长期以来，人们普遍认为，脱氧核糖核酸（DNA）决定了生物体的全部表型。但问题来了，在相同环境中成长的同卵双胞胎，身高、肤色、性格、健康状况等并非完全相同，这是为什么？

为了揭开表观遗传的“神秘面纱”，科学家将视线从DNA转向了另一种遗传物质——和DNA共同构成细胞染色体的蛋白质。

近日，香港大学生物科学学院教授翟元梁研究团队联合北京大学 学院教授高宁、李晴研究团队，借助冷冻电镜和基因组学多种手段，抓拍到亲代组蛋白在复制叉上转移的关键步骤，为进一步完全揭示组蛋白编码表观遗传信息传递与DNA复制的耦合机制奠定了基础。3月7日，相关研究成果发表于《自然》。

论文匿名评审人认为，“这是一项先进的结构研究，极大推动了我们对组蛋白回收机制的理解”。

给“快递员”拍个工作照

每个人的身体里有几百种不同的细胞，每种细胞里的DNA都是相同的，但为什么这些细胞表现出不同的细胞类型？

这是一个令整个学界困惑的难题。生物体的遗传信息分为两种，一种是DNA携带的遗传信息，另一种是表观遗传。含有相同DNA的细胞表现出不同的细胞类型，就与表观遗传的调控有关。

DNA是生物体的主要遗传物质，真核生物的DNA以染色体形式存在。DNA缠绕在一种名为组蛋白的蛋白上，和组蛋白共同形成核小体。核小体内一共有8个组蛋白，也可以称之为组蛋白八聚体。核小体上的组蛋白修饰正是重要的表观遗传标记。

由于DNA呈双链结构，DNA复制时需要“解开”双螺旋，同时复制叉前面的核小体也会被“拆开”。之后，DNA原本的两条旧链分别复制形成两条子链，此时被“拆开”的核小体也顺势“复制”到新合成的子链上。

但在这一过程中，如何保证核小体能将表观遗传信息“完美降落”到新合成的子链上？又是什么帮助核小体完成转移？

“这就离不开‘快递员’复制体的参与。”翟元梁告诉《中国科学报》，“大家都知道复制体会参与这一过程，但从没有人观察到这一过程具体是怎么发生的。”

为了看到“快递员”复制体是如何工作的，翟元梁想到了冷冻电镜。

“我们用冷冻电镜抓拍到这个过程的一个瞬间，这也是本项研究的关键突破。”他说。

他们发现，当复制体作用于携带表观遗传信息的亲代组蛋白时，会将原本的八聚体拆分为六聚体和二聚体。同时，能够维持组蛋白稳定性的伴侣蛋白FACT，会将拆解出来的六聚体“抓住”，并在解旋酶Mcm2亚基的协助下将组蛋白嵌套在一个转移平台Tof1蛋白上，从而将亲代组蛋白定位到复制体的前端，以便进一步转移至DNA子链上。

“亲代组蛋白回收的复制偶联机制一直是学界‘公认但知之甚少’的，我们的研究首次揭示了其中的一个关键步骤。”翟元梁说。

复制体回收亲代组蛋白的模型示意图。受访者供图

八年磨一剑

“这篇论文从投稿到接收只用了4个月，但项目前后做了快8年。”翟元梁感慨地说。

在翟元梁看来，这项研究的成功离不开自己的合作伙伴——高宁团队的支持。

这是一项工作量极其庞大的研究。“目前学界基本上采用体外重组的方法，但我们选择了体内和体外相结合的研究方式。”翟元梁表示。

如果将蛋白质复合物比作工厂里的机器，里面的组件非常复杂，那么体外重组就类似于把每个零部件买回来自己组装。然而，有时研究者并不能完全掌握分子机器每一个零部件的细节，不仅组装难度大，而且组装完成后无法进行验证。

因此，翟元梁决定，直接把体内组装好的“机器”拿出来，这样就避开了对分子机器零部件认识不足的问题。但新的问题是，体内存在大量不同的蛋白质，要想在数以亿计的蛋白质中把特定的数量极少的“快递员”复制体复合物从染色质上提取出来，需要把整个蛋白纯化的过程梳理清楚。

“这也是非常困难的。”翟元梁说。

为了破解这一难题，翟元梁和擅长冷冻电镜结构研究的高宁进行了合作。高宁在美国读博时就从事冷冻电镜结构研究，而他的团队在复杂大分子机器的结构解析上有着丰富的经验。

“通俗来说，冷冻电镜技术就是给大分子机器拍平面照片。有了各个角度的平面照片后，就可以计算出大分子的立体结构。因为蛋白质十分脆弱，只能用很弱的光给它拍照，单张照片清晰度很低，所以冷冻电镜方法是拍大量的照片、叠加起来，相当于用强光器曝光，这样就能观察到蛋白质分子的高分辨率结构。”论文第一作者、北京大学 学院研究员李宁宁介绍，“随着冷冻电镜技术的发展，分辨率逐渐提高，数据处理的算法也得到更新，能够更清楚地观察到本次研究中的‘关键快照’。”

即便如此，这依然不是一项容易的研究。

“需要耗费大量精力。”李宁宁举了个例子，“这项研究每次样品的制作都需要用100升指数生长期的酵母细胞。以1升容量的摇瓶为例，100升酵母细胞就是100瓶，这需要分成很多次去培养，攒到一定程度才能开始处理细胞、在冷冻电镜中测试一次。同时，还需要很多配套工作，比如怎样用温和的方法实现酵母破壁等。整体来看，实验规模和难度都非常大。整个研究期间，前后至少培养了上千升细胞。”

2015年，他和高宁团队合作发表了第一篇刊发于《自然》的论文，研究了酵母复制前期复合物的结构。之后，他们开始专注研究复制体复合物的冷冻电镜结构，经过8年摸索，终于破解理论与技术难题，成功抓拍到“快递员”复制体的“工作照”。同时，在李晴的协助下，他们成功揭示复制体“快递”亲代组蛋白的具体目的地。

“坐得住‘冷板凳’”

“研究中，我觉得最重要的是信心——相信自己一定能做出来。”在回顾整个研究过程时，翟元梁说。

早在香港科技大学攻读博士学位时，翟元梁便从事染色质复制研究。他根据文献和实验独自摸索出内源蛋白纯化的方法，对海量的蛋白进行提取纯化，并优化冷冻制样的方法。

无论是一开始的独立摸索、积累经验，还是后来组建研究团队、带领学生科研攻关，“坚持”是翟元梁最大的感受。

“在我读博士和从事博士后阶段研究的过程中，我的导师们非常支持我的选择，基本上是我选定感兴趣的方向后，自己探索钻研，在持续积累的基础上，慢慢做出一些成果。”翟元梁感慨道，“在科研中，一帆风顺并不现实。沉得住气、坐得住‘冷板凳’、踏踏实实做事，才是科研工作者最重要的品质。”

“厚积薄发”是李宁宁对翟元梁的评价。“他是非常低调、温和、有原则的人，对科研有极致的热爱，并且充分尊重学生的意愿，能带领整个团队沉下心来做研究。”

而对于翟元梁来说，一切只是开始：“表观遗传的整个过程有很多步骤，也有不同蛋白因子参与其中。我们的研究只是打开了一个很小的窗口，还需要进一步深入探索。”（来源：中国科学报 倪思洁 赵宇彤）

研究团队2018年于香港科技大学。翟元梁（左一）、高宁（右三）和李宁宁（右二）。受访者供图

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07152-2