漫漫長(zhǎng)路需求索 步步階梯到《科學(xué)》
——記在《科學(xué)》發(fā)表高水平論文的清華大學(xué)生命科學(xué)院2010級(jí)博士生鄧東
研通社記者 徐玲 時(shí)雪
圖為鄧東在做實(shí)驗(yàn)。
醫(yī)學(xué)科學(xué)樓三層的墻壁上，粘貼著一篇篇清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)中心發(fā)表的高水平學(xué)術(shù)論文，其中有一篇是最近發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》的文章，它的第一作者就是來(lái)自清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、PTN博士生項(xiàng)目的2010級(jí)博士生鄧東。師從清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院顏寧教授，鄧東與閆創(chuàng)業(yè)、潘孝敬兩位同學(xué)用了不過(guò)半年的時(shí)間，在世界上首先解析出了TALE（Transcription Activator Like Effectors）蛋白——轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng)蛋白在有無(wú)DNA結(jié)合兩種狀態(tài)下的高分辨率晶體結(jié)構(gòu)，揭示了其特異識(shí)別DNA的分子機(jī)理?！犊茖W(xué)》于2012年1月5日發(fā)表了他們的論文《Structural basis for sequence-specific recognition of DNA by TAL effectors》（TALE蛋白特異性識(shí)別DNA的分子機(jī)制）。
之后幾個(gè)月，鄧東又以第一作者或者共同第一作者身份在Cell Research（細(xì)胞研究）和Cell Reports（細(xì)胞報(bào)告）期刊上分別發(fā)表了《Recognition of methylated DNA by TAL effectors》和《Specific DNA-RNA Hybrid Recognition by TAL Effectors》兩篇文章。
作為一名博士研究生，鄧東用自己出色的成績(jī)書(shū)寫(xiě)著自己對(duì)于科研的熱愛(ài)。鄧東一直對(duì)生物抱有濃厚的興趣，在接受這個(gè)課題之前，他已在顏寧教授的實(shí)驗(yàn)室工作了2年。當(dāng)面對(duì)是去一家外國(guó)公司工作，還是在清華大學(xué)讀博時(shí)，他毅然決然地選擇了后者，因?yàn)樗硎芸蒲猩罱o自己帶來(lái)的樂(lè)趣。
TALE蛋白是生物技術(shù)領(lǐng)域里很重要的一類(lèi)蛋白，早已得到廣泛地應(yīng)用。但是人們對(duì)它的工作機(jī)制即如何特異性識(shí)別DNA卻一無(wú)所知，這也限制了它擴(kuò)大應(yīng)用范圍。鄧東之前一直從事的是對(duì)于膜蛋白的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究，但是在平時(shí)的論文閱讀中早就關(guān)注到了這一類(lèi)神奇的DNA識(shí)別蛋白。所以當(dāng)朱健康教授向顏寧教授提出合作研究dHax3這種TALE蛋白結(jié)構(gòu)的意向時(shí)，正中鄧東下懷。他正是想突破TALE結(jié)構(gòu)未知這一障礙，扛下了這個(gè)課題，他希望從結(jié)構(gòu)生物學(xué)的角度去研究它的工作機(jī)理。正如他所說(shuō)：“這個(gè)問(wèn)題就像病人吃藥一樣，如果不知道它如何發(fā)揮功效，勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。”
圖為鄧東在做實(shí)驗(yàn)。
自此，鄧東和他的兩個(gè)同伴便在“研究TALE蛋白如何特異性識(shí)別DNA”這條道路上苦苦摸索，盡管從課題開(kāi)始到取得成果只有短短的半年，但這其中的辛苦只有他們自己知道。從2011年3月他們接受課題，到10月15日成功解析出蛋白結(jié)構(gòu)，再到一鼓作氣地撰寫(xiě)文章并于10月21日將文章投出，這背后的汗水、沮喪、欣喜、坦然，也只有他們自己才能深刻體會(huì)。
結(jié)構(gòu)生物學(xué)的研究主要分為幾大步驟，每一步都有各自的困難和失敗的可能。選擇了dHax3這個(gè)TALE蛋白，鄧東要面對(duì)的第一個(gè)難題就是得到大量的蛋白樣品。雖然在基因序列克隆上沒(méi)有遇到什么困難，但接下來(lái)的蛋白表達(dá)就碰上了大麻煩。他們經(jīng)過(guò)了大量的嘗試始終拿不到理想的蛋白，這意味著不能將實(shí)驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行下去。鄧東和同伴們也嘗試了其它幾種常規(guī)菌種，依舊沒(méi)有什么收獲。
就在這焦頭爛額之際，鄧東在翻閱文獻(xiàn)時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)了一種菌種（Rosetta（DE3）），而實(shí)驗(yàn)室恰巧有同學(xué)使用過(guò)。經(jīng)過(guò)新的試驗(yàn)之后，效果出其意料的好，蛋白表達(dá)量特別高。“struggle（掙扎）了一個(gè)月一無(wú)所獲，而有一天你突然在網(wǎng)上或文獻(xiàn)里發(fā)現(xiàn)某種方法能使蛋白表達(dá)，那種感覺(jué)太棒了”，鄧東興奮之情溢于言表。
接下來(lái)面對(duì)的更大挑戰(zhàn)就是蛋白提純，蛋白雖然表達(dá)量很大，但是并不好純化。剛開(kāi)始摸索的蛋白純化過(guò)程不但花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，而且蛋白的產(chǎn)率及純度都達(dá)不到實(shí)驗(yàn)要求。為了得到高蛋白產(chǎn)率和純度，他們又進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的蛋白純化實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化。為了嘗試更多的條件和方法，他們經(jīng)常通宵達(dá)旦地在實(shí)驗(yàn)室?jiàn)^戰(zhàn)。功夫不負(fù)有心人，兩個(gè)多月過(guò)去了，他們不但能穩(wěn)定地拿到性質(zhì)很好的蛋白樣品，同時(shí)也拿到了TALE的第一顆蛋白晶體。“其實(shí)這個(gè)過(guò)程是存在風(fēng)險(xiǎn)的，一旦不成功，就意味著之前的工作功虧一簣，一切從頭開(kāi)始。但這就是個(gè)實(shí)驗(yàn)科學(xué)，你需要去做更多的嘗試才能得到自己所滿(mǎn)意的結(jié)果。我始終記得顏寧老師跟我說(shuō)的‘you never know before you try it’（你在嘗試之前永遠(yuǎn)不知道會(huì)是什么樣子）”，說(shuō)到這兒，鄧東語(yǔ)重心長(zhǎng)。
通過(guò)X射線(xiàn)對(duì)晶體進(jìn)行衍射分析，經(jīng)過(guò)電腦對(duì)數(shù)據(jù)的處理，他們離得到TALE蛋白的結(jié)構(gòu)便只有咫尺之遙。然而，天將降大任于是人也，必先苦其心志，勞其筋骨。通向光明之路總是充滿(mǎn)荊棘，晶體的衍射分析數(shù)據(jù)并不理想。“很沮喪，我們廢了半天的勁還是得不到好的數(shù)據(jù)，又不知道其原因。衍射數(shù)據(jù)不好的話(huà)，我們就解不出其結(jié)構(gòu)”，鄧東焦慮地說(shuō)。近一個(gè)月的糾結(jié)終結(jié)于鄧東和顏寧老師一次隨意的談話(huà)和他自己的勇敢嘗試，顏寧老師跟鄧東說(shuō)，要么你試試脫水（一種優(yōu)化晶體的方法）, 鄧東迅速進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，所幸馬上就有了突破性的結(jié)果。嘗試之下發(fā)現(xiàn)，分辨率一下子提高了很多，從3埃提高到2埃（就像近視的人裸眼看東西和帶著眼鏡看東西的差別），TALE蛋白的結(jié)構(gòu)解析迎刃而解。說(shuō)到這，鄧東補(bǔ)充道：“顏老師豐富的科研經(jīng)驗(yàn)，對(duì)我的幫助相當(dāng)大。她自己可能都沒(méi)有意識(shí)到的隨口而出的建議，給我們的實(shí)驗(yàn)帶來(lái)了突破性的進(jìn)展。”
然而，讓鄧東他們沒(méi)有想到的是實(shí)驗(yàn)最艱辛的部分才剛剛開(kāi)始。因?yàn)樵趯?duì)晶體進(jìn)行衍射數(shù)據(jù)收集時(shí)，它的相位信息會(huì)發(fā)生丟失。他們必須解決相位問(wèn)題，才能解析晶體結(jié)構(gòu)。在接下來(lái)兩個(gè)月的時(shí)間里，他們幾乎把所有能解決相位問(wèn)題的方法都嘗試了一遍，收集了上百套的衍射數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最終克服了這個(gè)困難。而在這期間，鄧東他們都要拎著沉淀淀的低溫保存罐把晶體帶到上?；蛘呷毡镜耐捷椛渲行倪M(jìn)行衍射數(shù)據(jù)的收集。他們?nèi)ツ抢锝?jīng)常得連續(xù)工作，比如今天早上8點(diǎn)開(kāi)始工作，直到第二天早上8點(diǎn)才結(jié)束。拿到數(shù)據(jù)后回學(xué)校分析，數(shù)據(jù)不好則繼續(xù)準(zhǔn)備晶體，下周繼而出遠(yuǎn)門(mén)。那段艱辛又奔波的歲月，他至今記憶猶新。
TALE蛋白的結(jié)構(gòu)已經(jīng)拿到，剩下的就是分析它是如何特異性識(shí)別DNA的，這也是解密其生化功能的關(guān)鍵所在。經(jīng)過(guò)一番認(rèn)真琢磨和分析，特別是在對(duì)蛋白質(zhì)和DNA研究方面具有二十年豐富研究經(jīng)驗(yàn)的施一公教授的點(diǎn)撥下，鄧東和他的同伴終于突破重重阻礙揭開(kāi)了TALE蛋白工作機(jī)制的神秘面紗。
“《科學(xué)》是在12月21日接收這篇文章的，過(guò)兩天剛好是我的生日，”鄧東說(shuō)，這無(wú)疑是給他最好的生日禮物。
TALE蛋白特異性識(shí)別DNA的工作機(jī)制研究出來(lái)后，他們就把這個(gè)課題擱置不理了嗎？
NO！
接下來(lái)，他們反而更加細(xì)微地觀(guān)察TALE蛋白結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)TALE上有能特異性識(shí)別含有5-甲基胞嘧啶修飾的基因。而5-甲基胞嘧啶是一種重要的DNA甲基化修飾，是表觀(guān)遺傳學(xué)研究的重點(diǎn)，他們首次將TALE和表觀(guān)遺傳學(xué)研究聯(lián)系起來(lái)。
此外，通過(guò)與博士后殷平合作，他們還發(fā)現(xiàn)TALE只與DNA雙螺旋的一條鏈結(jié)合。如果把另外一條不結(jié)合的鏈換成RNA或者其他雜鏈，是否會(huì)有同樣的結(jié)果。帶著這個(gè)疑問(wèn)，他們又開(kāi)始進(jìn)行繁復(fù)的試驗(yàn)。結(jié)果表明，TALE蛋白不但能識(shí)別雙鏈DNA，還能識(shí)別DNA-RNA雜合雙鏈。
這兩點(diǎn)發(fā)現(xiàn)也分別發(fā)表于Cell Research 和 Cell Reports 期刊上。
科研生活并非一帆風(fēng)順，往往夾雜著很多的挫敗和曲折。這種時(shí)候鄧東會(huì)叫上實(shí)驗(yàn)室的兄弟姐妹們?nèi)歌或者打打羽毛球來(lái)緩解壓力。“我的羽毛球打得不如林丹好，但是林丹提蛋白、長(zhǎng)蛋白晶體肯定比不過(guò)我”，鄧東對(duì)于科研的熱愛(ài)和自信溢于言表，“我覺(jué)得科研能實(shí)現(xiàn)我的人生價(jià)值，我也想繼續(xù)做下去”。
科研之路漫漫，《科學(xué)》是成就也是新起點(diǎn)，鄧東的步步踏實(shí)將為他的未來(lái)帶來(lái)新的無(wú)限可能！
導(dǎo)師顏寧評(píng)語(yǔ)：寶劍鋒從磨礪出
我從事結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究已經(jīng)有十多年，但是如此重要的一個(gè)課題由如此“年輕”的學(xué)生在如此短的時(shí)間內(nèi)完成，在我看來(lái)都算是一個(gè)奇跡，鄧東正是這個(gè)奇跡的創(chuàng)造者，而奇跡的背后是在之前幾年扎扎實(shí)實(shí)的積淀。與我諸多來(lái)自名校的直博生不同，鄧東在讀博之前先是在公司工作，然后在實(shí)驗(yàn)室里做技術(shù)員。也許正是這些經(jīng)歷，使他與同年級(jí)的同學(xué)相比多了一份成熟與從容，更有一份經(jīng)過(guò)思考之后的堅(jiān)定。作為一個(gè)導(dǎo)師，還有什么比看著學(xué)生創(chuàng)造奇跡更令人欣慰的呢？
