施一公：曾擔心被掃地出門，卻在六年後拿到普林斯頓終生教職

在結構生物學領域，剪接體結構解析被公認為是重大科研難題。在長達30年的時間裡，各國科學家的研究雖然從未間斷，但成果甚少。而施一公對冷凍電鏡的前瞻性應用，打破了這一僵局，經過七年漫長的攻堅，他和他的團隊實現了突破性進展。人類第一次在近原子水平上看到了剪接體的細節。這些成果來自於「挑戰世界難題」的膽魄和信念。

《環球科學》記者?| 李曉慧

1997年，當施一公得到普林斯頓大學分子生物學系助理教授的工作機會時，他的內心忐忑不已。他認為校方「犯了一個天大的錯誤」，自己也許會成為普林斯頓大學歷史上唯一 一個去了三年就被趕走的科學家。

三年很快過去了，他沒有被趕走，反而成為了普林斯頓大學的終身副教授。再過三年，他又成為了普林斯頓的終身教授。這一切在六年前他都無法預想到。那時的他可能也沒有預料到，當他離開美國，回到母校清華大學之後，他攻破了困擾結構生物學界近40年的難題。

2017年9月9日，2017年「未來科學大獎·生命科學獎」揭曉，施一公因在解析真核信使RNA剪接體這一關鍵複合物的結構，揭示其活性部位及分子機理方面有重大貢獻而獲獎。

9月下旬的一個早上，當《環球科學》記者趕到清華大學醫學樓，對施一公進行專訪時，他已經馬不停蹄地忙了一個上午，我們的採訪甚至只能在他走路的空檔、休息的片刻完成。

科研「長跑」後來居上

施一公喜歡長跑，從高中到現在，一直保持著長跑的習慣，每隔一天就要長跑一次，夏天6000米，冬天8000到12 000米，「不跑覺得渾身難受」。做科研與長跑類似，重大科研項目少則付出十年八年，多則付出幾十年。要想在科研長跑中取得冠軍，不僅要速度快，更要有耐力與後勁。

在結構生物學領域，剪接體結構解析被公認為是重大科研難題。RNA剪接是生物學中心法則執行過程中極其關鍵卻也是極其複雜的一步，這個過程不論是在單細胞的酵母中還是在更為複雜的人類中，都是由一種巨大的蛋白複合物來執行，它就是剪接體。剪接體的組成極為複雜，是由幾十到幾百種蛋白質和五條snRNA（small nuclear RNA）動態組合所形成的一個超大分子機器，生化教科書將剪接體形容為細胞里最複雜的超大分子複合物。正因為剪接體的複雜性以及高度的動態變化，要研究它的結構困難重重。

從1983年直到2014年，在長達30年的時間裡，各國科學家對於剪接體結構的研究雖然從未間斷，但成果甚少，僅僅獲得過剪接體部分組成蛋白的晶體結構和各種低解析度的電鏡密度圖（能夠反映生物大分子真實的三維結構，密度圖的解析度越高，生物大分子的結構細節越清晰）。

在這場解析剪接體結構的科研長跑中，參賽者高手雲集，比如劍橋大學分子生物學實驗室的日裔學者永井潔（Kiyoshi Nagai）。2015年之前，在剪接體組成蛋白的結構解析領域，近一半的工作都與他有關。他所在的劍橋更是現代結構生物學和分子生物學的奠基之地，從這裡曾經走出14位諾貝爾獎獲得者，包括2017年新晉諾貝爾化學獎得主理查德·亨德森（Richard Henderson）。

當一個世界級難題擺在面前，面對競爭者的強勁實力，在自己沒有絲毫優勢的情況下直面攻關還是轉向自己更熟悉、更易出成果的課題？在面對這種選擇的時候，施一公也猶豫過，不過他沒有躊躇不前，他查閱了大量資料，緊盯該領域的發展動態，反覆斟酌。2007年，當他看到冷凍電鏡領域已經進入6埃這個中等解析度時代，他立刻義無反顧地全面投入到剪接體結構解析領域。

2008年，40歲的施一公正式告別普林斯頓，回到清華園，白手起家，展開對剪接體結構的研究。經過7年的努力，施一公和他的團隊後來居上，在剪接體結構解析的領域獲得了重大突破。

2015年8月，施一公和他的團隊在國際頂尖期刊《科學》（Science）上發表的文章震驚了世界，兩篇論文報告了酵母剪接體3.6埃解析度的結構和前體信使RNA剪接的分子機制。這是自1977年發現RNA剪接以來，該領域在近40年的時間裡最重要的一次突破，科學家第一次在近原子水平上看到了剪接體的細節。

施一公說，剪接體就像一幅巨大的立體拼圖，一直以來，人們只看到拼圖中的一兩塊小圖，從來沒有看到過拼圖的全貌，「2015年5月份，我的實驗室第一次把酵母的一個內源剪接體的空間三維結構解析到了近原子解析度的3.6埃，這是人類第一次完成這個大拼圖。我們看到了拼圖中每一塊圖片的周圍是哪些圖塊，也弄清楚了它們是如何組合在一起，成為一個漂亮的機器的。」

冷凍電鏡

很多人都奇怪，在剪接體結構解析領域，很多科學家付出了十年、二十年的努力，卻比不上施一公七八年的科研成果，這是幸運的眷顧，還是施一公有獨到之處？

對冷凍電鏡的前瞻性應用，就是施一公的獨到之處。一般而言，研究蛋白質結構有三種主要方法：X射線晶體衍射、核磁共振以及單顆粒冷凍電子顯微學（冷凍電鏡）。過去，剪接體研究用得更多的是X射線晶體衍射。「但是，剪接體非常特殊，屬於比較大的細胞機器，而且是由多個核酸蛋白亞複合物組成的動態結構，很難獲得晶體進行結構解析。」

以前，施一公的團隊一直採用X射線晶體衍射的方法，但他很清楚，這不是研究剪接體的最佳方法。他在2007年發現冷凍電鏡有了很大進步後，就對未來電鏡的發展充滿信心。恰好，清華大學擁有良好的生物電鏡基礎，因此在2008年回國之際，施一公向學校提出了購買高端電鏡的請求並獲得了批准。

2009年，在施一公的建議下，清華大學結構生物學中心組建了一個全新的冷凍電鏡實驗平台，購買了全亞洲第一台最新型號的高端冷凍電鏡，而此時距離冷凍電鏡在生命科學領域走紅還有4年多。目前，該平台已發展成為世界上最大的冷凍電鏡基地之一。

2013年底，冷凍電鏡技術出現重大突破，被認為是結構生物學領域的革命，它使得結構解析不再需要結晶且只需極少的樣品量，就可以迅速解析大型蛋白複合體原子解析度的三維結構。傳統X射線長期無法解析的許多重要大型複合體及膜蛋白的原子解析度結構，一個個被迅速解析。從2013年到2016年，短短三年的時間，冷凍電鏡已經成為生物大分子結構解析的主要方法，冷凍電鏡的用戶群體正在以幾何級數的規模增長。

施一公和同事專門就冷凍電鏡在中國的發展撰寫了一篇綜述文章。他們在文章中指出，冷凍電鏡在結構生物學的發展中越來越重要，目前，中國的生物學冷凍電鏡已經進入快速發展階段。雖然，冷凍電鏡在其他國家也在快速、健康地發展，但是中國的增長速度遠遠超過世界平均水平，並且，這一趨勢預計會再持續5~10年。

「如果沒有冷凍電鏡技術，就完全不可能得到剪接體近原子水平的解析度。」施一公把他當年卓有遠見的選擇歸於「幸運」，「如果沒有冷凍電鏡，肯定做不出今天的結果，而當年確實沒想到冷凍電鏡會這麼快就出現飛躍性的進展。」他覺得，這項研究成果的意義超過了他過去25年科研生涯所有研究成果的總和，「所以之前的『學費』交得挺值的。」

挑戰世界級難題

每天工作超過14小時是常態，睡眠只有五六個小時，常年辦公室、食堂、家三點一線，這樣的高強度工作，對於施一公來說是家常便飯。施一公自己也坦誠，如果剛進實驗室的博士生或者本科生按照他的作息時間來工作，一周的時間就足以讓人望而生怯了。

即使已經成為清華大學副校長，施一公依然堅守在教學和科研的第一線，每個學期至少要上100節課，他希望加強跟學生的交流，帶領他的團隊繼續做出世界一流的科研成果。在科研的關鍵時期，他常常跟團隊成員一起加班到第二天早上，學生們回去睡覺休息，他卻要繼續給學生們上課，行政事務也不能耽擱。

曾經在某一天的凌晨，當施一公忙完了所有事情之後，回到實驗室，加班撰寫科研論文。突然，他發現自己的尾椎以下動不了了，緩了十幾分鐘才勉強能動，但是他依然沒有回去休息，在樓道里走了幾圈，感覺有所好轉，又接著去寫論文。

究竟是什麼動力推動著施一公持續不斷地超負荷工作？他的動力來源其實很單純：探索未知，挑戰世界級難題。

依靠著攻克世界級難題的信念，即使在研究剪接體六七年後都沒有令人矚目的成果時，施一公仍然沒有想過放棄，反而激發起了他的鬥志，讓他愈發興奮。「我常常覺得我們需要挑戰前沿難題的膽量」，過去，中國在科研領域往往處於跟隨者的地位，其實膽子大一些，設限少一些，耐心多一些，眼光寬一些，「我們是有能力在世界科研領域處於領先地位的」。施一公取得的成果，成為了他這個觀點最好的論據。

施一公和他的團隊在挑戰世界級難題的路上，還遠沒有結束。現在，科學家對酵母剪接體的了解已經達到70%~80%。施一公還將帶領團隊攻堅剩餘的難題，比如捕獲處於瞬時反應狀態的剪接體的結構，弄清楚一些ATP水解酶/解旋酶是如何推動剪接體工作的，等等，這些都還需要更為深入的研究。

在研究酵母剪接體的同時，他們也開始探索更複雜的人源剪接體的結構。2017年5月，施一公團隊在《細胞》（Cell）上發表文章，首次報道了人源剪接體的原子解析度結構，這是全球首次在近原子解析度上觀察到酵母以外的真核生物的剪接體結構。「再過一兩年時間，人源剪接體研究將達到酵母剪接體的水平。」在未來，這些成果將對醫學和藥學研究產生重大影響，極大地促進新葯研發——據統計，1/3以上的遺傳疾病與RNA剪接異常有關。若干年後，人們或許對剪接體研究的重要性會有更直接地認識。

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