■本報記者 李思輝 實習(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女神。

在自然界中，開神以Gabija守護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。守護女神

近日，攜秘面武漢大學(xué)教授王隆飛團隊與華中科技大學(xué)教授朱斌團隊聯(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)抗噬菌體工作機制。

根據(jù)慣例，守護女神對于具有影響力的攜秘面重要研究成果，《自然》會在排版之前，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。”王隆飛告訴《中國科學(xué)報》。

“守護女神”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很簡單。它僅由GajA和GajB兩個基因組成，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團隊的文章中，Gabija元件的酶學(xué)功能、抗病毒機制等都沒有得到揭示。

“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的工作機制首次被該團隊發(fā)現(xiàn)并驗證。此后，又經(jīng)過兩年多的努力，他們使GajB的工作機制浮出了水面。

Gabija像剪刀一樣，切割病毒的DNA（脫氧核糖核酸），但這把“剪刀”的工作機制與此前發(fā)現(xiàn)的其他“剪刀”不同。“病毒進入細(xì)菌之后，會自動復(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，便開始運用‘剪刀’把病毒殺死。而GajA切割下來的DNA末端，可以繼續(xù)刺激GajB，反過來把NTP水平降低。兩者效果互補，形成了正反饋的作用機制。”朱斌告訴《中國科學(xué)報》。

發(fā)現(xiàn)“新東西”的苦樂

揭開“守護女神”面紗的過程，也是不斷迎接挑戰(zhàn)、不斷攀登的過程。2018年，研究團隊通過計算機分析的方法對Gabija系統(tǒng)的功能及工作機制進行了預(yù)測。然而，通過研究，團隊發(fā)現(xiàn)這兩個酶的活性不同于預(yù)測結(jié)果，是前所未知的。“這個研究是全新的，沒有人做過，我們相當(dāng)于是從零開始。”朱斌說。

2021年朱斌課題組揭示Gabija防御系統(tǒng)的核心酶功能后，Gabija免疫機制受到國際上相關(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)合團隊開展更進一步探索的同時，國際上已有4個團隊在做類似的研究，并且都開始向《自然》投稿。“他們的論文評審進度比我們快，這讓我們的工作節(jié)奏更緊張了。”朱斌說。這種緊張不難理解：一般情況下，同樣主題的文章《自然》只會接收一篇，因此競爭非常激烈。

美國哈佛大學(xué)的一個權(quán)威團隊在2023年4月中旬向《自然》投了稿。“我們比他們晚了兩個月，是6月中旬投出去的。”王隆飛說，兩個團隊相當(dāng)于“背靠背”地進行了投稿工作。

“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，團隊提供的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，而返修時間僅有4個月。

“雖然冷凍電鏡技術(shù)非常強大，但更重要的是處理樣品的生化技術(shù)水平。”王隆飛告訴《中國科學(xué)報》，樣品的質(zhì)量是成敗的關(guān)鍵。“對我們來說，樣品就像一個小朋友，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行不同的嘗試，幾十次的試驗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為壓力太大，生了兩次病。但只要一康復(fù)，她就即刻返崗，繼續(xù)攻關(guān)。

轉(zhuǎn)眼到了2023年10月，越來越接近提交返修結(jié)果的最后期限。一天晚上，“守護女神”終于向他們伸出了希望之手。那是晚上10點，又一輪實驗結(jié)果出來了。由于此前多次失敗，王隆飛對那次實驗并未抱太大希望。晚上，做最后一個三維重構(gòu)的時候，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算確認(rèn)后，才把這個喜訊告訴了團隊其他成員，大家都很興奮。

經(jīng)歷了很多困難和煎熬，武漢進入秋天，他們也迎來了久違的果實。“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)的工作機制。”王隆飛告訴《中國科學(xué)報》。

“對我來說，最快樂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與喜悅面前，研究過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)兩支團隊的合作始于一段長達10多年的友誼。

彼時，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驗室借實驗材料。交流中，他們發(fā)現(xiàn)大家都是中國學(xué)者，而且彼此志同道合、興趣互補。自此，兩人開展了多項合作。

朱斌較早回國。因為妻子是湖北人，他自己又對生物技術(shù)感興趣，所以回國后進入了華中科技大學(xué)。

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

在好奇心和個性的驅(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”。獨立開展研究以來，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)一直以來都是熱門領(lǐng)域，在國際上關(guān)注度更高。他在研究上擅長揭示復(fù)雜生物系統(tǒng)的詳細(xì)分子機制。在哈佛大學(xué)時，他們就開始了密切而默契的合作。此前，他們曾一起發(fā)現(xiàn)了海底火山病毒中一種獨特的DNA聚合酶。

在有關(guān)Gabija的研究中，朱斌團隊需要有人幫助了解并展示Gabija系統(tǒng)的免疫和調(diào)控機制。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，在這項研究中，王隆飛團隊負(fù)責(zé)進行復(fù)合物結(jié)構(gòu)和調(diào)控機制上的細(xì)致探索，朱斌團隊負(fù)責(zé)進行生物化學(xué)和酶學(xué)驗證。

2020年諾貝爾化學(xué)獎授予了CRISPR基因編輯研究，這項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）則擅長通過結(jié)構(gòu)手段揭示分子機制。王隆飛和朱斌私下都覺得，倆人的搭配很像那兩位大咖，也是一個做前端，一個做后端，通力合作，共同出成果。

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

相關(guān)論文信息：

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