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“不过是赶巧了，实际上我们这两项工作都‘磨’了很多年。”提及在一个月内连发两篇顶刊论文，明升官网明升体育app院分子植物明升体育app卓越创新中心研究员张余一语道出科研背后的艰辛。

过去十几年，张余带领团队以噬菌体、细菌、酵母和植物细胞核与细胞器为研究对象，探索了转录在基因表达、DNA修复等过程中的多项重要功能和机制。近年来，该团队每年都会收获一两篇CNS（《细胞》《自然》《明升体育app》）论文。对此，张余认为从事基础研究应专注某个领域做“单项冠军”，沉下心去“挖一口深井”。

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张余。受访者供图

一月两篇顶刊

3月1日，《细胞》在线发表两篇关于叶绿体基因转录机制研究的论文。其中，来自明升官网明升体育app家的论文被选为当期封面。

在这项研究中，张余团队和华中农业大学副教授周菲团队合作，解析烟草叶绿体RNA（核糖核酸）聚合酶复合物的电镜结构，揭示了叶绿体基因转录机器的亚基组成、亚基组装方式、特殊功能和功能适应性演化。

“生物细胞中有9类RNA聚合酶备受关注，叶绿体RNA聚合酶的完整结构和功能机制迟迟未能被解析，是‘最后一块拼图’。”张余解释说，“因此，该研究为进一步探索叶绿体基因转录机器的工作模式、理解叶绿体基因表达调控方式，以及改造叶绿体基因表达调控网络打下了基础。在合成生物学应用层面，为植物叶绿体生物反应器的效率提升提供了着手点，助力重组疫苗、重组蛋白药物和天然产物的生产。”

3月28日凌晨，张余团队又在《自然》发表论文，解析了酵母细胞mRNA（信使核糖核酸）转录终止状态的复合物结构，揭示了核酸外切酶介导mRNA转录终止的分子机制，对进一步理解基因转录的工作机制具有重要意义。

“如果将DNA比作‘硬盘’，存储在DNA上的遗传信息可看作‘数据’。遗传信息在基因上一条条整齐排布，聚合酶起作用时，像执行CPU的指令一样，准确识别硬盘不同‘磁区’并将信息‘读’（转录）出来。上一条信息‘读’完了，如果不能正常终止，就会干扰下游基因表达，影响基因组稳定等重要过程。”张余补充说，“因此，从基础研究层面说，弄清转录终止机制非常有价值。”

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张余（左）和曾媛。 受访者供图

少人问津的重要问题

生物学研究中有个“中心法则”，它描述了从DNA到RNA的转录过程，以及从RNA到蛋白质的翻译过程。其中转录过程又分为“起始、延伸和终止”三个步骤，过去数十年间，明升体育app家对前两步的关注较多，相关机理也研究得比较清楚，但转录终止机制研究却少人问津。

“虽然也有学者提出过多个转录终止机制模型，但是具体的机制尚存争议。”该论文第一作者、张余团队成员曾媛解释说，“可能转录终止机制研究相对复杂，研究起来困难重重，所以投身其中的研究者并不多。”

据介绍，转录终止是动态过程，它很快出现、迅速消失，难以捕捉；而且，起转录作用的聚合酶是复合物，有多个蛋白一起发挥功能，因此“非常不稳定，研究难度很大”。

尽管困难重重，但转录终止研究非常重要。简单说，遗传信息要发生翻译必须经过转录过程。如果人们完全了解转录机制，下一步就可以进行基因表达的控制，进而在合成生物学的应用中更好地设计基因线路、更精确地控制基因表达。比如，有些疾病可能和基因转录终止异常有关，如果了解转录终止机制，就有可能帮助人们对这类疾病进行诊断和治疗。

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复合物结构（左模式图，中和右复合物结构图）。 受访者供图

纠结很久的生化实验

“这项研究中，我们用结构生物学方法搞清楚了转录终止的机制。”曾媛说，从2020年开始，该团队就明确了研究方向，但实际研究过程“困难还挺多”。

该研究的亮点工作之一是“拿到”一种聚合酶复合物。实际上，研究开始不久，团队就得到了这种聚合酶复合物，这让团队成员非常兴奋。

“我们的日常工作比较单调，为数不多的开心时刻就是实验中验证了某个问题或得到某种东西。”曾媛补充道，“刚得到这种聚合酶复合物的时候大家都挺高兴，但很快就发现这种结构的分辨率不高，想观察的地方观察不到。”

刚出现一线曙光，新问题就接踵而至。如何提高这种聚合酶复合物的分辨率成了团队要解决的头号难题。尝试了很久，研究团队才创造性地通过加入另一个蛋白，来提高复合物的稳定性。

得到稳定的聚合酶复合物后，团队还要用实验证明这种复合结构的终止活性。从而验证该模型的有效性。

在进行复合物结构分析时要用到冷冻电镜，但该实验室没有相关仪器，曾媛数次从上海到北京去收集数据。有一次计划要到北京做实验，但正好遇上台风，上海到北京的所有交通工具停运。为躲避台风，研究人员不得不提前两天赶到北京，但因为中途折腾太久，样品不过关，曾媛临时通知实验室的一个师弟重新送样品过去，但结果依然不理想。

“这样的经历很多，其中有个生化实验‘折磨’了我们很久，一直做不出来。”曾媛说，“转录终止蛋白必须有终止活性，但我们在生化实验中发现，它的转录终止活性一直很低。”

直到2023年6月，曾媛在阅读最新版文献时，看到有研究人员通过测试很多序列，发现在基因下游有个比较保守的序列。

“保守序列是指不同基因有一段相似的序列、有一定共性。这让我们想到它有可能是提高转录终止效率的关键。”曾媛解释说。

受此启发，团队将这段序列应用到新实验发展体系中，最终证明了聚合酶复合物在该体系下的转录终止活性。

经历大半年的实验验证，研究团队终于为这一转录终止模型给出了合理的解释。

表面上看，张余团队在20多天时间里先后发表两篇顶刊。实际上，关于叶绿体基因转录机制的研究他们“死磕”了8年，最近在《自然》发表的酵母细胞mRNA转录终止机制研究也“磨”了5年多。

“基础研究过程相对枯燥，所以研究者一定要沉下心来，专注于某个领域做‘单项冠军’。”张余说，“这有点像挖井，不要总跟在别人后面挖，也不能浅尝辄止，挖很多口‘浅井’。我们要自己找准地方，坚持不懈挖下去，最终才能取得满意的结果。”

相关论文信息：

http://doi.org/10.1016/j.cell.2024.01.026

http://doi.org/10.1038/s41586-024-07240-3