文 | 《中国科学报》记者 刁雯蕙 实习生 卜金婷


(相关资料图)

“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”。

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。
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。

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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