文｜《中國科學報》記者 張雙虎
“不過是趕巧了，實際上我們這兩項工作都‘磨’了很多年。”提及在一個月内連發兩篇頂刊論文，中國科學院分子植物科學卓越創新中心研究員張餘一語道出科研背後的艱辛。
過去十幾年，張餘帶領團隊以噬菌體、細菌、酵母和植物細胞核與細胞器為研究對象，探索了轉錄在基因表達、DNA修複等過程中的多項重要功能和機制。近年來，該團隊每年都會收獲一兩篇CNS（《細胞》《自然》《科學》）論文。對此，張餘認為從事基礎研究應專注某個領域做“單項冠軍”，沉下心去“挖一口深井”。
張餘。
一月兩篇頂刊
3月1日，《細胞》線上發表兩篇關于葉綠體基因轉錄機制研究的論文。其中，來自中國科學家的論文被選為當期封面。
在這項研究中，張餘團隊和華中農業大學副教授周菲團隊合作，解析煙草葉綠體RNA（核糖核酸）聚合酶複合物的電鏡結構，揭示了葉綠體基因轉錄機器的亞基組成、亞基組裝方式、特殊功能和功能适應性演化。
“生物細胞中有9類RNA聚合酶備受關注，葉綠體RNA聚合酶的完整結構和功能機制遲遲未能被解析，是‘最後一塊拼圖’。”張餘解釋說，“是以，該研究為進一步探索葉綠體基因轉錄機器的工作模式、了解葉綠體基因表達調控方式，以及改造葉綠體基因表達調控網絡打下了基礎。在合成生物學應用層面，為植物葉綠體生物反應器的效率提升提供了着手點，助力重組疫苗、重組蛋白藥物和天然産物的生産。”
3月28日淩晨，張餘團隊又在《自然》發表論文，解析了酵母細胞mRNA（信使核糖核酸）轉錄終止狀态的複合物結構，揭示了核酸外切酶介導mRNA轉錄終止的分子機制，對進一步了解基因轉錄的工作機制具有重要意義。
“如果将DNA比作‘硬碟’，存儲在DNA上的遺傳資訊可看作‘資料’。遺傳資訊在基因上一條條整齊排布，聚合酶起作用時，像執行CPU的指令一樣，準确識别硬碟不同‘磁區’并将資訊‘讀’（轉錄）出來。上一條資訊‘讀’完了，如果不能正常終止，就會幹擾下遊基因表達，影響基因組穩定等重要過程。”張餘補充說，“是以，從基礎研究層面說，弄清轉錄終止機制非常有價值。”
張餘（左）和曾媛。
少人問津的重要問題
生物學研究中有個“中心法則”，它描述了從DNA到RNA的轉錄過程，以及從RNA到蛋白質的翻譯過程。其中轉錄過程又分為“起始、延伸和終止”三個步驟，過去數十年間，科學家對前兩步的關注較多，相關機理也研究得比較清楚，但轉錄終止機制研究卻少人問津。
“雖然也有學者提出過多個轉錄終止機制模型，但是具體的機制尚存争議。”該論文第一作者、張餘團隊成員曾媛解釋說，“可能轉錄終止機制研究相對複雜，研究起來困難重重，是以投身其中的研究者并不多。”
據介紹，轉錄終止是動态過程，它很快出現、迅速消失，難以捕捉；而且，起轉錄作用的聚合酶是複合物，有多個蛋白一起發揮功能，是以“非常不穩定，研究難度很大”。
盡管困難重重，但轉錄終止研究非常重要。簡單說，遺傳資訊要發生翻譯必須經過轉錄過程。如果人們完全了解轉錄機制，下一步就可以進行基因表達的控制，進而在合成生物學的應用中更好地設計基因線路、更精确地控制基因表達。比如，有些疾病可能和基因轉錄終止異常有關，如果了解轉錄終止機制，就有可能幫助人們對這類疾病進行診斷和治療。
複合物結構（左模式圖，中和右複合物結構圖）。
糾結很久的生化實驗
“這項研究中，我們用結構生物學方法搞清楚了轉錄終止的機制。”曾媛說，從2020年開始，該團隊就明确了研究方向，但實際研究過程“困難還挺多”。
該研究的亮點工作之一是“拿到”一種聚合酶複合物。實際上，研究開始不久，團隊就得到了這種聚合酶複合物，這讓團隊成員非常興奮。
“我們的日常工作比較單調，為數不多的開心時刻就是實驗中驗證了某個問題或得到某種東西。”曾媛補充道，“剛得到這種聚合酶複合物的時候大家都挺高興，但很快就發現這種結構的分辨率不高，想觀察的地方觀察不到。”
剛出現一線曙光，新問題就接踵而至。如何提高這種聚合酶複合物的分辨率成了團隊要解決的頭号難題。嘗試了很久，研究團隊才創造性地通過加入另一個蛋白，來提高複合物的穩定性。
得到穩定的聚合酶複合物後，團隊還要用實驗證明這種複合結構的終止活性。進而驗證該模型的有效性。
在進行複合物結構分析時要用到冷凍電鏡，但該實驗室沒有相關儀器，曾媛數次從上海到北京去收集資料。有一次計劃要到北京做實驗，但正好遇上台風，上海到北京的所有交通工具停運。為躲避台風，研究人員不得不提前兩天趕到北京，但因為中途折騰太久，樣品不過關，曾媛臨時通知實驗室的一個師弟重新送樣品過去，但結果依然不理想。
“這樣的經曆很多，其中有個生化實驗‘折磨’了我們很久，一直做不出來。”曾媛說，“轉錄終止蛋白必須有終止活性，但我們在生化實驗中發現，它的轉錄終止活性一直很低。”
直到2023年6月，曾媛在閱讀最新版文獻時，看到有研究人員通過測試很多序列，發現在基因下遊有個比較保守的序列。
“保守序列是指不同基因有一段相似的序列、有一定共性。這讓我們想到它有可能是提高轉錄終止效率的關鍵。”曾媛解釋說。
受此啟發，團隊将這段序列應用到新實驗發展體系中，最終證明了聚合酶複合物在該體系下的轉錄終止活性。
經曆大半年的實驗驗證，研究團隊終于為這一轉錄終止模型給出了合理的解釋。
表面上看，張餘團隊在20多天時間裡先後發表兩篇頂刊。實際上，關于葉綠體基因轉錄機制的研究他們“死磕”了8年，最近在《自然》發表的酵母細胞mRNA轉錄終止機制研究也“磨”了5年多。
“基礎研究過程相對枯燥，是以研究者一定要沉下心來，專注于某個領域做‘單項冠軍’。”張餘說，“這有點像挖井，不要總跟在别人後面挖，也不能淺嘗辄止，挖很多口‘淺井’。我們要自己找準地方，堅持不懈挖下去，最終才能取得滿意的結果。”
相關論文資訊：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.01.026
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07240-3