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2017未來科學大獎「生命科學獎」得主施一公演講實錄

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2017年12月17日23時 今日科學 測序中國

測序中國

10月28日—29日,2017未來科學大獎頒獎典禮暨未來論壇年會在京舉行,清華大學副校長、結構生物學家施一公摘得三項大獎之一的「生命科學獎」,以表彰他在解析真核信使RNA剪接體這一關鍵複合物的結構,揭示活性部分及分子層面機理的重大貢獻。

分子生物學的中心法則是遺傳信息從DNA到RNA再到蛋白質。從酵母到人等所有真核生物的基因含有外顯子和內含子,前者是編碼蛋白質的DNA序列,後者不含蛋白質編碼信息。DNA指導下轉錄出前體信息RNA後,剪接體將內含子切除,這樣得到成熟的信使RNA,後者通過翻譯將遺傳信息傳到其編碼的蛋白質的胺基酸序列中。RNA剪接的異常可以導致多種人類疾病。但是,在施一公博士的研究之前,剪接體的近原子解析度結構沒有得到闡明。

應用近年冷凍電鏡的技術突破、結合前人對剪接體生物化學和結構生物學研究,施一公博士首先解析了真核剪接體近原子解析度的結果,第一個揭示了活性部位,很大地推進了我們對剪接體複合物的理解。繼此,施一公博士解析了剪接過程剪接體三個重要中間過渡複合物的結構,顯示剪接體功能重要的重構和結構基礎。施一公實驗室還報導了人類剪接體的原子解析度結構。結合德國馬普生物物理化學研究所的Reinhard

Lührmann博士和英國分子生物學實驗室的Kiyoshi Nagai博士等科學家的貢獻,施一公實驗室的結構推動我們對剪接過程的機理理解,為治療剪接體相關的人類疾病提供了結構框架。

據悉,未來科學大獎設立於2016年1月17日,是中國大陸第一個由科學家、企業家群體共同發起的民間科學獎項。未來科學大獎在設置上借鑑了諾貝爾獎、圖靈獎、菲爾茲獎等國際知名科學獎項的經驗,設置「生命科學」「物質科學」「計算機與數學獎」三大獎項,單項獎金100萬美元。清華大學教授施一公因其在解析真核信使RNA剪接體這一關鍵複合物的結構,揭示活性部位及分子層面機理的重大貢獻摘得「生命科學獎」。

對未來科學大獎的設立,施一公認為這是時代的必然選擇,「科學大獎的目的是推動科學發展,尤其是推動年輕一代重新崇尚科學精神,中國在過去二三百年期間一直是受惠於世界科技進步帶來的成果,現在的年輕一代應該有危機感,能不能引領中國回到世界科技的制高點,能不能做到這一點跟國家的命運息息相關,這才是科學大獎希望帶給社會、帶給未來的激勵。」

以下為施一公演講全文:

施一公:謝謝王曉東的介紹,很高興有今天這個機會給大家介紹一下我們實驗室最近的工作。今天我給大家帶來的下面三十分鐘左右是給大家介紹一下在過去十年,我們實驗室的主要工作之一,就是真核信使 RNA 方面的內容,我分四個方面介紹,先介紹 X

射線晶體技術的誕生和它的應用。我是一個結構生物學家,我想大家不會不熟悉從宇宙大成的結構到我們身體內每一個細胞的微觀結構,都是結構,我們最終理解世界,必須理解這些機構,我們叫做眼見為實,如果一聲不了解,疾病,器官的結構,最後不可能下藥,不可能決定手術方案,同樣一個道理,我這樣一個結構生物學家不了解細胞被每一個蛋白,每一個分子的空間三維結構,每一個原子在空間的定位,我一定也不會理解細胞內的生命過程是如何發生的。我就是這樣來做結構,做結構生物學。

所謂結構就是通過原子解析度結構的解析來了解生命,然後對生命的問題進行干預,比如說對於疾病的治療,藥物的發現產生深遠影響。目前結構生物學最主要的手段有三個,一個是 X 射線,晶體衍射學,冷凍電子顯微學和核磁共振,今天我給大家介紹前兩個。

由於這三項技術的出現,目前在我們的丹麥結構庫一直到最近為止,有 138840 個結構,這其中 80% 以上都來自於 X 射線晶體衍射學,這些結構的出現從根本上改變的人類對生命的認識,從根本上促進了人類對藥物的發現和對健康的進一步的好轉。第一部分,X 射線晶體學技術的誕生,大家知道 1895 年荷蘭化學家倫琴發現了 X 射線,這個照片的右邊是著名的倫琴夫人婚介手指的照片,倫琴發現了 X

射線的穿透能力,被用到了今天的醫藥檢測,但是沒有發現對規則蛋白質和小分子晶體具有衍射能力。對於我來講,對於像我這樣的結構科學家來講,我們經常做的事情是把蛋白質高度乘化以後進行結晶,大家看到結晶後的蛋白質在偏光下呈現出五顏六色,包括右邊的都是自然成長的蛋白晶體,和規整排列的藝術圖案是一樣的,微觀情況下這些打敗之排列的整齊,使他們對 X

射線具有強大的衍射能力。蛋白的衍射能力,尤其是一開始,小的離子晶體,比如說氯化鈉晶體演示能力,被德國科學家發現的。倫琴發現了 X 射線,1961 年第一個獲得諾貝爾獎,而 1914

年又有人獲得了諾貝爾獎,這個右側是典型的蛋白的衍射圖譜,顯然包含了結構信息,如果找到一種辦法把結構信息凸顯在圖譜中能夠找到,能夠解析出來,那麼人類觀測微觀世界能力會得到極大的提高,這個規律是由一對英國父子科學家布拉格,有他們父子發現的,他們發現的規律是簡稱為布格拉公式,這個布拉格公式非常強大,不僅可以解析晶體衍射,也可以解析很多個電磁波相關的結構成像原理,根據這樣一個非常簡單的 N

波的波長這樣的公式,我們可以推導出非常複雜 X 射線,通過蛋白晶體以後衍射成像的原理,以及從成像之後的圖像解析結構。這是一個示意圖,大家可以看到的六棱度晶體通過 X

射線以後會衍射出不同的光板,然後通過計算機經過分析以後告訴你什麼呢,電子云密度圖,每一個原子周圍的電子云的形狀和大小,根據形狀和大小可以分子建模,把每一個原子搬到電子云裡面去,大家最後看到的是一個色彩繽紛的蛋白質,這個過程讓我們了解到了蛋白的精細結構,了解細胞內的生命活動。因為結構生物學的出現和 X 射線的發展,我們對證明過程有了質的飛躍,整個 20 世紀最偉大的發明之一是 DNA

雙螺旋的發現,通過 DNA 纖維的 X 射線的衍射來發現的,這張圖上的右邊是著名的科學家(肉四福萊科林 音)和左側的(傑克斯毛森 音)一起解析了第一個,或者是說推測出了第一個 DNA 雙螺旋的結構,一出現從根本上解釋了人類的遺傳,是一對通過非共價鍵的鏈,分開以後成為一條遺傳信息完全相同的兩條鏈,一到二,二到四,父母到子女,遺傳信息可以不斷的延續下去。

60 年代,這張圖上左側的(邁可森路子

音)又一起解析了個非常重要的蛋白結構,分別是肌紅蛋白和血紅蛋白,而肌紅蛋白和血紅蛋白的結構震驚了當時世界科學界,大家沒有想到蛋白是不對稱的,每個蛋白都有自己獨特的分子功能,蛋白結構出現開始,我們整個人類所知道的生化過程開始得到一步一步的解釋,現在在座的任意一位翻一本生化書會知道一半的插圖來自於蛋白結構,當然蛋白結構和大分子結構,以及一些偉大的發現,諾貝爾獎在歷史上對結構生物學特別的親睞。右邊那張圖實際上是諾貝爾獎的計劃樹,大家可以看到兩個分支,一個來自英國,一個是來自於美國,分別產生出十幾個,幾十位諾貝爾獎得主,僅僅在結構生物學這樣一個非常小的領域裡。

第二個我簡單介紹一下冷凍電鏡技術的浴火重生,因為它的產生落後於 X 射線學,他並沒有對生命的解析做出重大的貢獻,但是過去十年左右突飛猛進,所以我管它叫做浴火重生。冷凍電鏡,第一台出現在 1933 年,大家看到的這位老先生也是 1986 年的諾貝爾物理學家得主,無論得獎的時間還是冷凍電鏡的出現,還是生命科學的探索都遠遠晚於 X 射線晶體衍射學,它怎麼看物質世界呢?大家可以看到不同的 X

射線投射電鏡直接穿透左邊可以獲得二位投影,可以想到積木投在不同的圖片上有不同的數字,最後把三個不同的投影三維重建積木來,同樣的道理,右側可以想像,各個蛋白分子角度都有投影的話,一個二位的投影重構成三維圖像,這樣一個重構過程,就是冷凍電鏡的結構解析的過程。

這張圖顯示的冷凍電鏡的整個解析過程的一個基本的示意圖。帳面過來的是電子束,穿過樣品以後投影到下面,二維的圖像通過計算機分類,把一個一個打敗顆粒挑選出來,再把顆粒分類,這些顆粒分類,每一種不同的類型有一個投影,把投影放在一起合成三維圖像這樣一個過程。

大家可以想像這樣一個投影過程很複雜,而因為電子的能量很高,在以前傳統的相機,因為電子能量太高,可能會燒壞下面的(英文),不得不把電子能量進行衰減,最後才能夠打到(英文)上面。這樣一個衰減過程,同樣是一個電子,它的電子入射打出來的圖像變成了模糊的過程。所以以前的整個的電子顯微鏡,冷凍電子顯微鏡解析度很低,常常是幾納米或者是幾十安,看不到子的細節,所以我們經常說這個時候看到的圖像我們叫做雪人模型,模模糊糊的,可以看到大的特徵,大是看不清楚細節,2012

年年底,五年前,科學家通過了工程、物理、材料等合作,創造出一個新型的監測器,在右側,電可以直接打到檢測器上,就是職業電子檢測裝置,這樣一個裝置可以讓我們來一個一個的數電子打到哪,可以非常精準的把這樣一個二位投影圖像記錄下來。這樣一個技術的革命性突破,使得我們的解析度得到大幅度的提高。

所以說這樣一個方法,冷凍電鏡的革命也成為 2015 年的(英文),這是被自然方法評選出來的。因為這個方法的突破使得現在我們對於物質結構,比如說蛋白質和生物蛋白質的結構可以突飛猛進,從以前的幾十安,幾納米,突破到現在兩個單位,我豪不懷疑,五年內我們會突破一個,也許十幾二十年之內我們會凸顯零點幾個單位,我相信材料科學和物理科學的科學家在一起合作,一定會創造一個又一個大家想像不到的奇蹟。

同樣,非常有意思,今年諾貝爾化學獎,授予了冷凍電鏡領域做出了巨大貢獻的三位科學家,當然除了這三位之外,還有其他的很多科學家,做出過巨大的貢獻,對整個冷凍電鏡在生命科學領域的應用做出過,應該說是劃時代的貢獻,他們應該真的是叫實至名歸的貢獻,2017 年。

下面我會用幾分鐘時間介紹一下我們從事剪接體的工作,剪接體的結構用最精細的電鏡技術的產生的,大家看到左側第一個圖像是用很古老的電鏡整整 40 年之前,1977 年,一個是來自麻省理工的教授,一個是來自當前(冷全搞 音)的教授分別看到的一幅圖像,說什麼呢,當一個 DNA 病毒的單鏈的 DNA 序列和成熟的 mRNA 進行互補之後,發現了單鏈 DNA 會有一個一個環狀的東西會出去。這樣的環狀

DNA 顯然是不需要的在最後的 mRNA 中,也就是大家所說的內含子,這些內含子需要間接條,這些現象的發現使得他們在 1993

年獲得了諾貝爾獎,這個發現應該說從根本上完成了大家所熟知的中心法則,什麼是中心法則呢?就是我們所有生物共同遵循的信息傳遞法則,什麼信息傳遞呢?大家可以想一下,我們最根本的信息是我們的遺傳信息,從父母可以到子女,傳宗接代,任何一種生物都是如此,你可以想像任何一個高等生物,成體的發育來自於受精卵,只有一套 DNA,那麼這一套

DNA,一定最後會被發育成一個成體,中間的信息會不停的得到傳遞和複製,所以說 DNA 的複製是信息的一部分,就是第一個。第二個是從 DNA 變成執行生命功能的蛋白質,必須經過兩步,其中一步叫轉錄,也就是把 DNA 成 RNA,第二步從 RNA 翻譯成蛋白質才可以執行功能,這裡我能夠講話,能夠運動,能夠跟大家交流,能夠表達思想,都是因為蛋白質在做這些活動。僅此而已。

但是,這樣一個中心法則適用的範圍,雖然適用於所有的生物,但是任何生物中必須得到一步重要的修整,不經過修整的法則只適用於非常低等的生物,僅止於細菌為止,這個修正的法則,來自於任何分子的 DNA,經過轉路之後不能把轉路之後的 RNA 直接翻譯成蛋白質,而且轉錄後的 RNA 在每兩端能夠具備蛋白信息的外顯子之間都有一個內涵子不具備蛋白信息。需要被剪切掉,所以這個時候的 RNA 我們管它叫做

Pre-mRNA,經過剪接才可以翻譯成蛋白的 MRNA,所以我們的法則,從高等生物,什麼是高等生物,釀酒酵母以上的細胞都是高等生物,有細毛核的生物都是高等生物,遵循這樣的法則,遺傳物質從轉路到前提顯示,也是叫做 RNA,Pre-mRNA,經過剪接成為成熟的

RNA,然後經過翻譯變成蛋白質。這個過程說得具體一點就是左邊,大家可以看這是很形象的。我可以告訴大家這三步裡邊第一步和第三步都是比較簡單的,你可以這樣想,為什麼比較簡單呢?第一步從 DNA 到 Pre-mRNA 是一部線性一步完成,每一個 DNA 鹼基對應一個 RNA 鹼基只要能夠很順利的轉路出來就是一對一的關係,而第三步,蛋白質的翻譯就是從成熟的 mRNA

到蛋白質也是線性關係,你只需要把每三個甲基對連續的鹼基變成一個胺基酸連在一起就可以了。中間你可要不出錯,蛋白質自身含有的摺疊信息就可以摺疊成一個正常蛋白,但是中間這一步剪接非常複雜,你可以想像一下為什麼?因為每一個複雜的,比較長的 Pre-mRNA

會有很多的外顯子,每兩個外顯子之間都有一個黑色的內含子,這些內含子都要被準確的識別然後剪接掉,很遺憾,這些內含子的序列非常不相同,尤其是人體中間,我們的內含子經常每兩個之間只有幾個核苷酸的相似度,或者是十個左右的核苷酸的相似度,你要找到,再準確的剪接是一個非常複雜而困難的過程,這個過程是由剪接體來執行,剪接體是一個非常複雜的過程,大家看黑體字是左邊的開始,到 B

一直到上面,一共有七個不同的剪接體,每兩個剪接體之間的組分不一樣,構像不一樣,整個功能也不一樣,為什麼?我們就是為了有這麼多不同的剪接體才能夠保證剪接過程正常進行,能夠把每兩個外顯子之間的內含子準確的進行剪接掉,這些細節我在這裡不具體講了。

大家可以想像因為剪接過程如此之複雜,你需要七個不同的剪接體,準確的識別內含子,把外顯子拼在一起,這個過程很容易出錯。以至於目前為止我們認為人類已知的遺傳疾病里,大約 35%

來自於剪接遺傳,我順便說一句,我們人的基因裡面,人體整個的遺傳物質裡面,大約每個細胞里我們都有這套遺傳物質,大約兩萬個可以翻譯成蛋白的基因。但是實際說我們人體的蛋白,不少於八萬個不同的蛋白,這八萬個蛋白的序列是不一樣的,為什麼可以兩萬個基因,八萬個蛋白呢,因為對於很多基因來講,我們叫做不同的剪接拼接體,我們可以把外顯子去掉,也可以把另外的一些外顯子,不在一起的外顯子拼接在一起,顯示不同的蛋白,這個過程一旦出錯以後會有很嚴重的遺傳病,比如說中間這個脊髓性肌肉萎縮症,從嬰兒出生開始就非常的艱難,嬰兒很難活過兩歲,如果不得到及時的救治的話,是一個非常要命的遺傳病。

這個剪接體的工作,其實從整整二十年之前,我拿到了普林斯頓助理教授開始就很想做,今天就不給大家講這段故事了,真正開始做是十年之前,是回到清華以後,2007 年開始在實驗室布局做剪接體,這個過程中我們非常幸運,通過清華大學,通過國家的醫學設施購置了亞洲第一台能夠工作的 300

千伏的電鏡,這個不是一個意外,完全是我們自己的設計,因為在清華,我和我的同事通過事先的判斷意識到冷凍電鏡的革命即將開始,我們可以說這是一個賭博,我們賭對了,所以當冷凍電鏡產生革命的時候,清華也馬上成為整個世界冷凍電鏡技術開發和應用中心,我們實驗室利用這樣一個空間技術的平台解析了來自於酵母的第一個剪接體的結構,這三位同學,一位是實驗室的博士後,就是第一個解析剪接體團隊的非常優秀的攻關小組。中間的照片是

37 個蛋白和四個 RNA

分子在一起,經過非常複雜的相互作用和組裝之後的大分子機器,這樣一個大分子機器的出現讓我們人類第一次看到了剪接體如何工作。就是這個機器代表了最後一個剪接體的狀態,我們叫做(英文)。具體看到了什麼呢?我告訴大家具體東西之前,希望大家看一下我們所謂的冷凍電鏡密度圖,它有多好,大家看到的,正在旋轉的是總體的示意圖,大家可以看它的情狀是千奇百怪,像一個站著的人,像間接體的空間結構,右邊這張圖顯示的是密度圖,就是你能看到螺旋周圍出現的側鏈,能夠被我們精準的構建進去。

通過冷凍電鏡結構的解析,我們第一次看到了活性中間的三條小 RNA 如何排布,以及四個金屬離子,兩個用於綜合 RNA 帶負電的集團的摺疊,兩個用於催化反應,這個非常保守的反應中心。

隨後,這是一個總結,剛才我講了總結,隨後我們根據總結意識到,其實剪接體就是一個蛋白結導的金屬 RNA

酶,這是第一次向人類證明這一點,最後我們快馬加鞭產生了,又解析了,這是剪接體的過程中形成了非常大的結構,以及我們叫做(英文),第一個剪接體組裝以後的被激活剪接體的結構,以及第一個反應以後的(英文)結構,以及第一步反映之後做了調整,做了第二步反應之前的(英文)結構,然後第二個反應之後的結構,這些結構放在一起讓我們對整個剪接過程有了充分的認識,我們完全復原了剪接的兩步,大家看到我們所謂的電子顯微鏡的密度圖,想告訴大家這些密度圖足以告訴你金屬粒子在哪,應該說原子解析度的結構,可以看到有一些氧原子從磷上出來的狀態。

這個視頻是根據我們結構的解析綜合之後的途徑,通過動畫把 RNA 如何執行剪接解釋得清楚,大家看到第一步反應把無撇 RNA

送進去,然後通過第一步反應把無撇的(英文)截斷,形成一個(英文)。經過結構的變化,把三撇的(英文)送進去,然後兩邊的外含子,外顯子,聯結在一起,然後從裡面再出來,這個過程是由蛋白催化的,我再讓大家看最後一個。這個過程根據剛才我介紹的七個原子結構,可以很精準的把每一步搞得清清楚楚,像這種情況下,像 RPR2,可以看到的是能夠拉 RNA 的一個酶。它拉了 RNA 之後把蛋白拉掉,然後通過序列會把

RNA 再放進去進行第一步第二步反應,這是第一步反應的準備,然後第一步反應需要一些小分子進去,需要小蛋白進去,穩定活性反應中心。這是第一步反應之後形成套縮結構和無撇外顯子,下面進行第二步反應。用另外一個 RNA 霉,RNA 解旋霉,通過 CNA

把蛋白解旋下來,然後再進行一系列的第二步反應準備。這個時候第二步反應已經準備好了。大家看進去的話,第二步反應馬上進行。兩個外顯子,無撇和三撇,紅色的,馬上進行拼接,紫色的內含子套鎖會被解放出來。最後一個 RNA

解旋霉會把這個(英文)拉出來,最後整個最後我介紹一下人員的剪接體,前面我們了解了木剪接體的整個過程,人類剪接體是另外一個目標,我們實驗室的同學已經開始下一步的攻關過程,三個月之前進行的人猿的第一個剪接體的結構,目前我們對整個剪接體的研究進入了新階段,我相信一年之內可以對整個人猿剪接體完全搞清楚,下一步面臨的是在人猿剪接體搞清楚以後的機制,再進一步的研究,尤其是相關的疾病的致病機理研究做清楚,我特別想說的是剪接體的研究和藥物的研發和疾病的改善有很大的關係,去年

12 月,美國的食品藥品檢驗據批准的第一個針對剪接從現象到機理到藥物研發的藥,這是專門針對剛才我所說的非常嚴重的剪接體疾病叫做 SMA,這個藥非常昂貴,第一年要 75 萬美元一個病人,從那以後每年有 37

萬五千美元才能夠把這個病控制住,非常可喜的是這個藥一旦用到病人身上非常有效,病人可以到現在為止,從臨床試驗一期用藥病人,還是活得比較健康的。我在想,有一天我們對人猿剪接體的解析一定會通過這樣一個過程理解機理以後用於人類的製藥,改善人類的健康,非常感謝大家的耐心,我今天有一點超時,這是我整個的團隊,戰鬥在剪接體工作的第一線,感謝大家。

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