对话施一公及其团队：世界级难题是如何破解的

zszhao

8月21日凌晨，一位德国同行的电话，打乱了清华大学生命科学学院院长施一公的工作计划。这位德国同行，刚刚看到了《科学》在线发表的施一公团队撰写的两篇关于剪接体结构及其工作机理的研究长文。


这几天，有关施一公的“新闻”不断。6天前的8月18日，他的研究团队刚刚在《自然》在线发表了一篇研究长文，首次揭示了分辨率高达3.4埃的人体γ-分泌酶的电镜结构，为理解阿尔茨海默症的发病机理提供了重要基础。翌日，他拟任清华大学副校长的任命，进入公示期。


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然而，这一次，施一公说，这两篇论文带给他的兴奋，超出了过去25年科研生涯的总和。

21日中午，记者第一时间赶到清华大学，与施一公和他的3名85后团队成员展开了一场对话。

“不可能完成的任务”

记者：剪接体结构解析被公认是结构生物学领域的终极难题，你们是如何完成这看似“不可能完成的任务”的？

施一公：要说完成，首先得开始做。这么多年，世界级难题——剪接体结构解析一直摆在那里，结构生物学界所有的科学家都知道。但由于研究它实在是难度太大，而科研方法与技术又相对不成熟，所以，很多科学家都没有冒险进入这个领域。

早在10多年前，我就曾想研究剪接体结构，但也是因为胆量不够，搁置了下来。直到6年前，经过反复的研讨和认真的准备，我终于下定决心，进入这个领域研究。

杭婧（施一公团队成员、清华大学医学院博士研究生）：刚刚加入施老师的团队，就被通知要做这样一个“最难”课题，压力很大。我也经常在想，国内外很多强有力的竞争对手，都在这一领域里探索了多年，我们进入的时间不长，没有太多经验，真的能够做好吗？

施一公：我很理解学生们的心情。所以，我就让他们从小处着手，从解析剪接体复合物中的一些重要组成蛋白的结构开始，积累经验、树立信心，逐步接近目标。这些工作渐渐取得了一些成果，例如2014年初，团队首次报道了剪接体复合物中重要组成蛋白Lsm七聚体及其在RNA结合状态下的晶体结构，文章发表于《自然》。但这些成果远远不够。

记者：什么时候开始真正进入剪接体结构的解析？

万蕊雪（施一公团队成员、清华大学医学院博士研究生）：去年年底，我们真正开始做剪接体蛋白纯化的工作，我和杭婧查阅了大量的科研文献，做了无数次实验，最后在施老师的指点下，确定选择裂殖酵母作为实验对象。现在看来，这个实验对象找得很准。

施一公：纯化工作做得非常棒。拥有极为成熟的样品处理方法同样很关键。我们可以让蛋白质服服帖帖、性质稳定，成为适合结构解析的样品。这是我们实验室的绝招。

杭婧：的确如此。具体的实验步骤很难用言语表达清楚。不过，这也正是我们实验室的优势所在，可以在前辈的引领下少走弯路。

施一公：我们团队的闫创业改进了计算方法和单颗粒筛选方法，实现了针对局部区域的精细优化，从而计算出了高分辨率的酵母剪接体的冷冻电镜三维重构密度图。这是一种我们针对这个课题专门发展的计算方法。

记者：每一个重大成果的背后，都不会一帆风顺。

施一公：当然，数据收集和处理是一件相当麻烦的事情。他们三个人要24小时轮流“趴”在电镜平台和计算机前，每半分钟记录一次数据，平均一个人一天要做960次记录。我记得有一次，小闫受不了了，跑来跟我说：施老师，咱能不能再招两个能熬夜的新人。

记者：昨天，我加了杭婧的微信，看了看她的朋友圈，发现有这么两条状态：6月5日凌晨4：07，体重狂掉十斤……6月18日凌晨2：20，算一算，已经连续工作四十二个小时未眠。人生能有几回搏？

闫创业（施一公团队成员、清华大学生命科学学院博士）：六月份，我们和施老师一起写论文，经常要熬到第二天早上五六点。工作结束后，我们仨没什么事，就回去补觉。但施老师早上八点就要给学生上课，下午紧接着还有会议，真的很累。

施一公：六月上旬的一天凌晨，我忙完了所有事后回到实验室，开始加班加点撰写这项科研成果的学术论文。凌晨3点，我突然发现自己尾椎以下动不了了，缓了十多分钟，才有知觉。我赶紧跑到楼道猛走了几圈，见有好转，我才坐下来继续写论文。

杭婧：当时真的把我们吓坏了。

记者：从什么时候开始，看到了希望？

杭婧：在课题小组长周丽君博士毕业出国接受博士后训练之后，课题的重担落在了我和万蕊雪身上。没有了师兄、师姐可以请教，我们只能依靠阅读大量的文献和反复进行试验来不断探索前行。到了课题的攻坚阶段，每天在实验室的工作时间能达到14到16小时。今年3月底，当我们第一次在电镜下看到蛋白大概的样子时，我们简直高兴到“爆”，觉得希望来了。

施一公：之前我还和他们说，咱们做到20埃以下，就把论文发表了，让大家知道你们的研究成果。但在今年4月做数据处理时，我们惊喜连连，从11埃到5埃，再从5埃到3.9埃，最后是3.6埃！跟白日做梦似的。
科学研究不能凭运气，更没有捷径

记者：四天前，你刚刚在《自然》上发表了一篇研究长文。现在，你又在《科学》连发两篇学术论文。为什么又是你的团队先拔头筹？

施一公：可能有人会说，施一公完全是运气好，但我要强调的是，科学研究不能凭运气，更没有捷径。我们所创造的每一点进步，都是整个团队用努力换来的。

仅就剪接体的科研成果而言，我认为，我们有着足够的胆量去挑战这个“终极难题”。可喜的是，这三名学生和我一起挺了过来，我为他们骄傲。杭婧和万蕊雪从2014年初开始，已经有一年半的时间没有发表任何学术论文，一直潜心做研究，我知道，他们的压力非常大。这三个人每个人都有自己的专长，并且在专长的领域里达到了很高的水平。正因为他们都在科研上训练有素，才使我们的团队能率先取得这一成果。

杭婧：施老师是我们团队的总指挥和军师。他在课题选择上很有远见，不跟风，而是把握合适的时机。同时，他又特别严谨细致，逻辑分析能力很强，指导我们努力的方向。

万蕊雪：每次我们做完实验，都会与施老师进行一次全面检验。他会提出很多细节问题，帮助我们发现设计上的漏洞。施老师每周末都会给我们开会，讨论科研进展、分析问题等等，雷打不动。

施一公：在我看来，经过持续不断的科学训练，他们的水平确实有了提高。小闫是清华化学生物基科班的本科生，从2008年加入我的实验室后，就开始学习用X射线解析晶体结构，后来他又开始学习使用冷冻电镜，始终专注在数据处理和建模领域。如今，他已开始自己开发电镜结构解析的方法，也许已经成为全世界该领域最高水平的专家之一。一些国际知名研究团队都在“挖”他。

所有因素拼凑在一起，才会有现在的成果

记者：在科研方法上，你们是否也有了新的进展？

施一公：的确。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、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，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动态结构，很难获得晶体进行结构解析。

因此，可以说，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。当然，这也得益于近些年冷冻电镜在技术上取得的革命性突破。很早以前，我就曾和时任清华大学党委书记的陈希说，希望可以投资建立冷冻电镜平台，很快就得到了学校的支持，清华也因此拥有了全亚洲第一台冷冻电镜平台，也是当今世界最大的平台之一。

我想说的是，只有把所有的因素拼凑在一起，才会有现在的科研成果。

记者：接下来，你的团队要做什么？

施一公：接下来要做的是将工作进一步细化，通过富集等手段，进一步获得剪接体的相关数据，以期能对生命过程和机理有更深入的了解。

万蕊雪：科研道路哪有尽头可言？对待每次实验，我们都要加倍小心，不能觉得已经做过很多、很熟练了，就随便对待。

记者：几天前，清华大学信息门户发布了施一公拟任清华大学副校长的任命公示。今后，你将如何调整教学、科研、行政方面的时间与精力？

施一公：教学仍将是我的重要工作。我每学期要上100节课。今后，课时只会多、不会少。我也不会减少与学生们的沟通交流，同时也会尽力保障科研时间，争取带领我的团队再创佳绩。

剪接体研究历史及现状


1977年，Richard Roberts和Philip Sharp首次发现了基因剪接现象。1983年，Joan Steitz首次分离组成剪接体复合物的亚基组合。同年，Philip Sharp和Walter Keller利用细胞核提取物进行体外剪接的活性实验。

然而，由于形态多变、成分复杂，剪接体的结构解析一直被公认为世界结构生物学领域的重大难题。加上一直没有合适的研究技术，导致从1983年至2014年，各国科学家虽从未间断研究，但仅仅获得剪接体部分重要组分的晶体结构和各种分辨率较低的电镜密度图。

在施一公此项成果发布之前，国际结构生物学界最新的进展是今年6月24日，英国MRC分子生物学实验室Kiyoshi Nagai研究组在《自然》在线发表了一篇学术论文，将剪接体组装过程中所涉及的一个复合物三小核核糖核蛋白结构（tri-snRNP）的分辨率提高到了 5.9个埃，一度引起国际学术界的轰动。而此前，人类对基因剪接体的认识精度只有29埃。Nagai的最新工作较之以前有了质的飞跃，但是还看不清组成蛋 白的氨基酸细节。

而施一公团队得到的结果，不仅将精度由5.9埃提高到了3.6埃，可以清楚看到氨基酸的细节，而且其解析对象是真正的剪接体，而不是Kiyoshi Nagai团队所取得的参与剪接体组装过程的复合物，从而第一次在近原子分辨率上看到了剪接体的细节。

据 了解，当前开展剪接体研究的国际团队不在少数，其中最前沿的除了上述的Kiyoshi Nagai团队，还有德国的Reinhard Lührmann团队、美国马萨诸塞大学医学院的Melissa Moore团队、哈佛大学的Robin Reed团队、范德堡大学的Kathleen Gould团队、爱丁堡大学Jean Beggs团队，以及中国台湾阳明大学的Soo-Chen Cheng团队。