【編者按】

大至藍(lán)鯨，小至病毒，生物的世界，可謂千差萬別。但無論形態(tài)多么豐富，生命的奧秘卻藏在蛋白質(zhì)之中——它們好比構(gòu)筑生命大廈的磚石，決定著生命可能具有的生物功能。要探究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，這就進(jìn)入了微觀的世界，是對納米級別世界的窺探。1納米相當(dāng)于把一根頭發(fā)絲切成5萬份。要看清蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，必須有“火眼金睛”。

中國在蛋白質(zhì)領(lǐng)域曾有杰出建樹。上世紀(jì)70年代初期，中科院物理所、中科院生物物理所、上海生化所、北京大學(xué)化學(xué)系、北京大學(xué)生物系共同組成的“北京胰島素結(jié)構(gòu)研究組”測定了亞洲第一個蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)——豬胰島素三方二鋅晶體結(jié)構(gòu)，這是中國結(jié)構(gòu)生物學(xué)歷史發(fā)展的起點(diǎn)。

歷經(jīng)跌宕起伏，50年過去后，中國的結(jié)構(gòu)生物學(xué)家再次站上國際科研隊(duì)伍的前列，試圖在近原子分辨率下探索生命的奧秘。在最近向世界級高水平之巔發(fā)起的攀登中，清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心（下稱“高精尖中心”）無疑是最耀眼的一支隊(duì)伍。

該中心于2015年在北京市高等學(xué)校高精尖創(chuàng)新中心建設(shè)計(jì)劃下應(yīng)運(yùn)而生，但該中心的力量積累則需要再往前推進(jìn)20年?，F(xiàn)年75歲的中國科學(xué)院院士、中國冷凍電鏡先行者隋森芳即是早期最重要的力量之一，至今依然在該中心從事科學(xué)研究，并培育出不少當(dāng)下的中堅(jiān)力量。

近日，澎湃新聞（www.xinlihui.cn）記者來到清華大學(xué)，專訪了清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院院長、結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心常務(wù)副主任王宏偉教授，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授、結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心副主任李海濤，清華大學(xué)生命科學(xué)研究員、結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心PI李雪明，清華大學(xué)生命科學(xué)研究員張強(qiáng)鋒，去年剛從清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士畢業(yè)、新晉“世界最具潛力女科學(xué)家獎獲得者”白蕊。通過這五位和高精尖中心深度交集的科學(xué)家向讀者展現(xiàn)出：伴隨著該中心的發(fā)展壯大，近幾年來中國結(jié)構(gòu)生物學(xué)如何再次站上世界前列。

人類的基因組全部書寫在23對染色體上，然而這一套幾近相同的密碼藍(lán)圖在人體內(nèi)的演繹卻精彩紛呈，最終呈現(xiàn)出鮮活生命。再比如，為什么同卵雙胞胎卻仍有差異，基因之外還有什么在決定著各類細(xì)胞不同的命運(yùn)？試圖解釋這類問題的科學(xué)家們把他們的研究內(nèi)容定義為表觀遺傳學(xué)。

“上世紀(jì)50年代沃森和克里克發(fā)現(xiàn)了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，隨后大量的資源和人力投入DNA的研究，2003年‘人類基因組’計(jì)劃完成，獲得了一個30億堿基對寫就的劇本。但這個劇本怎么被演繹，這衍生出另一個主流研究?！苯?，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授、結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心副主任李海濤在接受澎湃新聞記者采訪時如此強(qiáng)調(diào)表觀遺傳學(xué)的重要性。

所謂的表觀遺傳學(xué)（epigenetics），其研究范疇為生物體從基因型到表型之間存在著的復(fù)雜解讀機(jī)制，最終目標(biāo)在于揭開DNA藍(lán)圖解釋不了的生命奧秘。

其中早期著名的例子之一就是荷蘭的“饑餓冬天”，第二次世界大戰(zhàn)末，荷蘭在1944年11月至1945年春天經(jīng)歷了持續(xù)的饑荒，那段時期正處于母親子宮里的群體隨后被認(rèn)為其基因組上因饑荒產(chǎn)生了一種甲基化記號，即所謂的表觀修飾標(biāo)記，這導(dǎo)致挨過餓的母親生下的小孩更容易在長大后患肥胖癥。

盡管和數(shù)學(xué)、物理等學(xué)科相比，生物學(xué)在歷史的舞臺上不夠古老，而表觀遺傳學(xué)尤為年輕。“現(xiàn)代表觀遺傳學(xué)真正興起于1996年，逐漸步入主流，到現(xiàn)在才24年，在這之前普遍認(rèn)為遺傳密碼DNA決定生命體的一切?！崩詈救艘矁H在15年前“入行”，隨后扎根于該領(lǐng)域研究至今。影響李海濤進(jìn)入這一領(lǐng)域的關(guān)鍵人物則是現(xiàn)代表觀遺傳學(xué)奠基人之一、美國洛克菲勒大學(xué)分子生物學(xué)家C David Allis教授。正因?yàn)樵诒碛^遺傳學(xué)方面的突出貢獻(xiàn)，Allis于2018年和加州大學(xué)洛杉磯分校的Michael Grunstein一同獲得素有“諾貝爾風(fēng)向標(biāo)”的拉斯克基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)獎。

值得注意的是，這門年輕的學(xué)科當(dāng)下仍充斥著激烈的爭議，批評者認(rèn)為領(lǐng)域內(nèi)的許多研究所隱含的生物學(xué)原理根本不可信。但同時也有重磅級的研究在證明這一學(xué)科的強(qiáng)大應(yīng)用，中國兩年前一項(xiàng)世界級成果-體細(xì)胞克隆猴的成功，其關(guān)鍵技術(shù)之一就是找到體細(xì)胞去甲基化、乙?；暮线m“配方”，實(shí)際上就是打破體細(xì)胞重編程過程中的表觀遺傳修飾障礙，讓已經(jīng)高度分化的體細(xì)胞變成多能性，具備像受精卵一樣的功能。

毫無疑問，李海濤是表觀遺傳學(xué)領(lǐng)域的忠實(shí)耕耘者。其于2003至2010年歷任美國紀(jì)念斯隆-凱特琳癌癥中心博士后助理研究員、博士后副研究員及高級研究科學(xué)家，原本在結(jié)構(gòu)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室工作的李海濤因和Allis實(shí)驗(yàn)室合作跨入表觀遺傳學(xué)領(lǐng)域。2010年，34歲的李海濤回國擔(dān)任清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院副教授，現(xiàn)為清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授?！拔宜闶窃趪膺M(jìn)入的這一領(lǐng)域，回來之后還是堅(jiān)守這個方向，因?yàn)檫@里的新發(fā)現(xiàn)空間巨大”。

回國后的這10年里，李海濤帶領(lǐng)著自己的科研團(tuán)隊(duì)，攜手合作者，先后鑒定出包括YEATS、DPF、ZMYND11、ADCP1、ALKBH1等在內(nèi)的一系列新型組蛋白或DNA修飾調(diào)控元件，闡明其發(fā)揮功能的生化和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，揭示出相關(guān)分子識別與催化事件在遺傳信息解讀及疾病發(fā)生中的作用，在包括Nature，Cell在內(nèi)的學(xué)術(shù)期刊發(fā)表了40余篇通訊作者論文。同時合作開發(fā)了一種基于微陣列芯片的分子互作深度表征技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高通量表觀遺傳互作篩選，并完成了數(shù)個基于結(jié)構(gòu)的靶向小分子藥物前體開發(fā)。

李海濤曾獲2015“藥明康德生命化學(xué)研究獎”、2017“國家杰出青年基金”、2019年“中國腫瘤青年科學(xué)家獎”及“普洛麥格細(xì)胞生物學(xué)創(chuàng)新獎”。他同時擔(dān)任清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心副主任。

細(xì)胞命運(yùn)由誰決定？基因還不夠

1996年是表觀遺傳學(xué)發(fā)展史上里程碑式的一年，國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然》、《科學(xué)》、《細(xì)胞》當(dāng)年刊發(fā)了多項(xiàng)關(guān)于組蛋白乙?；揎椀难芯砍晒?，其中Allis最先鑒定到單細(xì)胞真核生物四膜蟲中的組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶，還確認(rèn)了組蛋白乙?；突蜣D(zhuǎn)錄激活的相關(guān)性。

這一突破性發(fā)現(xiàn)首次證實(shí)細(xì)胞核核小體上的組蛋白不僅僅是用作染色質(zhì)的骨架，組蛋白修飾還能夠調(diào)節(jié)基因活性，這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著表觀遺傳學(xué)的興起。

然而，直到目前為止，仍有不少聲音并不承認(rèn)表觀因子對細(xì)胞命運(yùn)影響的重要性?，F(xiàn)首都醫(yī)科大學(xué)校長饒毅教授和中科院生物物理所朱冰研究員曾經(jīng)展開過一場公開辯論。在饒毅看來，通常情況下轉(zhuǎn)錄因子起著驅(qū)動和主導(dǎo)作用，表觀因子只是必要的輔助；而在朱冰看來，細(xì)胞命運(yùn)決定的本質(zhì)是轉(zhuǎn)錄的變化，但真核生物轉(zhuǎn)錄的模板是染色質(zhì)，表觀遺傳因素在細(xì)胞命運(yùn)決定過程中不可或缺。

李海濤這場辯論之后曾撰寫過一篇評論，他寫道：表觀遺傳調(diào)控的分子本質(zhì)是修飾依賴的識別與催化。從分子識別角度看，轉(zhuǎn)錄因子對特定DNA序列的識別并不比表觀因子對表觀遺傳景觀的識別更優(yōu)越，進(jìn)而更具主導(dǎo)性。鑒于固有的可逆調(diào)節(jié)性和多價(jià)性，表觀遺傳景觀的建立和識別所能提供的調(diào)控層次和潛能或許更高，對于復(fù)雜的多細(xì)胞生物，如我們?nèi)祟惖募?xì)胞命運(yùn)決定，表觀因素或許更具主導(dǎo)性意義。

實(shí)際上，爭議并不是阻礙一門學(xué)科向前發(fā)展的主要因素?！捌鋵?shí)這是自然發(fā)展的一個過程，之前我們連信息存儲都不相信，甚至大家不認(rèn)為有遺傳密碼?！钡拇_，基因決定論同樣遭受過質(zhì)疑。

通俗而言，李海濤對澎湃新聞記者表示，“之前大家普遍認(rèn)為遺傳密碼DNA決定了我們的一切，但后來實(shí)際上發(fā)現(xiàn)表觀遺傳機(jī)制可能更關(guān)鍵。有了遺傳密碼不一定夠，這些遺傳信息怎么被解讀？解讀過程中有哪些規(guī)律？我們?nèi)绾螒?yīng)用相關(guān)的調(diào)控？這些能幫我們更好地理解生命的本質(zhì)，這也是表觀遺傳學(xué)的研究內(nèi)容。廣義的看，表觀修飾作為一種信息承載，是另一類生命密碼?！?/p>

一般而言，表觀遺傳機(jī)制包括組蛋白或核酸修飾、組蛋白變體、染色質(zhì)重塑以及非編碼RNA等。就其中研究最多的組蛋白來說，它是真核生物細(xì)胞核中的堿性蛋白質(zhì)，和DNA共同組成核小體結(jié)構(gòu)。“雖然遺傳信息存儲在DNA里，但它在高等生物里是高度組織的，組蛋白把DNA包裹組裝起來；后來發(fā)現(xiàn)組蛋白上存在很多修飾記號，它們響應(yīng)環(huán)境而留下，記憶著基因的活度狀態(tài)，又像是一把‘鑰匙’，調(diào)控著遺傳信息的解讀?！?/p>

過去二十幾年時間里，隨著科學(xué)界對表觀遺傳機(jī)制的了解，它們和人類的疾病也逐漸關(guān)聯(lián)起來。李海濤提到一個例子，從2012年開始，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)組蛋白突變本身也是很多癌癥的病因，包括腦膠質(zhì)瘤、軟骨母細(xì)胞瘤和骨巨細(xì)胞瘤等。“很多病因以前并不太清楚，后來發(fā)現(xiàn)這些癌癥的發(fā)生與組蛋白本身的突變是息息相關(guān)的，科學(xué)家找到了疾病和表觀調(diào)控異常之間的直接關(guān)系，這都是最近幾年發(fā)展起來的?！?/p>

全景式探索表觀因子的可靶向空間

李海濤團(tuán)隊(duì)最近的一項(xiàng)成果從組蛋白修飾擴(kuò)展到基因組第九堿基DNA 6mA甲基化修飾上。他們首次把哺乳動物ALKBH1（雙加氧酶超家族中ALKB家族成員）鑒定為一類局部非配對DNA的6mA去甲基化酶，并通過復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)解析，揭示了ALKBH1偏好局部非配對核酸底物的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。與美國耶魯大學(xué)Andrew Xiao教授進(jìn)一步合作，他們利用小鼠早期胚胎發(fā)育細(xì)胞模型，發(fā)現(xiàn)6mA與基因組的非配對區(qū)域存在著顯著的共定位；同時揭示基因組6mA修飾可以通過排斥一種DNA結(jié)合蛋白SATB1而調(diào)控染色質(zhì)高級結(jié)構(gòu)以及早期發(fā)育進(jìn)程。這項(xiàng)工作把DNA的6mA修飾，局部開鏈動態(tài)結(jié)構(gòu)，以及染色質(zhì)域尺度的結(jié)構(gòu)調(diào)控關(guān)聯(lián)起來，為哺乳動物基因組6mA修飾的功能提供了全新視角。相關(guān)工作已被Nature和中國人自己主辦的高影響力雜志Cell Research接收發(fā)表。

而過去的幾年里另一項(xiàng)重要成果是他和中科院國家納米科學(xué)中心朱勁松研究組合作，開發(fā)了基于三維卡賓SPRi微陣列技術(shù)的深度表征平臺，通過把修飾多肽、核酸、抗體，甚至小分子等高通量隨機(jī)固定在指甲蓋大小的芯片上，對潛在靶點(diǎn)進(jìn)行互作表征。依托這一平臺，李海濤團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了表觀遺傳互作高通量篩選，并發(fā)現(xiàn)和命名了植物異染色質(zhì)蛋白ADCP1。相關(guān)工作先后發(fā)表在美國科學(xué)院院刊、Cell Reports和Cell Research等學(xué)術(shù)期刊上。朱勁松長期從事三維表面化學(xué)和SPRi微陣列技術(shù)開發(fā)。這項(xiàng)工作也被李海濤視為一次成功的學(xué)科交叉合作。

這次突破讓李海濤預(yù)感到一項(xiàng)更為宏大的研究計(jì)劃或可開始啟動。“這項(xiàng)微陣列技術(shù)能夠幫我實(shí)現(xiàn)快速的搜索，針對眾多表觀遺傳學(xué)靶點(diǎn)進(jìn)行廣譜的藥物篩選，最終希望找出一些規(guī)律?！边@項(xiàng)研究計(jì)劃基于他的一種假設(shè)，即很多目前機(jī)制并不明確的藥物的靶點(diǎn)實(shí)際上是表觀遺傳調(diào)控因子，“我在探索這樣的可能性，而且很有可能是對的?！?/p>

李海濤的計(jì)劃是，在未來的5年至10年時間里，對表觀遺傳因子和它們的可靶向空間進(jìn)行全景式的探索。截至目前，人類已知的表觀遺傳因子超過800個。

這項(xiàng)宏大的老藥和表觀遺傳因子互作空間的表征工作，可能還會帶來另一些意想不到的發(fā)現(xiàn)。此外，“我們在探索小分子藥物和生物大分子之間的匹配度的時候，可能會發(fā)現(xiàn)一些小分子和表觀遺傳靶點(diǎn)之間的結(jié)合并不是最完美，那我們可以對小分子進(jìn)行裁剪，讓它們之間更好地匹配，這就會帶來一種新藥。”這是李海濤計(jì)劃中的另一個愿景。

提及表觀遺傳靶點(diǎn)未來的臨床治療前景，李海濤認(rèn)為其更有可能會提供一條標(biāo)本兼治的途徑，“表觀遺傳機(jī)制關(guān)乎細(xì)胞、組織穩(wěn)態(tài)的維持，表觀靶向的藥物治療可以對穩(wěn)態(tài)失衡提供一種‘槍打出頭鳥式’的維持穩(wěn)態(tài)壓制，更可為結(jié)點(diǎn)擾動和聯(lián)合用藥等干預(yù)策略提供新手段?！蹦壳把芯孔顬闊衢T的顯然是癌癥治療，“癌癥的一個特點(diǎn)是癌細(xì)胞瘋狂增長，失去了分化的潛能，而表觀調(diào)控異常就是一個重要的去分化因素，導(dǎo)致癌癥的發(fā)生?！?/p>

早在2014年，李海濤團(tuán)隊(duì)即曾發(fā)文報(bào)道一類新型組蛋白“閱讀器”Spindlin1是結(jié)腸癌等諸多癌癥發(fā)生中的促癌因子，并于2017年開發(fā)針對Spindlin1靶點(diǎn)的特異性小分子抑制劑。他們還鑒定出新型組蛋白?；伴喿x器” YEATS結(jié)構(gòu)域，發(fā)現(xiàn)它和急性白血病的關(guān)聯(lián)，并于2018年合作開發(fā)出首個YEATS結(jié)構(gòu)域抑制劑。

“冷凍電鏡讓我可以與大象共舞”

李海濤回國之際，恰逢清華大學(xué)大力招攬優(yōu)秀結(jié)構(gòu)生物學(xué)家之時。2008年，41歲的世界級結(jié)構(gòu)生物學(xué)家施一公辭去美國普林斯頓大學(xué)終身教授的職位回國發(fā)展，第二年9月，清華大學(xué)正式成立生命科學(xué)學(xué)院，施一公任首任院長。

2008年，施一公赴紀(jì)念斯隆-凱特琳癌癥中心交流報(bào)告，當(dāng)時李海濤正在該中心進(jìn)行博士后工作，這次契機(jī)促成了李海濤第二年來清華的面試以及2010年的正式入職。“10年過去了，太快了。”

實(shí)際上，當(dāng)時相繼回國加入清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)團(tuán)隊(duì)的這些科學(xué)家，都見證了此后這一群體借助冷凍電鏡向世界級研究攀登的過程。因?yàn)槔鋬鲭婄R技術(shù)的日臻完善，結(jié)構(gòu)生物學(xué)界在2013年之后面臨整體轉(zhuǎn)型，在此之前則主要是以X射線線晶體學(xué)是為主，清華則在2009年布局了第一臺高端冷凍電鏡，在此后的“冷凍電鏡革命”中占了先機(jī)。

“冷凍電鏡太重要了，原來我的本行技術(shù)是晶體學(xué)，那時候各個團(tuán)隊(duì)競爭的是誰先培養(yǎng)出晶體，這是最大的挑戰(zhàn)，2013年之后冷凍電鏡成熟了，大大解放了我們的雙手，使得結(jié)構(gòu)生物學(xué)家的工作難點(diǎn)前移到生化樣品制備，而不需要獲得晶體。”李海濤認(rèn)為，尤其對尺寸較大的功能復(fù)合物來說，冷凍電鏡讓研究“插上了翅膀”。

表觀遺傳學(xué)領(lǐng)域的很多大復(fù)合物結(jié)構(gòu)也迎刃而解?！霸瓉砦已芯繉ο笾荒苁且粋€大復(fù)合物的局部的結(jié)構(gòu)域，相當(dāng)于說一只大象，我只研究了大象的尾巴或者腳指頭，但現(xiàn)在我終于可以與大象一起共舞了?！崩鋬鲭婄R技術(shù)的發(fā)展為李海濤等人帶來了更深入研究表觀遺傳大復(fù)合物的可能。

提及設(shè)立即將滿5周年的高精尖中心，作為高精尖中心副主任的李海濤總結(jié)，原創(chuàng)思想、頂尖成果、學(xué)科交叉是中心的三個關(guān)鍵詞，而這些都和中心平臺的設(shè)立息息相關(guān)。

“我們的資源和平臺是國際級的，甚至超越國際同行，我們在這種條件下從事創(chuàng)新工作?！鼻迦A在2015年就已經(jīng)擁有三臺高端冷凍電鏡，這一布局讓其成為結(jié)構(gòu)生物學(xué)家研究的最佳平臺，除頂尖設(shè)備之外還同時配備了頂尖的技術(shù)研究人員，為近年來屢次摘得突破性成果保駕護(hù)航。

同時，高精尖中心的設(shè)立為人才引進(jìn)提供了資金支持。2015年，北京市教育委員會提出北京高等學(xué)校高精尖創(chuàng)新中心建設(shè)計(jì)劃。當(dāng)年10月，北京成立首批13個高校高精尖創(chuàng)新中心。其中一個亮點(diǎn)之一就是，這批創(chuàng)新中心在經(jīng)費(fèi)使用、評估方式上較以往有較大改變。按照計(jì)劃，北京市市財(cái)政持續(xù)穩(wěn)定地對中心進(jìn)行滾動支持，5年為一周期，每年給予每中心5000萬元至1億元的經(jīng)費(fèi)投入，高校擁有較大自主權(quán)。原則上不低于70%的經(jīng)費(fèi)用于聘任國內(nèi)外高端人才（其中，不低于50％的經(jīng)費(fèi)要用于引進(jìn)國際頂尖創(chuàng)新人才，不低于20％的經(jīng)費(fèi)要用于引進(jìn)京外人才。）

“原來吸引不住人才，甚至有些領(lǐng)域內(nèi)的科學(xué)家要轉(zhuǎn)行，但這個中心設(shè)立初衷就是以人為本，人員待遇提高從一定程度上解決了很多人的后顧之憂。”在李海濤的表述中，高精尖中心給予了科研人員更多的“自豪感”。

中心還有一個重要特色是PI學(xué)科背景的多元化?！昂芏嘁街行牡腜I不是純粹結(jié)構(gòu)生物學(xué)背景的，包括了數(shù)學(xué)方向、計(jì)算機(jī)、人工智能、精密儀器等等?！痹诶詈磥?，學(xué)科交叉合作是出現(xiàn)更多重要成果的“引擎”。