洪靖君：與組蛋白的奇妙相遇

李明麗

人體擁有近3萬個基因，其不僅決定著人類的長相，還控制著人體中所有重要的生物過程，掌握人體健康的命脈。新的研究發現，有一種組蛋白（histone）變體H2A.Z在這些關鍵的生物過程中扮演著重要角色，它對于揭示組蛋白變體和組蛋白伴侶在染色質高級結構的調節中發揮的作用，闡明二者的生物學功能具有重要意義，為癌癥和基因研究提供了新的研究思路。

但目前對組蛋白變體H2A.Z的機理研究仍然處于起步階段，后續研究中迫切需要解決的科學問題還有很多。近10年來，中國科學技術大學生命科學院特任研究員洪靖君輾轉國內外，扎根在組蛋白變體H2A.Z關鍵問題的研究中，為徹底弄清其背后龐大復雜的生物學原理一往無前。

偶遇組蛋白

與組蛋白研究領域的接觸，開始于洪靖君在美國國立衛生研究院國家癌癥研究所從事博士后工作期間。他博士后的合作導師白雅文是組蛋白以及核小體方面的資深研究員，洪靖君也跟隨著老師一腳踏入了這個充滿未知的領域。

組蛋白是真核生物中一類進化上相對保守的蛋白質，由組蛋白八聚體及纏繞其上的DNA構成核小體結構，是真核生物染色質的基本組成單位，H2A.Z是組蛋白H2A的一類變體。酵母及哺乳動物細胞中的H2A.Z具有高度保守的序列，并且在基因轉錄、基因組穩定性維持等過程中發揮重要作用。H2A.Z通過精確定位于基因組的特定位點來改變染色質結構并實現其功能。“H2A.Z在基因組中的位置非常特別，很多研究都證明它和早期的胚胎發育相關，所以說它的生物學意義是很重要的。”盡管科學家知道H2A.Z很特殊，但是它是如何在染色質中進行精準定位的呢？這仍然是一個未解的謎團。

洪靖君通過對相關文獻的調研得知，美國國立衛生研究院分子細胞生物學實驗室主任吳以仲院士也在進行組蛋白變體H2A.Z的研究，于是主動聯系了對方，開展解開H2A.Z更多謎團的后續合作。洪靖君介紹：“吳以仲院士做的是遺傳學方面的研究，而我們是從結構生物學入手對H2A.Z進行研究。”

經過研究，洪靖君確定了催化亞基Swr1區域（599-627）是識別組蛋白的關鍵結構域，該區域被稱為Swr1-Z，他還解析了在1.78埃分辨率下它與H2A.Z-H2B的復合物晶體結構。通過對晶體結構的詳細分析，發現Swr1-Z能夠特異識別H2A.ZC-末端螺旋，區別于常規H2A的特殊氨基酸序列特征。此外，體外研究表明Swr1-Z可以通過組蛋白伴侶機制將H2A.Z-H2B二聚體傳遞到DNA-（H3-H4）2四聚體形成核小體，而體內研究表明Swr1-Z具有重要的生物結構功能。對Swr1如何識別H2A.Z-H2B二聚體的第一個結構，洪靖君的研究成果提供了一些見解，闡明了組蛋白特異的伴侶如何精確地識別組蛋白變體，并將它們帶到染色質基因組中的特定位置。因為在多數基因中，這個高度保守的組蛋白變體H2A.Z標記轉錄起始位點對于后生動物的早期發育、誘導分化等起重要作用。如果H2A.Z在染色質中不能被正確定位，將增加人類包括癌癥在內的疾病，該結果也為基于該結構的癌癥藥物設計鋪平道路。該項研究成果于2014年發表在國際頂級學術刊物Molecular Cell上，洪靖君為第一作者。

盡管取得了非常讓人滿意的研究成果，但研究的過程卻沒有那么順利，洪靖君光是解結構這個步驟就反復經歷了多次。“解結構時，一開始的分辨率是2.4埃左右，而我們認為這還不夠好，又將分辨率優化至1.7埃左右。”關于這些小故事的背后艱辛，洪靖君一直說得很輕描淡寫，但正是有了這些反復實驗的積淀，才有了最后如此優秀的成果。

在得到了如此重要的成果后，洪靖君并沒有停下研究的腳步，他將目光投向了組蛋白H3變體的研究，這是同樣能導致癌癥和出生缺陷的重要組蛋白變體。

新的發現

著絲粒（centromere）特異的H3變體CenH3是組蛋白H3家族成員中重要的變體蛋白，哺乳動物來源的CenH3稱為著絲粒特異蛋白CENP-A。著絲粒位于真核生物染色體的特定位置，并且具有特殊的DNA組成方式，其作用是控制細胞分裂過程中染色質均勻分布到子代細胞，從而保證每個子代細胞生存所必需的遺傳物質。CenH3的蛋白序列與其他H3組蛋白家族成員的蛋白質序列有顯著差異，這表明CenH3的序列差異與其特有的生物學功能有一定關系。但是，CenH3如何確定著絲粒精準地定位并保持其形成呢？這些懸而未決的科學問題推動了洪靖君研究的不斷深入。

通過結合冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）、生物化學和細胞生物學等交叉學科，洪靖君與美國國立衛生研究院國家癌癥研究所的同事們為解決著絲粒細胞分裂這一關鍵問題提供了新的研究思路。“我們發現了著絲粒特異蛋白CENP-N對CENP-A核小體的識別機制，這是一種選擇性的識別機制，十分特殊。”洪靖君告訴記者，進化的壓力使著絲粒發生了明顯的變化，因此像CENP-N這樣的著絲粒蛋白必須“與時俱進”，以確保準確無誤的細胞分裂。洪靖君的研究成果用冷凍電鏡解析了動粒蛋白CENP-N識別CENP-A核小體復合物結構，提出并證明CENP-A/CENP-N共進化假說，奠定了著絲粒核小體的基礎，生理意義非同一般，并為人類最終完全了解該過程，開發治療相關癌癥的新方法提供了線索。2017年12月21日，世界權威學術期刊Science發表了相關研究成果，2017年度“科學十大突破（Breakthrough of the year，2017）”視屏版也引用了該研究成果。

“非常曲折”是洪靖君用來形容這項研究成果的詞語。“由于實驗所需蛋白的結構非常不穩定，使純化的過程變得十分困難。”蛋白的不穩定，使洪靖君最終純化出了一種完全錯誤的蛋白質，還是一種與實驗中所需蛋白極為相似的錯誤蛋白。更讓洪靖君無奈的是，這個極其相似的錯誤蛋白分辨率也非常好，可以達到1.2埃，但卻是一件無用功。“當時當然很傷心啊，但是我對自己說沒關系，一切不過是重新開始。”洪靖君良好的心態穩住了傷心失望的情緒，他打起精神從零開始優化實驗框架，重新投入新的純化實驗。付出的時間和努力最終都沒有辜負洪靖君，他得到了很好的研究成果。

新的征途

2018年9月，洪靖君回到了闊別已久的母校——中國科學技術大學，擔任生命科學與醫學部的特任研究員和合肥微尺度物質科學國家研究中心研究員，繼續從事組蛋白與核小體相關科學領域的研究。

過往研究組蛋白的經歷為洪靖君積累了很多經驗知識，他的研究重點仍放在了組蛋白變體H3上。一些研究表明，組蛋白變體H3.3在基因轉錄調控和細胞發育分化過程中表現出不同于常規組蛋白H3的功能。哺乳動物中編碼H3.3的H3F3A和H3F3B基因突變與一些兒童及青年人腫瘤，例如小兒高級別腦膠質瘤、軟骨母細胞瘤和骨巨細胞瘤有關聯。但目前對于這些組蛋白突變的致癌機制總的來說還不是很清楚。這些研究發現引起了洪靖君的研究興趣，“我們都知道兒童膠質瘤是非常難治的，如果能研究出組蛋白變體H3.3的致癌機制，就能為未來兒童腫瘤治療帶來新的希望”。

除注重科研外，洪靖君還對學生的培養有自己的見解。洪靖君贊同一位中科院博導發表在《學術觀察》上的觀點，“學術研究當以笨功夫做科研，才可能出卓越成果”，這個洪靖君自己深有體會。他堅信“寶劍鋒從磨礪出，梅花香自苦寒來”，希望青年學生既能“動腦”，又能“動手”，既能獨立思考，又能吃苦耐勞，如此才能取得一番成績。

未來，洪靖君打算組建一支由自己帶領的獨立科研團隊。“我過去取得的成果，不是靠一個人的力量就可以完成的，都是和其他人一起合作，一起探討，一起做出來的成果。”洪靖君深知科學研究不是單打獨斗，好的合作才是基礎。細胞與癌癥的關系是人類一直需要面對的問題，未來，還會有什么新的研究突破出現，尚未可知。不過，洪靖君會一直保持著探索組蛋白的初心，為人類生命科學的事業貢獻自己的力量。