■本報(bào)記者 李思輝 實(shí)習(xí)生 李佳彥

“Gabija（加比婭）”在立陶宛神話中意為灶火女神，攜秘面是手揭紗新家庭的守護(hù)女神。

在自然界中，開神以Gabija守護(hù)女神命名的聞科一種免疫系統(tǒng)在原核生物中廣泛存在，一直蒙著一層神秘面紗，學(xué)網(wǎng)人類遲遲未能見其真容。守護(hù)女神

近日，攜秘面武漢大學(xué)教授王隆飛團(tuán)隊(duì)與華中科技大學(xué)教授朱斌團(tuán)隊(duì)聯(lián)手，手揭紗新以“加速預(yù)覽”的開神形式在《自然》發(fā)表了合作研究論文，通過(guò)解析Gabija系統(tǒng)的聞科結(jié)構(gòu)，在分子層面完整揭示了Gabija系統(tǒng)的學(xué)網(wǎng)抗噬菌體工作機(jī)制。

根據(jù)慣例，守護(hù)女神對(duì)于具有影響力的攜秘面重要研究成果，《自然》會(huì)在排版之前，手揭紗新以“加速預(yù)覽”的方式先行在線發(fā)布論文，以便讀者能盡快了解相關(guān)研究成果。

“在我們的研究之前，沒(méi)有人知道它是如何工作的。我們使用冷凍電鏡等技術(shù)，解析了它在不同狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)，終于破解了有關(guān)Gabija系統(tǒng)的謎團(tuán)。”王隆飛告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

“守護(hù)女神”的“剪刀”

Gabija免疫系統(tǒng)是自然界已知豐度排名第三的原核生物免疫系統(tǒng)。它在原核生物中廣泛存在——存在于大約15%的細(xì)菌和古菌基因組中。

專家介紹，免疫系統(tǒng)一般都很復(fù)雜，但是Gabija很簡(jiǎn)單。它僅由GajA和GajB兩個(gè)基因組成，卻可以高效免疫各類烈性噬菌體的侵染，是自然界最廣譜高效且精簡(jiǎn)的免疫系統(tǒng)之一。

2018年，以色列學(xué)者Rotem Sorek等人在《科學(xué)》發(fā)表了一篇生物信息學(xué)論文，分析發(fā)現(xiàn)了上千種潛在原核生物免疫系統(tǒng)，其中就包括Gabija系統(tǒng)。但在Rotem Sorek團(tuán)隊(duì)的文章中，Gabija元件的酶學(xué)功能、抗病毒機(jī)制等都沒(méi)有得到揭示。

“我們就想知道，它是如何殺死病毒的。”朱斌帶領(lǐng)博士后成銳從2018年開始做這方面的研究。到2021年，GajA的工作機(jī)制首次被該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)并驗(yàn)證。此后，又經(jīng)過(guò)兩年多的努力，他們使GajB的工作機(jī)制浮出了水面。

Gabija像剪刀一樣，切割病毒的DNA（脫氧核糖核酸），但這把“剪刀”的工作機(jī)制與此前發(fā)現(xiàn)的其他“剪刀”不同。“病毒進(jìn)入細(xì)菌之后，會(huì)自動(dòng)復(fù)制自己的基因組并轉(zhuǎn)錄RNA（核糖核酸），快速消耗代謝物NTP（核苷三磷酸），GajA感知到NTP的變化后，便開始運(yùn)用‘剪刀’把病毒殺死。而GajA切割下來(lái)的DNA末端，可以繼續(xù)刺激GajB，反過(guò)來(lái)把NTP水平降低。兩者效果互補(bǔ)，形成了正反饋的作用機(jī)制。”朱斌告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

發(fā)現(xiàn)“新東西”的苦樂(lè)

揭開“守護(hù)女神”面紗的過(guò)程，也是不斷迎接挑戰(zhàn)、不斷攀登的過(guò)程。2018年，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)計(jì)算機(jī)分析的方法對(duì)Gabija系統(tǒng)的功能及工作機(jī)制進(jìn)行了預(yù)測(cè)。然而，通過(guò)研究，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)酶的活性不同于預(yù)測(cè)結(jié)果，是前所未知的。“這個(gè)研究是全新的，沒(méi)有人做過(guò)，我們相當(dāng)于是從零開始。”朱斌說(shuō)。

2021年朱斌課題組揭示Gabija防御系統(tǒng)的核心酶功能后，Gabija免疫機(jī)制受到國(guó)際上相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)家的高度關(guān)注。在武漢大學(xué)與華中科技大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)開展更進(jìn)一步探索的同時(shí)，國(guó)際上已有4個(gè)團(tuán)隊(duì)在做類似的研究，并且都開始向《自然》投稿。“他們的論文評(píng)審進(jìn)度比我們快，這讓我們的工作節(jié)奏更緊張了。”朱斌說(shuō)。這種緊張不難理解：一般情況下，同樣主題的文章《自然》只會(huì)接收一篇，因此競(jìng)爭(zhēng)非常激烈。

美國(guó)哈佛大學(xué)的一個(gè)權(quán)威團(tuán)隊(duì)在2023年4月中旬向《自然》投了稿。“我們比他們晚了兩個(gè)月，是6月中旬投出去的。”王隆飛說(shuō)，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)相當(dāng)于“背靠背”地進(jìn)行了投稿工作。

“第一次修改意見是2023年7月收到的，審稿人對(duì)我們提出了很高的修改要求。”王隆飛回憶道。審稿人認(rèn)為，團(tuán)隊(duì)提供的DNA被激活的構(gòu)象分辨率太低，存在一些數(shù)據(jù)不完善的情況。然而，Gabija和DNA結(jié)合的結(jié)構(gòu)極難被捕捉到，而返修時(shí)間僅有4個(gè)月。

“雖然冷凍電鏡技術(shù)非常強(qiáng)大，但更重要的是處理樣品的生化技術(shù)水平。”王隆飛告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，樣品的質(zhì)量是成敗的關(guān)鍵。“對(duì)我們來(lái)說(shuō)，樣品就像一個(gè)小朋友，有自己的喜好，就像有人喜歡待在空調(diào)房，有人喜歡待在炎熱的室外，你得摸清它的喜好，才能讓樣品保持穩(wěn)定。”

課題組成員夜以繼日地進(jìn)行不同的嘗試，幾十次的試驗(yàn)失敗讓他們倍感沮喪。論文第一作者、博士生李靜在返修階段因?yàn)閴毫μ螅藘纱尾　５灰豢祻?fù)，她就即刻返崗，繼續(xù)攻關(guān)。

轉(zhuǎn)眼到了2023年10月，越來(lái)越接近提交返修結(jié)果的最后期限。一天晚上，“守護(hù)女神”終于向他們伸出了希望之手。那是晚上10點(diǎn)，又一輪實(shí)驗(yàn)結(jié)果出來(lái)了。由于此前多次失敗，王隆飛對(duì)那次實(shí)驗(yàn)并未抱太大希望。晚上，做最后一個(gè)三維重構(gòu)的時(shí)候，他意外地發(fā)現(xiàn)里面有DNA。

這意味著他們終于搞定了。第二天王隆飛再三計(jì)算確認(rèn)后，才把這個(gè)喜訊告訴了團(tuán)隊(duì)其他成員，大家都很興奮。

經(jīng)歷了很多困難和煎熬，武漢進(jìn)入秋天，他們也迎來(lái)了久違的果實(shí)。“在《自然》系列期刊的4篇文章里，只有我們做出了含有DNA或ATP（三磷酸腺苷）的復(fù)合物結(jié)構(gòu)。基于這些結(jié)構(gòu)我們提出了Gabija系統(tǒng)的工作機(jī)制。”王隆飛告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

“對(duì)我來(lái)說(shuō)，最快樂(lè)的就是看到新東西的那一刻。”朱斌表示，在揭開未知事物真容的激動(dòng)與喜悅面前，研究過(guò)程中的痛苦微不足道。

從哈佛到武漢的合作

此次武漢大學(xué)與華中科技大學(xué)兩支團(tuán)隊(duì)的合作始于一段長(zhǎng)達(dá)10多年的友誼。

彼時(shí)，王隆飛和朱斌都在哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院生化和藥理系從事博士后研究。在紅葉簌簌落下的季節(jié)，王隆飛到朱斌工作的實(shí)驗(yàn)室借實(shí)驗(yàn)材料。交流中，他們發(fā)現(xiàn)大家都是中國(guó)學(xué)者，而且彼此志同道合、興趣互補(bǔ)。自此，兩人開展了多項(xiàng)合作。

朱斌較早回國(guó)。因?yàn)槠拮邮呛比耍约河謱?duì)生物技術(shù)感興趣，所以回國(guó)后進(jìn)入了華中科技大學(xué)。

多年后，王隆飛也準(zhǔn)備回國(guó)，具體到哪座城市，他有很多選擇。武漢大學(xué)積極邀約，雙方也達(dá)成了初步意向。電話里，朱斌也建議老搭檔來(lái)武漢，這樣又可以一起做研究。最終，王隆飛如約來(lái)到武漢，進(jìn)入武漢大學(xué)工作。2021年，王隆飛到武漢的第二天，立刻與朱斌會(huì)面。他們一見面就商量著繼續(xù)合作，利用雙方優(yōu)勢(shì)發(fā)現(xiàn)新東西。

在好奇心和個(gè)性的驅(qū)使下，朱斌喜歡做冷門研究，挖掘自然界里“稀奇古怪的東西”。獨(dú)立開展研究以來(lái)，他專注于生物化學(xué)和酶學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)了很多種新穎、奇特的核酸酶功能；而王隆飛則恰恰相反，他研究的結(jié)構(gòu)免疫學(xué)一直以來(lái)都是熱門領(lǐng)域，在國(guó)際上關(guān)注度更高。他在研究上擅長(zhǎng)揭示復(fù)雜生物系統(tǒng)的詳細(xì)分子機(jī)制。在哈佛大學(xué)時(shí)，他們就開始了密切而默契的合作。此前，他們?cè)黄鸢l(fā)現(xiàn)了海底火山病毒中一種獨(dú)特的DNA聚合酶。

在有關(guān)Gabija的研究中，朱斌團(tuán)隊(duì)需要有人幫助了解并展示Gabija系統(tǒng)的免疫和調(diào)控機(jī)制。剛剛回到武漢大學(xué)任職的王隆飛成了最理想的搭檔。

武漢光谷的一家餐廳里，朱斌為剛剛回國(guó)的王隆飛接風(fēng)洗塵。談到Gabija研究，雙方一拍即合。雙方約定，在這項(xiàng)研究中，王隆飛團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)進(jìn)行復(fù)合物結(jié)構(gòu)和調(diào)控機(jī)制上的細(xì)致探索，朱斌團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)進(jìn)行生物化學(xué)和酶學(xué)驗(yàn)證。

2020年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了CRISPR基因編輯研究，這項(xiàng)研究正是由兩位科學(xué)家合作完成的。兩位科學(xué)家中埃馬紐爾·夏彭蒂耶（Emmanuelle Charpentier）是微生物遺傳和生化領(lǐng)域的專家，詹妮弗·杜德納（Jennifer Doudna）則擅長(zhǎng)通過(guò)結(jié)構(gòu)手段揭示分子機(jī)制。王隆飛和朱斌私下都覺(jué)得，倆人的搭配很像那兩位大咖，也是一個(gè)做前端，一個(gè)做后端，通力合作，共同出成果。

“我們的合作還有很大的潛力，相信未來(lái)還會(huì)帶給大家更多驚喜。”王隆飛告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07270-x