之间的匹配度的时候,可能会发现一些小分子和表观遗传靶点之间的结合并不是最完美,那我们可以对小分子进行裁剪,让它们之间更好地匹配,这就会带来一种新药。”这是李海涛计划中的另一个愿景。

提及表观遗传靶点未来的临床治疗前景,李海涛认为其更有可能会提供一条标本兼治的途径,“表观遗传机制关乎细胞、组织稳态的维持,表观靶向的药物治疗可以对稳态失衡提供一种‘枪打出头鸟式’的维持稳态压制,更可为结点扰动和联合用药等干预策略提供新手段。”目前研究最为热门的显然是癌症治疗,“癌症的一个特点是癌细胞疯狂增长,失去了分化的潜能,而表观调控异常就是一个重要的去分化因素,导致癌症的发生。”

早在2014年,李海涛团队即曾发文报道一类新型组蛋白“阅读器”Spindlin1是结肠癌等诸多癌症发生中的促癌因子,并于2017年开发针对Spindlin1靶点的特异性小分子抑制剂。他们还鉴定出新型组蛋白酰基化“阅读器” YEATS结构域,发现它和急性白血病的关联,并于2018年合作开发出首个YEATS结构域抑制剂。

“冷冻电镜让我可以与大象共舞”

李海涛回国之际,恰逢清华大学大力招揽优秀结构生物学家之时。2008年,41岁的世界级结构生物学家施一公辞去美国普林斯顿大学终身教授的职位回国发展,第二年9月,清华大学正式成立生命科学学院,施一公任首任院长。

2008年,施一公赴纪念斯隆-凯特琳癌症中心交流报告,当时李海涛正在该中心进行博士后工作,这次契机促成了李海涛第二年来清华的面试以及2010年的正式入职。“10年过去了,太快了。”

实际上,当时相继回国加入清华大学结构生物学团队的这些科学家,都见证了此后这一群体借助冷冻电镜向世界级研究攀登的过程。因为冷冻电镜技术的日臻完善,结构生物学界在2013年之后面临整体转型,在此之前则主要是以X射线线晶体学是为主,清华则在2009年布局了第一台高端冷冻电镜,在此后的“冷冻电镜革命”中占了先机。

“冷冻电镜太重要了,原来我的本行技术是晶体学,那时候各个团队竞争的是谁先培养出晶体,这是最大的挑战,2013年之后冷冻电镜成熟了,大大解放了我们的双手,使得结构生物学家的工作难点前移到生化样品制备,而不需要获得晶体。”李海涛认为,尤其对尺寸较大的功能复合物来说,冷冻电镜让研究“插上了翅膀”。

表观遗传学领域的很多大复合物结构也迎刃而解。“原来我研究对象只能是一个大复合物的局部的结构域,相当于说一只大象,我只研究了大象的尾巴或者脚指头,但现在我终于可以与大象一起共舞了。”冷冻电镜技术的发展为李海涛等人带来了更深入研究表观遗传大复合物的可能。

提及设立即将满5周年的高精尖中心,作为高精尖中心副主任的李海涛总结,原创思想、顶尖成果、学科交叉是中心的三个关键词,而这些都和中心平台的设立息息相关。

“我们的资源和平台是国际级的,甚至超越国际同行,我们在这种条件下从事创新工作。”清华在2015年就已经拥有三台高端冷冻电镜,这一布局让其成为结构生物学家研究的最佳平台,除顶尖设备之外还同时配备了顶尖的技术研究人员,为近年来屡次摘得突破性成果保驾护航。

同时,高精尖中心的设立为人才引进提供了资金支持。2015年,北京市教育委员会提出北京高等学校高精尖创新中心建设计划。当年10月,北京成立首批13个高校高精尖创新中心。其中一个亮点之一就是,这批创新中心在经费使用、评估方式上较以往有较大改变。按照计划,北京市市财政持续稳定地对中心进行滚动支持,5年为一周期,每年给予每中心5000万元至1亿元的经费投入,高校拥有较大自主权。原则上不低于70%的经费用于聘任国内外高端人才(其中,不低于50%的经费要用于引进国际顶尖创新人才,不低于20%的经费要用于引进京外人才。)

“原来吸引不住人才,甚至有些领域内的科学家要转行,但这个中心设立初衷就是以人为本,人员待遇提高从一定程度上解决了很多人的后顾之忧。”在李海涛的表述中,高精尖中心给予了科研人员更多的“自豪感”。

中心还有一个重要特色是PI学科背景的多元化。“很多引到中心的PI不是纯粹结构生物学背景的,包括了数学方向、计算机、人工智能、精密仪器等等。”在李海涛看来,学科交叉合作是出现更多重要成果的“引擎”。(本文来自澎湃新闻,更多原创资讯请下载“澎湃新闻”APP)

 


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