李國紅：科學熱情引導我的科學道路

編者按

本期「表觀人」欄目嘉賓是來自中科院生物物理研究所的李國紅研究員，李國紅研究員是中科院「百人計劃」研究員，曾獲得國家傑出青年基金，並於2017年入選霍華德休斯國際研究學者。

李國紅研究員大事記

1991年，武漢大學病毒系，獲理學學士學位

1995年，

北京醫科大學生物物理系，獲理學碩士學位

1998年，

德國馬普細胞生物學研究所/海德堡大學生物系，獲博士學位

2003年，

美國霍華德休斯醫學研究院（HHMI），博士後

2010年，

中國科學院生物物理研究所，中科院「百人計劃」研究員，博士生導師

2015年，獲得國家傑出青年基金

2017年，入選HHMI國際研究學者

獨立後代表性成果

1. Wei Li*, Ping Chen*, Juan Yu, Liping Dong, Dan Liang, Jianxun Feng, Jie Yan, Peng-Ye Wang, Qing Li, Zhiguo Zhang, Ming Li? andGuohong Li?. FACT Remodels the Tetranucleosomal Unit of Chromatin Fibers for Gene Transcription.Mol. Cell64(1), 120-133. (2016) (*Equal contribution, ?Corresponding author)

2. Qian Zhao*, Jiqin Zhang*, Ruoyu Chen*, Lina Wang*, Bo Li, Hao Cheng, Xiaoya Duan, Haijun Zhu, Wei Wei, Jiwen Li, Qihan Wu, Jing-Dong J. Han, Wenqiang Yu, Shaorong Gao,Guohong Li? and Jiemin Wong?. Dissecting the Precise Role of H3K9 Methylation in Crosstalk with DNA Maintenance Methylation in Mammals.Nature Communications(Online, 2016)

3. Qianglin Fang*, Ping Chen*, Mingzhu Wang, Junnan Fang, Na Yang,Guohong Li?, and Rui-Ming Xu?. Human cytomegalovirus IE1 protein alters the higher-order chromatin structure by targeting the acidic patch of the nucleosome.Elife5(Pii), e11911 (2016)

4. Junnan Fang, Yun Wei, Yuting Liu, Wenqiang Deng, Zhouliang Yu, Li Huang,Yan Teng,Ting Yao, Qinglong You, Haihe Ruan, Ping Chen, Rui-Ming Xu, andGuohong Li. Structural Transitions of Centromeric Chromatin Coordinate the Cell Cycle-dependent Recruitment of CENP-N.Genes and Development29(10), 1058–1073 (2015).

5. Zhouliang Yu*, Xiang Zhou*, Wenjing Wang, Wenqiang Deng, Junnan Fang, Hao Hu, Zichen Wang, Shangze Li, Lei Cui, Jing Shen, LinhuiZhai, Shengyi Peng, Jiemin Wong, Shuo Dong, Zengqiang Yuan, Guangshuo Ou, Xiaodong Zhang, Ping Xu, Jizhong Lou, Na Yang, Ping Chen, Rui-Ming Xu, andGuohong Li. Dynamic phosphorylation of Ser68 orchestrates the cell cycle-dependent deposition of CENP-A at centromeres.Developmental Cell32(1), 68-81 (2015)

6. Feng Song*, Ping Chen*, Dapeng Sun, Mingzhu Wang, Dan Liang, Ruiming Xu, Ping Zhu? andGuohong Li?. Cryo-EM study of the chromatin fiber reveals a double helix twisted by tetra-nucleosomal units.Science344(6182), 376-380. (Research article, 2014)

7. Ping Chen*, Jicheng Zhao*, Yan Wang*, Haizhen Long, Dan Liang, Haiyong Zhao, Zengqi Wen, Wei Li, Xia Li, Li Huang, HongliFeng,Ping Zhu, Ming Li, Qainfei Wang, andGuohong Li. H3.3 actively marks enhancers and primes gene transcription via opening higher-ordered chromatin.Genes and Development, 27(19), 2109-2124. (2013)

8. Chao-pei Liu*, ChaoyangXiong*, Mingzhu Wang, Zhouliang Yu, Na Yang, Ping Chen, Zhiguo Zhang,Guohong Li?and Rui-Ming Xu?. Structure of the variant histone H3.3-H4 heterodimer in complex with its chaperone DAXX.Nature Structural and Molecular Biology19(12), 1287-1292. (2012)

在高等生物個體的發育和生長過程中，細胞通過調控細胞核內染色質高級結構的動態變化來有選擇性地進行基因的激活和沉默，從而控制細胞自我維持或定向分化，決定細胞的組織特異性和細胞命運。染色質結構的高度動態變化在基因沉默和轉錄激活過程中起重要作用，從而為表觀遺傳提供一個重要的信息整合平台。一方面，核小體摺疊形成結構緊密的高級結構30nm染色質纖維，導致基因沉默；另一方面，基因激活過程中的關鍵步驟則是30nm染色質纖維的解聚和重塑，從而使各種轉錄因子及轉錄機器可以接近DNA。

1976年以來，科學界對於30nm染色質高級結構猜測主要有螺線管模型和Zigzag模型兩種，但直到30多年後的2014年4月25日，中科院生物物理所李國紅組和朱平組在Science發表了長篇研究論文，利用冷凍電鏡單顆粒三維重構方法率先解析了30nm染色質纖維的高解析度三維結構，揭示了30nm染色質纖維以四核小體為結構單元，各結構單元之間通過相互作用和扭曲，進一步摺疊形成一個和DNA右手雙螺旋類似的左手雙螺旋高級結構。其中四核小體結構單元內，核小體是以Zigzag構象進行摺疊，這為two-start的Zigzag模型提供了直接證據，為攻克30 nm染色質纖維高級結構這一重大科學問題打下堅實基礎。該成果發表後，在學術界引起了轟動並受到廣泛關注，先後入選最新版的世界著名的生物化學教科書「Fundamentals of Biochemistry: Life at the Molecular Level」和「Lehninger Principles of Biochemistry」。攻克這個科學難題的背後，是數十年的積累和不懈的挑戰，在本篇採訪中，李國紅老師和23Plus分享了他對科學的熱情和探索之旅。

示意圖：30nm染色質高級結構

研究方向的華麗轉身

23Plus：您在武漢大學病毒學完成本科學業，碩士階段，您在北京醫科大學生物物理系研究細胞骨架蛋白輔肌動蛋白（alpha-Actinin）與細胞膜的相互作用及其調控機理，隨後在德國馬普細胞生物學研究所師從Peter Traub教授，研究細胞骨架蛋白中等微絲蛋白與DNA的相互作用，2003年夏才到了Danny Reinberg實驗室研究表觀遺傳學與真核基因轉錄調控。這一路走來，似乎您的研究方向發生了很大的轉變，您是怎麼完成一次次的華麗轉身呢？

李國紅：其實這些研究方向的轉變是一個非常線性的過程，碩士階段，我們在研究輔肌動蛋白（alpha-Actinin）與細胞膜的相互作用過程中，我們意外發現魚精蛋白能夠直接與輔肌動蛋白（alpha-Actinin）相互作用。這個發現很意外，於是我們繼續研究發現輔肌動蛋白（alpha-Actinin）也能夠與核心組蛋白相互作用，表明細胞骨架蛋白可能具有結合染色質的能力，從而可能參與基因轉錄調控。

這個發現使我的研究興趣一下子從細胞骨架與細胞膜轉到染色質與基因轉錄調控方向上。因此，我選擇了去德國馬普細胞生物學研究所的Peter Traub教授實驗室攻讀博士學位，Traub教授一直在研究細胞骨架蛋白中等維絲在基因轉錄調控中的功能。我在德國馬普所攻讀博士期間，在生物化學和生物物理學方面得到很好的系統化訓練，並發現第三類中等微絲蛋白vimentin能夠特異地識別和結合一些特異結構的DNA（比如左手螺旋Z-DNA、Triplex DNA、Holliday Junction DNA、G4-DNA等）。博士階段的學習讓我對染色質結構與基因轉錄調控更加感興趣了，希望在博士後訓練階段，找一個真正從事染色質結構與基因轉錄調控的實驗室。因此，我聯繫了美國新澤西醫科大學的Danny Reinberg實驗室，希望能夠有機會去Danny實驗室完成博士後階段的訓練。由於我在生物物理學方面的研究背景（特別是電鏡方面的經驗），我很幸運地獲得了Danny的認可，於2003年6月份開始在Danny實驗室開始博士後訓練。由於細胞骨架和染色質纖維的研究手段有諸多的相似之處，所以回過頭來看，這也是一個一脈相承的轉變過程，當然也是一個很有機遇的過程。

研究經歷的堅持動力

23Plus：您提到在博士階段的研究經歷，據我們所知，那時候您的研究方向是比較冷門的領域，可能會遇到比較多的挑戰也很難獲得同行的認可，您是如何堅持自己的科學熱忱的呢？

李國紅：我認為在做科研的過程當中，特別是在研究生階段中（包括碩士和博士），受到的科研訓練是最重要的，這個比你發什麼文章更加重要。德國人做事認真嚴謹是世界公知的，我從我的導師Traub教授身上更是深深體會到了這點。我作為Traub教授的關門弟子，Traub教授給予了我很多幫助和支持，但是他對我也非常嚴厲。我在他德國的實驗室受到了非常嚴格的科研訓練，養成了非常好的工作習慣，同時對自己未來的科研興趣和職業規劃有了非常清晰的認識，這些為後來的研究打下堅實基礎。在博士期間，我雖然沒有在高端雜誌上發表文章，但是我在這段時間打下了紮實的生物化學和生物物理學理論基礎和實驗技能，特別是提高了獨立工作的能力，包括分析問題和解決問題的能力。由於我們當時的研究是非主流方向，對於細胞骨架的基因轉錄調控功能不被學術界廣泛接受，所以這段研究經歷讓我能夠從Traub教授身上學到很多東西，比如怎樣在不被大家認可的領域堅持幾十年。另外，這段德國的留學經歷，也使我養成了嚴謹的治學態度，並激發了我對科學未知世界不斷探索的興趣。

23Plus：您博士後階段在Danny Reinberg的實驗室，這是世界一流水平的大實驗室，您在裡面完成的也是非常有挑戰性的工作，可想而知，所面對的壓力是驚人的，您是怎麼「survive」下來的呢？

李國紅：Danny實驗室主要是研究真核基因轉錄的調控機制，他在表觀遺傳學與真核基因轉錄調控方面取得了許多重要成就，是世界上基因轉錄和表觀遺傳學領域最好的實驗室之一，又和我的研究興趣契合，我很慶幸能在Danny的實驗室完成博士後階段的研究。

我選擇的研究方向是30nm染色質纖維結構與功能，特別是30nm染色質水平上的基因轉錄調控機制。首先我們需要建立一套體外染色質組裝體系，能夠在試管里組裝出30nm染色質纖維，然後再用來研究它的結構與功能。剛開始工作進展非常緩慢，遇到了很多意想不到的困難。我們的第一個任務就是要找到能特異組裝連接組蛋白H1的分子伴侶，我們花了將近一年的時間才找到連接組蛋白H1的分子伴侶，然後又花了較長一段時間摸索出30nm染色質形成的條件。前後花了大約兩年的時間才成功建立了一套體外組裝30nm染色質纖維的體系。隨後我們還需要建立一套體外染色質轉錄系統，這套體外轉錄系統非常複雜，先後需要純化多達近百種蛋白子因子，然後按照一定的順序和比例加到染色質纖維底物上，進行體外轉錄實驗。這個轉錄體系需要每個因子必須是有功能和活性的，如果有一個因子活性出問題，整個體系就不工作。我在剛開始學習體外轉錄實驗時，更是遇到前所未有的挑戰，前後半年時間內我沒有成功做出一次體外轉錄實驗，壓力可想而知。經過無數次摸索和不懈的努力，最終找出失敗的原因，同時一步一個腳印把體外轉錄從DNA模板，做到染色質模板，最後終於實現了30nm染色質纖維上的轉錄，並分析了調控30nm染色質纖維轉錄的關鍵染色質因子。

我後來獨立研究過程中的兩個重要的實驗體系，都是在Danny實驗室建立和發展的。第一個實驗體系是在體外染色質轉錄系統和技術平台，這可以在體外研究染色質纖維轉錄過程中的動態調控及其分子機制；第二個實驗體系就是體外染色質組裝系統和技術平台，這個可以是我們可以利用冷凍電鏡和生物物理技術研究染色質纖維的結構及其動態調控過程。由此可見，我在博後階段的工作也為日後解析30nm染色質纖維冷凍電鏡結構打下堅實的基礎，同時也讓我們的研究非常有特色。

給青年們的寄語

23Plus：您覺得對於青年研究者來說最重要的是什麼呢？

李國紅：首先是對科研的興趣，科研最大的樂趣在於探討自然界未知的東西時的那種興奮感，要能享受科研過程發現問題和解決問題的樂趣。此外，還應該選擇一條自己的科學道路並堅持走下去，保持對科學的激情。另外，對於青年學者來說，一定要選擇1-2個重要的科學問題來開展自己的研究，而不是為了快速發文章，選擇一些短平快的課題，這樣你的研究缺乏系統性，也沒有自己的特色。

23plus 寄語

在科研的道路上，好奇心可謂是助推器，雖說「書山有路勤為徑，學海無涯苦作舟」， 但選擇一條自己真正感興趣的科學道路，找1-2個重要的科學問題，系統深入地開展自己的研究，這樣才能更容易保持自己的科學激情。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！

本站內容充實豐富，博大精深，小編精選每日熱門資訊，隨時更新，點擊「搶先收到最新資訊」瀏覽吧！

請您繼續閱讀更多來自 23Plus 的精彩文章: