【編者按】

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

中國在蛋白質領域曾有杰出建樹。上世紀70年代初期，中科院物理所、中科院生物物理所、上海生化所、北京大學化學系、北京大學生物系共同組成的“北京胰島素結構研究組”測定了亞洲第一個蛋白質晶體結構——豬胰島素三方二鋅晶體結構，這是中國結構生物學歷史發展的起點。

歷經跌宕起伏，50年過去后，中國的結構生物學家再次站上國際科研隊伍的前列，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起的攀登中，清華大學結構生物學高精尖創新中心（下稱“高精尖中心”）無疑是最耀眼的一支隊伍。

該中心于2015年在北京市高等學校高精尖創新中心建設計劃下應運而生，但該中心的力量積累則需要再往前推進20年。現年75歲的中國科學院院士、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研究，并培育出不少當下的中堅力量。

近日，澎湃新聞（www.kxwhcb.com）記者來到清華大學，專訪了清華大學生命科學學院院長、結構生物學高精尖創新中心常務副主任王宏偉教授，清華大學醫學院教授、結構生物學高精尖創新中心副主任李海濤，清華大學生命科學研究員、結構生物學高精尖創新中心PI李雪明，清華大學生命科學研究員張強鋒，去年剛從清華大學生命科學學院博士畢業、新晉“世界最具潛力女科學家獎獲得者”白蕊。通過這五位和高精尖中心深度交集的科學家向讀者展現出：伴隨著該中心的發展壯大，近幾年來中國結構生物學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圖在人體內的演繹卻精彩紛呈，最終呈現出鮮活生命。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胞不同的命運？試圖解釋這類問題的科學家們把他們的研究內容定義為表觀遺傳學。

“上世紀50年代沃森和克里克發現了DNA雙螺旋結構，隨后大量的資源和人力投入DNA的研究，2003年‘人類基因組’計劃完成，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。”近日，清華大學醫學院教授、結構生物學高精尖創新中心副主任李海濤在接受澎湃新聞記者采訪時如此強調表觀遺傳學的重要性。

所謂的表觀遺傳學（epigenetics），其研究范疇為生物體從基因型到表型之間存在著的復雜解讀機制，最終目標在于揭開DNA藍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”，第二次世界大戰末，荷蘭在1944年11月至1945年春天經歷了持續的饑荒，那段時期正處于母親子宮里的群體隨后被認為其基因組上因饑荒產生了一種甲基化記號，即所謂的表觀修飾標記，這導致挨過餓的母親生下的小孩更容易在長大后患肥胖癥。

盡管和數學、物理等學科相比，生物學在歷史的舞臺上不夠古老，而表觀遺傳學尤為年輕。“現代表觀遺傳學真正興起于1996年，逐漸步入主流，到現在才24年，在這之前普遍認為遺傳密碼DNA決定生命體的一切。”李海濤本人也僅在15年前“入行”，隨后扎根于該領域研究至今。影響李海濤進入這一領域的關鍵人物則是現代表觀遺傳學奠基人之一、美國洛克菲勒大學分子生物學家C David Allis教授。正因為在表觀遺傳學方面的突出貢獻，Allis于2018年和加州大學洛杉磯分校的Michael Grunstein一同獲得素有“諾貝爾風向標”的拉斯克基礎醫學獎。

值得注意的是，這門年輕的學科當下仍充斥著激烈的爭議，批評者認為領域內的許多研究所隱含的生物學原理根本不可信。但同時也有重磅級的研究在證明這一學科的強大應用，中國兩年前一項世界級成果-體細胞克隆猴的成功，其關鍵技術之一就是找到體細胞去甲基化、乙酰化的合適“配方”，實際上就是打破體細胞重編程過程中的表觀遺傳修飾障礙，讓已經高度分化的體細胞變成多能性，具備像受精卵一樣的功能。

毫無疑問，李海濤是表觀遺傳學領域的忠實耕耘者。其于2003至2010年歷任美國紀念斯隆-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家，原本在結構生物學實驗室工作的李海濤因和Allis實驗室合作跨入表觀遺傳學領域。2010年，34歲的李海濤回國擔任清華大學醫學院副教授，現為清華大學醫學院教授。“我算是在國外進入的這一領域，回來之后還是堅守這個方向，因為這里的新發現空間巨大”。

回國后的這10年里，李海濤帶領著自己的科研團隊，攜手合作者，先后鑒定出包括YEATS、DPF、ZMYND11、ADCP1、ALKBH1等在內的一系列新型組蛋白或DNA修飾調控元件，闡明其發揮功能的生化和結構基礎，揭示出相關分子識別與催化事件在遺傳信息解讀及疾病發生中的作用，在包括Nature，Cell在內的學術期刊發表了40余篇通訊作者論文。同時合作開發了一種基于微陣列芯片的分子互作深度表征技術，實現了高通量表觀遺傳互作篩選，并完成了數個基于結構的靶向小分子藥物前體開發。

李海濤曾獲2015“藥明康德生命化學研究獎”、2017“國家杰出青年基金”、2019年“中國腫瘤青年科學家獎”及“普洛麥格細胞生物學創新獎”。他同時擔任清華大學結構生物學高精尖創新中心副主任。

細胞命運由誰決定？基因還不夠

1996年是表觀遺傳學發展史上里程碑式的一年，國際頂級學術期刊《自然》、《科學》、《細胞》當年刊發了多項關于組蛋白乙酰化修飾的研究成果，其中Allis最先鑒定到單細胞真核生物四膜蟲中的組蛋白乙酰轉移酶，還確認了組蛋白乙酰化和基因轉錄激活的相關性。

這一突破性發現首次證實細胞核核小體上的組蛋白不僅僅是用作染色質的骨架，組蛋白修飾還能夠調節基因活性，這一發現標志著表觀遺傳學的興起。

然而，直到目前為止，仍有不少聲音并不承認表觀因子對細胞命運影響的重要性。現首都醫科大學校長饒毅教授和中科院生物物理所朱冰研究員曾經展開過一場公開辯論。在饒毅看來，通常情況下轉錄因子起著驅動和主導作用，表觀因子只是必要的輔助；而在朱冰看來，細胞命運決定的本質是轉錄的變化，但真核生物轉錄的模板是染色質，表觀遺傳因素在細胞命運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：表觀遺傳調控的分子本質是修飾依賴的識別與催化。從分子識別角度看，轉錄因子對特定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越，進而更具主導性。鑒于固有的可逆調節性和多價性，表觀遺傳景觀的建立和識別所能提供的調控層次和潛能或許更高，對于復雜的多細胞生物，如我們人類的細胞命運決定，表觀因素或許更具主導性意義。

實際上，爭議并不是阻礙一門學科向前發展的主要因素。“其實這是自然發展的一個過程，之前我們連信息存儲都不相信，甚至大家不認為有遺傳密碼。”的確，基因決定論同樣遭受過質疑。

通俗而言，李海濤對澎湃新聞記者表示，“之前大家普遍認為遺傳密碼DNA決定了我們的一切，但后來實際上發現表觀遺傳機制可能更關鍵。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律？我們如何應用相關的調控？這些能幫我們更好地理解生命的本質，這也是表觀遺傳學的研究內容。廣義的看，表觀修飾作為一種信息承載，是另一類生命密碼。”

一般而言，表觀遺傳機制包括組蛋白或核酸修飾、組蛋白變體、染色質重塑以及非編碼RNA等。就其中研究最多的組蛋白來說，它是真核生物細胞核中的堿性蛋白質，和DNA共同組成核小體結構。“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；后來發現組蛋白上存在很多修飾記號，它們響應環境而留下，記憶著基因的活度狀態，又像是一把‘鑰匙’，調控著遺傳信息的解讀。”

過去二十幾年時間里，隨著科學界對表觀遺傳機制的了解，它們和人類的疾病也逐漸關聯起來。李海濤提到一個例子，從2012年開始，科學家們發現組蛋白突變本身也是很多癌癥的病因，包括腦膠質瘤、軟骨母細胞瘤和骨巨細胞瘤等。“很多病因以前并不太清楚，后來發現這些癌癥的發生與組蛋白本身的突變是息息相關的，科學家找到了疾病和表觀調控異常之間的直接關系，這都是最近幾年發展起來的。”

全景式探索表觀因子的可靶向空間

李海濤團隊最近的一項成果從組蛋白修飾擴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，并通過復合物晶體結構解析，揭示了ALKBH1偏好局部非配對核酸底物的結構基礎。與美國耶魯大學Andrew Xiao教授進一步合作，他們利用小鼠早期胚胎發育細胞模型，發現6mA與基因組的非配對區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結合蛋白SATB1而調控染色質高級結構以及早期發育進程。這項工作把DNA的6mA修飾，局部開鏈動態結構，以及染色質域尺度的結構調控關聯起來，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接收發表。

而過去的幾年里另一項重要成果是他和中科院國家納米科學中心朱勁松研究組合作，開發了基于三維卡賓SPRi微陣列技術的深度表征平臺，通過把修飾多肽、核酸、抗體，甚至小分子等高通量隨機固定在指甲蓋大小的芯片上，對潛在靶點進行互作表征。依托這一平臺，李海濤團隊實現了表觀遺傳互作高通量篩選，并發現和命名了植物異染色質蛋白ADCP1。相關工作先后發表在美國科學院院刊、Cell Reports和Cell Research等學術期刊上。朱勁松長期從事三維表面化學和SPRi微陣列技術開發。這項工作也被李海濤視為一次成功的學科交叉合作。

這次突破讓李海濤預感到一項更為宏大的研究計劃或可開始啟動。“這項微陣列技術能夠幫我實現快速的搜索，針對眾多表觀遺傳學靶點進行廣譜的藥物篩選，最終希望找出一些規律。”這項研究計劃基于他的一種假設，即很多目前機制并不明確的藥物的靶點實際上是表觀遺傳調控因子，“我在探索這樣的可能性，而且很有可能是對的。”

李海濤的計劃是，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現。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，可能會發現一些小分子和表觀遺傳靶點之間的結合并不是最完美，那我們可以對小分子進行裁剪，讓它們之間更好地匹配，這就會帶來一種新藥。”這是李海濤計劃中的另一個愿景。

提及表觀遺傳靶點未來的臨床治療前景，李海濤認為其更有可能會提供一條標本兼治的途徑，“表觀遺傳機制關乎細胞、組織穩態的維持，表觀靶向的藥物治療可以對穩態失衡提供一種‘槍打出頭鳥式’的維持穩態壓制，更可為結點擾動和聯合用藥等干預策略提供新手段。”目前研究最為熱門的顯然是癌癥治療，“癌癥的一個特點是癌細胞瘋狂增長，失去了分化的潛能，而表觀調控異常就是一個重要的去分化因素，導致癌癥的發生。”

早在2014年，李海濤團隊即曾發文報道一類新型組蛋白“閱讀器”Spindlin1是結腸癌等諸多癌癥發生中的促癌因子，并于2017年開發針對Spindlin1靶點的特異性小分子抑制劑。他們還鑒定出新型組蛋白酰基化“閱讀器” YEATS結構域，發現它和急性白血病的關聯，并于2018年合作開發出首個YEATS結構域抑制劑。

“冷凍電鏡讓我可以與大象共舞”

李海濤回國之際，恰逢清華大學大力招攬優秀結構生物學家之時。2008年，41歲的世界級結構生物學家施一公辭去美國普林斯頓大學終身教授的職位回國發展，第二年9月，清華大學正式成立生命科學學院，施一公任首任院長。

2008年，施一公赴紀念斯隆-凱特琳癌癥中心交流報告，當時李海濤正在該中心進行博士后工作，這次契機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。”

實際上，當時相繼回國加入清華大學結構生物學團隊的這些科學家，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。因為冷凍電鏡技術的日臻完善，結構生物學界在2013年之后面臨整體轉型，在此之前則主要是以X射線線晶體學是為主，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。

“冷凍電鏡太重要了，原來我的本行技術是晶體學，那時候各個團隊競爭的是誰先培養出晶體，這是最大的挑戰，2013年之后冷凍電鏡成熟了，大大解放了我們的雙手，使得結構生物學家的工作難點前移到生化樣品制備，而不需要獲得晶體。”李海濤認為，尤其對尺寸較大的功能復合物來說，冷凍電鏡讓研究“插上了翅膀”。

表觀遺傳學領域的很多大復合物結構也迎刃而解。“原來我研究對象只能是一個大復合物的局部的結構域，相當于說一只大象，我只研究了大象的尾巴或者腳指頭，但現在我終于可以與大象一起共舞了。”冷凍電鏡技術的發展為李海濤等人帶來了更深入研究表觀遺傳大復合物的可能。

提及設立即將滿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，原創思想、頂尖成果、學科交叉是中心的三個關鍵詞，而這些都和中心平臺的設立息息相關。

“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新工作。”清華在2015年就已經擁有三臺高端冷凍電鏡，這一布局讓其成為結構生物學家研究的最佳平臺，除頂尖設備之外還同時配備了頂尖的技術研究人員，為近年來屢次摘得突破性成果保駕護航。

同時，高精尖中心的設立為人才引進提供了資金支持。2015年，北京市教育委員會提出北京高等學校高精尖創新中心建設計劃。當年10月，北京成立首批13個高校高精尖創新中心。其中一個亮點之一就是，這批創新中心在經費使用、評估方式上較以往有較大改變。按照計劃，北京市市財政持續穩定地對中心進行滾動支持，5年為一周期，每年給予每中心5000萬元至1億元的經費投入，高校擁有較大自主權。原則上不低于70%的經費用于聘任國內外高端人才（其中，不低于50％的經費要用于引進國際頂尖創新人才，不低于20％的經費要用于引進京外人才。）

“原來吸引不住人才，甚至有些領域內的科學家要轉行，但這個中心設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學科背景的多元化。“很多引到中心的PI不是純粹結構生物學背景的，包括了數學方向、計算機、人工智能、精密儀器等等。”在李海濤看來，學科交叉合作是出現更多重要成果的“引擎”。