文｜《中國科學(xué)報(bào)》記者張晴丹
一個(gè)稀松平常的上午，張小雪一如既往地埋在一堆實(shí)驗(yàn)器材中，克隆、轉(zhuǎn)染細(xì)胞、收細(xì)胞、高通量測序……當(dāng)她正熟練地操作這些流程時(shí)，同組的伊宗裔帶來了一個(gè)“噩耗”：“韓國課題組實(shí)現(xiàn)了線粒體的腺嘌呤堿基編輯，文章已經(jīng)發(fā)了！”
猶如晴空霹靂，張小雪只覺那一天無比漫長，她感到前所未有的迷茫。彼時(shí)已經(jīng)是她在北京大學(xué)讀博的第五年，她為了這個(gè)課題還延了一年，畢業(yè)壓力可想而知。
“說實(shí)話，很沮喪，但那時(shí)候我們已經(jīng)拿到比較好的數(shù)據(jù)，放棄太可惜了。雖然失了先機(jī)，但我想盡量把這項(xiàng)研究做得更全。已經(jīng)走到這一步，我想給自己一個(gè)交代，至少讓我能畢業(yè)吧?！睉汛е绱恕氨拔ⅰ钡男脑?，張小雪決定再拼一次。
之后，張小雪頂住壓力，又開始重復(fù)著每天朝九晚十一的科研生活。最終成果發(fā)表在2023年的Nature Biotechnology雜志上。
后來也是在北京大學(xué)教授魏文勝和博士后伊宗裔的指導(dǎo)與合作下，今年1月23日，張小雪以唯一一作的身份成功在Nature上發(fā)表論文。他們開發(fā)出新一代線粒體堿基編輯器，助力疾病動物模型的建立。
張小雪
1
補(bǔ)齊那塊缺失的拼圖
基因組的很多點(diǎn)突變都與疾病相關(guān)，所以自CRISPR系統(tǒng)問世以來，科研人員就致力于堿基編輯工具的發(fā)展，希望可以治療疾病?？蒲腥藛T也利用CRISPR系統(tǒng)開發(fā)了很多種核基因組的堿基編輯器，比如利用單鏈DNA脫氨酶實(shí)現(xiàn)A到G以及C到T的堿基編輯，也就是比較熟知的腺嘌呤堿基編輯器和胞嘧啶堿基編輯器。
“線粒體作為人體細(xì)胞內(nèi)的半自主細(xì)胞器，擁有自己的基因組。線粒體基因組的突變會引起很多遺傳性疾病，通常都伴隨多個(gè)組織器官病變。”張小雪在接受《中國科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)介紹，比如心臟、消化系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)及眼睛、耳朵等器官病變，其中最主要的線粒體疾病是LHON、MELAS以及Leigh綜合征。
隨著核基因組堿基編輯工具的發(fā)展，科研人員嘗試將CRISPR系統(tǒng)應(yīng)用于線粒體基因組的編輯，但是效果不太好，主要是因?yàn)榫€粒體內(nèi)膜氧化磷酸化產(chǎn)生的電勢差使CRISPR系統(tǒng)所依賴的sgRNA極難進(jìn)入線粒體。所以，CRISPR系統(tǒng)目前還無法高效實(shí)現(xiàn)線粒體堿基的編輯。
直到2020年，哈佛大學(xué)David Liu課題組與其合作者利用新發(fā)現(xiàn)的一種毒素蛋白DddA蛋白，在雙鏈DNA上實(shí)現(xiàn)胞嘧啶的脫氨，然后融合線粒體定位的TALE蛋白，才首次實(shí)現(xiàn)了線粒體的胞嘧啶堿基編輯。這個(gè)工具被稱為DdCBEs。
“我們當(dāng)時(shí)做這個(gè)課題是在DdCBEs出來之后，也是想著去開發(fā)線粒體的腺嘌呤堿基編輯工具，為的就是補(bǔ)齊這個(gè)領(lǐng)域里缺的一塊拼圖。”張小雪說。
不過，韓國一個(gè)課題組在DdCBEs的基礎(chǔ)上，聯(lián)用腺嘌呤脫氨酶實(shí)現(xiàn)了線粒體的腺嘌呤堿基編輯，被稱為TALEDs。就在2022年，這項(xiàng)研究成果發(fā)表在Cell雜志上，引起了轟動。
“我們的目的是一樣的，都是要開發(fā)出這款應(yīng)用前景廣闊的基因編輯工具，只是策略不一樣。當(dāng)時(shí)做這個(gè)課題的時(shí)候，一直心無旁騖，每天吭哧吭哧地干。結(jié)果被韓國課題組搶了‘先機(jī)’，心理打擊很大，大家都很泄氣?！睆埿⊙┱f。
情況總要面對，問題總要解決。“其實(shí)從原理和想法上，我們與韓國課題組那個(gè)成果還是有很大差別。而且就當(dāng)時(shí)我的處境來說，我只能硬著頭皮干下去。至于文章能發(fā)什么級別的期刊，我已經(jīng)不是很在意了?！睆埿⊙┍硎?。
“我們嘗試了很多種策略，其中一個(gè)策略就是把DNA想象成兩股擰在一起的繩子，如果把其中一根剪斷之后，理論上繩子會散開，這個(gè)時(shí)候就有機(jī)會利用現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)化多輪的在單鏈DNA上進(jìn)行腺嘌呤脫氨的脫氨酶實(shí)現(xiàn)線粒體上的腺嘌呤堿基編輯。”張小雪說。
也就是在這樣的背景下，魏文勝帶領(lǐng)著課題組開發(fā)出了mitoBEs。后來，課題組通過查閱文獻(xiàn)，知道目前線粒體疾病的動物模型非常缺乏，因?yàn)闊o法建立高突變頻率的線粒體疾病動物模型，所以對于線粒體疾病的研究以及治療都停滯不前。
“因此，我們就想著對新開發(fā)的這個(gè)工具進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，以建立高效的線粒體疾病動物模型，從而能推動這個(gè)領(lǐng)域的進(jìn)步。”張小雪表示。
與DdCBEs和TALEDs相比，mitoBEs展現(xiàn)出卓越的鏈特異性和顯著降低的脫靶效應(yīng)。得益于其雙向堿基編輯能力，mitoBEs能夠?qū)Υ蠹s87%的致病線粒體突變進(jìn)行精確建模。
通過優(yōu)化版mitoBEs，研究團(tuán)隊(duì)成功建立了具有高突變頻率的小鼠模型，表現(xiàn)出了與疾病相關(guān)的典型表型。此外，通過雜交實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)還獲得了突變負(fù)荷達(dá)到100%以及僅含單堿基突變的精確小鼠模型。這項(xiàng)研究成果為深入探索線粒體疾病的致病機(jī)制及開發(fā)新型治療策略提供了重要工具。
張小雪
2
走一步看一步，
走上了科研這條路
在蘭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院讀本科時(shí)，張小雪并未對科研表現(xiàn)出濃厚的興趣。本科畢業(yè)后，她和許多同學(xué)一樣，對未來沒有清晰的想法，也不清楚自己適合從事什么樣的職業(yè)。就如大海中的一葉扁舟一樣，渺小、迷茫而不知航向。
“我屬于走一步看一步的性格，當(dāng)時(shí)也沒其他更堅(jiān)定的選擇。身邊很多人都選擇讀博，想繼續(xù)往上走走看，我也隨大流，就跟著讀博了，不知不覺就走到了科研這條路上?！睆埿⊙┱f。
至于未來要面臨何種難關(guān)，她并未思考太多。除了遭遇被韓國課題組搶先發(fā)表的打擊外，這篇論文在投給Nature時(shí)還吃了一記“閉門羹”——第一輪送審后被拒稿。不過，編輯“雖然關(guān)上了門，但打開了一扇窗”，只要能夠解決編輯提出的問題，就有轉(zhuǎn)圜的余地。
之前有研究報(bào)道了DdCBEs存在廣泛的核基因組脫靶問題，主要是由于DddA蛋白與CTCF的互作以及DddA蛋白兩部分的自組裝所致。當(dāng)時(shí)，編輯和審稿人都不相信這個(gè)新工具mitoBEs能突破這一點(diǎn)——不存在核基因組的脫靶問題。
“因?yàn)槲覀兊谝粋€(gè)版本里高通量數(shù)據(jù)分析方法用得不夠好，所以展示出來的數(shù)據(jù)會讓人產(chǎn)生理解偏差。后來，我們換了多種更好的分析方法，也用了更多數(shù)據(jù)來解釋這個(gè)問題，當(dāng)修改好的文章返回去時(shí)，就成功說服了他們。”張小雪說。
那是一個(gè)凌晨，張小雪收到了導(dǎo)師魏文勝轉(zhuǎn)發(fā)的郵件通知，論文被接收了。她心中如釋重負(fù)。
“能夠發(fā)表在Nature上，我其實(shí)并沒有想象中那么歡愉，只是覺得松了一口氣，因?yàn)檫@一路走來經(jīng)歷了太多艱辛。當(dāng)然，能發(fā)在頂刊，是對我這么多年來科研工作一個(gè)很大的正反饋，給了我更多自信，也讓我更堅(jiān)定地走在科研路上。”張小雪表示。
張小雪
3
實(shí)驗(yàn)室氛圍會影響科研興趣
張小雪認(rèn)為，自己能夠熬過來，取得現(xiàn)在的成績，與實(shí)驗(yàn)室氛圍有很大關(guān)系。
“我其實(shí)一開始并不確定自己是否適合做科研，因?yàn)樽隹蒲泻芫恚偁幒芗ち?。但來到魏老師的組里，我得到了很多支持，他既不嚴(yán)厲也不push，不會給人壓迫感，和學(xué)生們是亦師亦友的關(guān)系。他實(shí)驗(yàn)室里的氛圍讓人很舒服?！睆埿⊙┱f。
在線粒體堿基編輯器研究過程中，魏文勝不限制學(xué)生的思維，鼓勵(lì)大家去爭論、去大膽表達(dá)自己的想法，也會分享很多想法。張小雪經(jīng)常與魏文勝、伊宗裔在一起討論，經(jīng)過三個(gè)人思想的碰撞，常常會有意想不到的收獲。
“能找到一個(gè)與自己合拍的實(shí)驗(yàn)室是一件很幸運(yùn)的事。魏老師很看重學(xué)生的自主驅(qū)動力，也給足大家自由度，而我恰好是那種不喜歡被趕著往前走的人。在魏老師的實(shí)驗(yàn)室大家都能找到適宜的相處模式。很多人都有了不錯(cuò)的去向，像伊宗裔博士馬上就要成立自己的實(shí)驗(yàn)室，我將繼續(xù)博士后的工作，積攢更多的科研經(jīng)驗(yàn)?！睆埿⊙┱f。
“我在科研領(lǐng)域已經(jīng)找到了自己的興趣，雖然很辛苦，但做科研有它獨(dú)特的魅力，前面有多難，當(dāng)那條路走通后，后面就會有多開心。這種成就感是其他工作很難得到的。如果我的工作最后能用于醫(yī)療，我也算是實(shí)現(xiàn)了自己的人生價(jià)值?！睆埿⊙┍硎尽?span style="display:none">s3E即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com
參考鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08469-8
本文鏈接：http://m.enbeike.cn/news-8-888-0.html讀博臨畢業(yè)被搶發(fā)論文，她決定再拼一次
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