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身在诺奖得主云集的实验室,她,却没有获得诺奖……

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分子生物学家丹妮拉·罗兹(Daniela Rhodes)是染色质生物学的先驱、核小体晶体学的开拓者,在端粒(染色体末端)结构研究上做出卓越贡献,曾获得2023年世界顶尖科学家奖“生命科学或医学奖”。

她在接受《分子细胞》(Molecular Cell)等专访时,不仅科普其研究发现,介绍其发展历程,还向我们展示了英国医学研究理事会(MRC)分子生物学实验室(LMB)的科研文化。

她的分享让我们得以看到优质科研环境是如何滋养与托举研究者的。(本文编译了部分访谈内容。)


2026年10月30日至11月1日,丹妮拉·罗兹将出席世界顶尖科学家论坛。

Q:众所周知,您是染色质生物学的先驱人物、核小体晶体学的开拓者,以原子分辨率解析了核小体结构。从某种意义上说,您的工作塑造了学界对核小体结构、功能以及染色质组织方式的理解。您当初为何选择投身这些科研方向?又是什么让您始终对此充满兴趣?

A:

对DNA结构及其在染色质纤维中包装方式的研究兴趣,很大程度上来自对tRNA(转运RNA)晶体结构的研究经历。

1974年,酵母苯丙氨酸tRNA的结构被首次解析,这是首个利用X射线晶体学以原子分辨率解析的核酸结构。

我看到tRNA的电子密度图时,能清晰观察碱基配对、双螺旋区域以及核糖‑磷酸骨架的锯齿状走向,自此深深迷上了核酸结构,心想:1953年那几篇关于DNA结构的开创性论文,所提出的结论完全正确![DNA的首个晶体结构直到1981年才由迪克森(Richard E. Dickerson)与德鲁(Horace R. Drew)获得。]

1970年代初,我与罗杰·科恩伯格(Roger Kornberg,2006年诺贝尔化学奖得主,世界顶尖科学家协会主席)在同一间实验室工作,亲历了核小体被证实为染色体基本结构单元的全过程。

当时已经明确,染色质由重复的核小体单元组成,或者说,染色质包装的一级结构是核小体串珠,而核小体的核心颗粒则是组蛋白八聚体以及缠绕其上的DNA;但低分辨率手段不足以呈现精确的DNA走向。


由于我有tRNA相关研究基础,导师亚伦·克鲁格(Aaron Klug,英国分子生物学家,1982年诺贝尔化学奖得主)便要我尝试解析核小体核心颗粒的晶体结构。1984年,我们解析出分辨率为7埃(Å)的晶体结构,并由此阐明——145个碱基对的DNA究竟是如何缠绕于组蛋白八聚体上从而形成两圈超螺旋的。

这个简洁又精巧的结构随即引出一系列问题:作为一级结构的核小体串珠,会如何组装成更高级的结构?其折叠与解折叠又如何受连接组蛋白与组蛋白修饰的调控?DNA序列是否影响核小体定位?转录因子这类蛋白质如何识别DNA结合位点?

通过结合生物化学与X射线晶体学技术,我们与其他团队证实:DNA不仅携带遗传信息,还具备一种序列依赖性结构,该结构被转录因子等蛋白质“读取”,从而实现序列特异性结合。

近些年,冷冻电镜等新技术可针对以DNA为底物的蛋白复合物开展高分辨率分析。我们曾利用单颗粒冷冻电镜解析一种新型染色质结构,以求解释端粒为何是DNA损伤热点。冷冻电子断层成像与荧光显微镜的技术结合,使观测细胞核内特定区域的染色质组织方式成为可能,也催生出一大批全新的科学问题。

Q:您在分子生物学的诸多方面都做出重大贡献,其中端粒研究格外引人关注。端粒与衰老、癌症存在密切关联。您可否用通俗语言介绍端粒以及端粒研究历史?

A:

病毒拥有环状基因组,不需要保护自身遗传物质;而包括人类在内的许多物种的染色体皆为线性。线性染色体的末端必须受到保护,以免遭DNA损伤。

这种起保护作用的“帽子”结构最早于1930年代末被发现:首先是赫尔曼·穆勒(Herman Muller)的果蝇研究,之后是芭芭拉·麦克林托克(Barbara McClintock)对玉米的观察。麦克林托克发现,玉米染色体必须具备末端,必须加帽,否则会发生染色体融合。

端粒的分子生物学时代始于1978年莉兹·布莱克本(Liz Blackburn)成功测序四膜虫的端粒。她证实端粒含有独特的DNA重复序列。

在那以前,詹姆斯·沃森(James Watson)曾提出假说:每一次细胞分裂,当DNA复制时,染色体末端都会丢失一小段序列。因此必然存在逆转录酶活性来修复端粒末端。

多年后,布莱克本利用端粒DNA序列,找到了这种逆转录酶,也就是端粒酶的RNA组分,并于1989年发表论文介绍该成果,后来凭此斩获诺贝尔奖。此后,科学家的研究对象从四膜虫进阶至酵母,最终转向哺乳动物。

奇妙的是,无论是简单生物还是人类的端粒,都由富含G(鸟嘌呤)的重复序列构成。人类端粒的重复序列是TTAGGG(T代表胸腺嘧啶,A代表腺嘌呤),重复序列总长度可达1万个碱基对。这就引出新问题:哪些蛋白质结合这段特殊的DNA序列,从而形成端粒加帽结构?

Q:这项疑问是否与您选择端粒研究有很大关系?能否聊聊您在这方面的工作?

A:

没错。我进入端粒领域算是机缘巧合。成功解析核小体核心颗粒的晶体结构后,我曾研究以锌指为代表的DNA结合蛋白,但我希望重回染色质方向,进一步揭示染色质如何发挥功能。

染色质将DNA包装进染色体,因此,所有以DNA为底物的细胞过程都离不开染色质。被包装的DNA折叠,在复制、转录等特定时刻,必须被解开包装、暴露出来。

当时我正研究一种名为RAP1(阻遏/激活蛋白1)的酵母蛋白,它既是转录因子,又参与基因沉默。我原本想通过RAP1来理解基因表达调控,却发现它其实是芽殖酵母最主要的端粒结合蛋白。我意识到,RAP1研究就是端粒研究。不久后大家发现,端粒附近的基因相比染色体内部的,会受到更强的抑制。

鉴于我曾解析过多种转录因子的三维结构,比如雌激素受体(能结合特定DNA元件从而调控基因表达),那么,用同样的结构生物学方式揭示端粒结合蛋白、阐释端粒功能,似乎也是顺理成章。于是,那些结合端粒重复序列的蛋白质成为我的研究对象,而研究体系从酵母转向人类。

之后我与蒂蒂娅·德·朗格(Titia de Lange)合作,率先测定了人类端粒蛋白的三维结构。

Q:有哪些人曾深刻影响您的科研生涯?

A:

对我影响最大的人是我的导师亚伦·克鲁格。我与他密切合作长达数十年。从他给我生涯第一个职位(技术员),到带我走入结构生物学领域,引领我观察tRNA晶体结构、解析DNA分子如何被组装进细胞核内的染色体……我从导师身上学会了思考科学问题的方式。他治学极为严谨、挑剔,标准极高。

1982年,亚伦获得诺贝尔化学奖,获奖原因是他奠定了晶体电子显微镜技术的基础,而我们正是利用该技术解析了染色质的三维结构。

我同样感激马克斯·佩鲁茨(Max Perutz,1962年诺贝尔化学奖得主)。作为英国医学研究理事会(MRC)分子生物学实验室(LMB)的创始主任,佩鲁茨创造了一个远离行政束缚的理想科研环境。克里克、沃森曾分别是他的研究生和博士后。在马克斯与亚伦的帮助下,我完成博士学业,之后又在LMB获得独立职位。

Q:能否分享一下您在不同科研机构体验到的科研环境、氛围的差异?

A:

我在MRC分子生物学实验室工作了40年。LMB是我心中独一无二的科研圣地,也是世界上第一家名字里有“分子生物学”的科研机构。

LMB由英国医学研究理事会集中资助,科研人员无须申请课题基金。创立者马克斯·佩鲁茨善于招揽人才。那时还没有分子生物学这门学科,加入者大多为物理学家或化学家。弗朗西斯·克里克原本是物理学家,我的导师亚伦·克鲁格亦然,两度获得诺奖的弗雷德里克·桑格(Frederick Sanger)则是化学家。

在LMB,大家不讲究头衔,而重视开放、交流和平等。当我们彼此沟通时,只须称呼对方的名字——从保洁人员到研究所主任皆是如此。

课题组规模很小,理念则是课题组负责人也要从事一线实验。1962年,佩鲁茨拿到诺贝尔奖,之后继续在实验台前工作了30年。2002年,这位89岁高龄却仍充满激情的分子生物学家在投递完人生最后一篇论文的6周后与世长辞。

LMB没有等级制度,你的工作质量与科研想法是最重要的。无论是最年轻的学生还是技术员,每一名研究者都要参加组会,介绍进展。这近乎理想主义,却也带来斐然成果:有13位诺奖得主在LMB完成了自己的获奖成果,还有10名获奖人曾在此工作。

令人感慨的是,众多政府部门和科研机构似乎都没意识到:要做出了不起的科研,科研人员必须拥有科研的自由,拥有施展才华的空间。

Q:您会向年轻的科学家们分享哪些观念或建议?

A:

仍有无数科学问题等待我们去解答。弗朗西斯·克里克曾说:“我认为詹姆斯·沃森和我的最主要贡献,在于选对了问题并且坚持钻研。诚然,我们是在摸索中意外收获了宝藏,但一切的前提是我们本就在寻找宝藏。”

请不要只追热点潮流,也请不要受限于条条框框,勇敢提出原创性的问题,并坚持探寻直至找到答案。

做科研从来不轻松,发自内心的热爱会是你最大的动力。对我来说,即便是小发现小进展,也会带来莫大成就感。

资料来源:


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