作者:刁雯蕙 卜金婷 来源:科学网微信公众号 发布时间:2023/4/14 20:48:31
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3年切了1.5吨花菜!90后博士生一作发Science

 

文 | 《中国科学报》记者 刁雯蕙 实习生 卜金婷

“又不见了!蛋白到底去哪里了?”凌晨两点,实验室里传来谢国辉崩溃的声音。

3年来,这样的时刻时常上演,谢国辉自己也数不清经历了多少次。不过好在他所有的付出终于有了一个满意的结果。

近日,南方科技大学博士生谢国辉以共同第一作者的身份,收获了人生中的第一篇Science论文。

这项研究解析了最后一种结构未知的真核RNA聚合酶——Pol V的功能机制,提出其通过滞留在染色质上而招募下游作用因子引起DNA甲基化和基因沉默的工作模型。

审稿人在评价中指出,该研究为解析真核生物RNA聚合酶的分子结构找到了最后一块“拼图”。

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研究示意图  南科大供图

“科研小白”找到最后一块拼图

2019年5月,谢国辉作为科研助理进入南方科技大学教授杜嘉木课题组,开始了结构生物学的研究。那时的他,对这个领域还是一知半解。

“我之前是研究植物病理方面的,对蛋白纯化和结构解析可以说完全是一个小白。幸运的是遇到了一群良师益友,杜嘉木老师给予了我最大的支持与指导,胡泓淼师兄和杜璇师姐带领我进入蛋白纯化与结构解析的大门。”谢国辉告诉《中国科学报》。
他面临着一项怎样的研究呢?
植物在不同环境、生长的不同阶段都会对自身的基因进行表达调控,某些时候会把一些基因沉默掉,促进另外一些基因的表达,以此来适应它的生长环境。例如在旱灾的时候,植物会调控自身的某些基因应对干旱,减少自身水分的蒸发或者不再继续长高。
DNA甲基化就是一种重要的基因表达调控方式,这是杜嘉木课题组研究的主要方向。植物中DNA甲基化需要一个非常特殊的RNA聚合酶,即Pol V的参与。与常规的RNA聚合酶合成RNA不同,Pol V不仅要合成RNA,还需要停留在染色质上为其他因子提供“定位”,因此是一个既要动(合成RNA)又不能动(停留在染色质上)的矛盾体。
“所以大家一直很疑惑Pol V到底怎么发挥功能的?想要进行更细致的研究就需要开展Pol V的结构测定工作,这是我进课题组后导师交给我的第一个课题。”谢国辉介绍。
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谢国辉(后排右二)与课题组成员合影 受访者供图
当时,导师让谢国辉与另一位一作胡泓淼博士一起摸索,去揭开Pol V结构上的面纱。
谁承想,这一摸索就是三年多。期间,谢国辉转换了身份,于2021年攻读博士学位,手上的这项研究,分量也更加沉重。
“在一次次失败、崩溃中,不断总结经验,靠着极其微量的样品外加想象,一点点地摸索出复合物的性质,最终成功达成电镜数据收集与结构解析。”谢国辉说。
2022年12月5日,谢国辉等人怀着忐忑的心情将稿件投出,很快便收到了审稿人的意见。而且,三位审稿人的意见都十分积极,并认为谢国辉等人的研究为解析真核生物RNA聚合酶的分子结构找到了最后一块“拼图”。

实验室里的“花菜杀手”

一将功成万菜枯。在这篇Science论文背后,不得不讲讲那些逝去的花菜。

打开手机订单页面,谢国辉好奇地数了一下这3年里到底用了多少花菜?结果让他大吃一惊:整整用了1.5吨花菜!

为什么当初选择花菜作为实验材料呢?谢国辉告诉《中国科学报》,“我们研究的Pol V在植物中含量极低,提纯难度大,这给我们前期的研究带来了极大的挑战。在一次学术交流中,中科院曹晓风院士提到可以使用花菜提纯蛋白,这给了我们极大的启发。”
提取花菜的蛋白,首先需要将花菜的花削下来,用液氮冷冻后研磨成粉,加入细胞核提取液中,再将细胞核提取出来,并进行蛋白复合物的提取纯化,但能够纯化出来的Pol V微乎其微。

“10公斤的花菜往往能提取60克的细胞核,再从这60克的细胞核中提取蛋白,最后提出来的蛋白也就3微克左右。”谢国辉表示。

更令人抓狂的是,很多时候拿到细胞核提取物再进行纯化后,根本鉴定不到蛋白质,“我们每一步都会检测,可以看到最开始是有Pol V蛋白的,然后随着不断地纯化,蛋白可能在某一步骤就突然不见了,这是令我们最头疼的时候,因为影响的因素有很多,需要逐个排查。”谢国辉无奈地说。
3年来,谢国辉和同伴重复了上百次蛋白提纯的实验过程。在前两年的时间里,谢国辉每隔一周就要切几十公斤的花菜,他将提取到的细胞核冻存在冰箱里,做实验时就从里面取一部分出来。为此,谢国辉还收获了有趣的外号:花菜杀手。
“我本来就不爱吃花菜,这下子彻底不吃了,但是每次和同学一起去聚餐,他们都会点一份干锅花菜放到我面前。”谢国辉回忆起同门聚餐的场景,不禁笑了起来。
经历了两年多与花菜斗智斗勇的日子,谢国辉等人终于获得了一株可以顺利提取蛋白的抗体,摸索出了合适蛋白提取纯化条件,从而获得了足够的蛋白,但他们又面临着另外一个难题。

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花菜

“一开始我们觉得只要蛋白提取出来,接下来的实验会更容易。但真正拿到蛋白后,我们发现它与其他聚合酶的性质不太一样,蛋白一旦多了以后它就聚在一起了,根本就不适合电镜数据的收集,更别说解析结构了。”谢国辉说。
于是,谢国辉与正在深圳大学进行博士后工作的杜璇合作,在经过了近五个月的调试之后,终于将聚合的蛋白转变为独立的颗粒。“得益于前期的尝试,我们后期对蛋白的摸索还是比较有方向性。”

做科研要有内驱力

连续做十七八个小时的实验,对谢国辉来说是常态。从白天到黑夜,从凌晨到黄昏,他几乎见过了每一个时刻的学校。
事实上,做基础研究,在实验中常常会遇到难以克服的事。庆幸的是,谢国辉遇到了好的科研领路人——杜嘉木教授。
“在实验设计与实验结果分析方面,杜老师给了我很多的帮助和指导。即使是实验进行不下去的时候,老师也没有给我太大的压力,而是鼓励我先放下课题,调整心态。”谢国辉说道。
在蛋白纯化最不顺利的那段日子里,大概有两周多的时间,谢国辉与胡泓淼都没有去做实验,“我们相互鼓励,重新回看实验记录本,查漏补缺,不断进行探索,同时向导师和同学请教,他们的经验给了我很大的启发。”

在谢国辉看来,他能以一作发表Science论文,除了有运气成分之外,更重要的是做科研一定要有内驱力。“做实验虽然会遇到很多失败的时候,但办法总比困难多,或许正是这股不甘于失败的驱动力,让我能够在漫漫科研路中坚持下来。”谢国辉笑着说道。

谈及未来规划,谢国辉告诉《中国科学报》:“现在的成果使得我再一次坚定了科研信念,更加专注于眼前,希望能够在杜老师的引导下,继续前行。”
相关论文链接:
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf8231
 
 
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