洪靖君：与组蛋白的奇妙相遇

李明丽

洪靖君

人体拥有近3万个基因，其不仅决定着人类的长相，还控制着人体中所有重要的生物过程，掌握人体健康的命脉。新的研究发现，有一种组蛋白（histone）变体H2A.Z在这些关键的生物过程中扮演着重要角色，它对于揭示组蛋白变体和组蛋白伴侣在染色质高级结构的调节中发挥的作用，阐明二者的生物学功能具有重要意义，为癌症和基因研究提供了新的研究思路。

但目前对组蛋白变体H2A.Z的机理研究仍然处于起步阶段，后续研究中迫切需要解决的科学问题还有很多。近10年来，中国科学技术大学生命科学院特任研究员洪靖君辗转国内外，扎根在组蛋白变体H2A.Z关键问题的研究中，为彻底弄清其背后庞大复杂的生物学原理一往无前。

偶遇组蛋白

与组蛋白研究领域的接触，开始于洪靖君在美国国立卫生研究院国家癌症研究所从事博士后工作期间。他博士后的合作导师白雅文是组蛋白以及核小体方面的资深研究员，洪靖君也跟随着老师一脚踏入了这个充满未知的领域。

组蛋白是真核生物中一类进化上相对保守的蛋白质，由组蛋白八聚体及缠绕其上的DNA构成核小体结构，是真核生物染色质的基本组成单位，H2A.Z是组蛋白H2A的一类变体。酵母及哺乳动物细胞中的H2A.Z具有高度保守的序列，并且在基因转录、基因组稳定性维持等过程中发挥重要作用。H2A.Z通过精确定位于基因组的特定位点来改变染色质结构并实现其功能。“H2A.Z在基因组中的位置非常特别，很多研究都证明它和早期的胚胎发育相关，所以说它的生物学意义是很重要的。”尽管科学家知道H2A.Z很特殊，但是它是如何在染色质中进行精准定位的呢？这仍然是一个未解的谜团。

洪靖君通过对相关文献的调研得知，美国国立卫生研究院分子细胞生物学实验室主任吴以仲院士也在进行组蛋白变体H2A.Z的研究，于是主动联系了对方，开展解开H2A.Z更多谜团的后续合作。洪靖君介绍：“吴以仲院士做的是遗传学方面的研究，而我们是从结构生物学入手对H2A.Z进行研究。”

经过研究，洪靖君确定了催化亚基Swr1区域（599-627）是识别组蛋白的关键结构域，该区域被称为Swr1-Z，他还解析了在1.78埃分辨率下它与H2A.Z-H2B的复合物晶体结构。通过对晶体结构的详细分析，发现Swr1-Z能够特异识别H2A.ZC-末端螺旋，区别于常规H2A的特殊氨基酸序列特征。此外，体外研究表明Swr1-Z可以通过组蛋白伴侣机制将H2A.Z-H2B二聚体传递到DNA-（H3-H4）2四聚体形成核小体，而体内研究表明Swr1-Z具有重要的生物结构功能。对Swr1如何识别H2A.Z-H2B二聚体的第一个结构，洪靖君的研究成果提供了一些见解，阐明了组蛋白特异的伴侣如何精确地识别组蛋白变体，并将它们带到染色质基因组中的特定位置。因为在多数基因中，这个高度保守的组蛋白变体H2A.Z标记转录起始位点对于后生动物的早期发育、诱导分化等起重要作用。如果H2A.Z在染色质中不能被正确定位，将增加人类包括癌症在内的疾病，该结果也为基于该结构的癌症药物设计铺平道路。该项研究成果于2014年发表在国际顶级学术刊物Molecular Cell上，洪靖君为第一作者。

尽管取得了非常让人满意的研究成果，但研究的过程却没有那么顺利，洪靖君光是解结构这个步骤就反复经历了多次。“解结构时，一开始的分辨率是2.4埃左右，而我们认为这还不够好，又将分辨率优化至1.7埃左右。”关于这些小故事的背后艰辛，洪靖君一直说得很轻描淡写，但正是有了这些反复实验的积淀，才有了最后如此优秀的成果。

在得到了如此重要的成果后，洪靖君并没有停下研究的脚步，他将目光投向了组蛋白H3变体的研究，这是同样能导致癌症和出生缺陷的重要组蛋白变体。

新的发现

着丝粒（centromere）特异的H3变体CenH3是组蛋白H3家族成员中重要的变体蛋白，哺乳动物来源的CenH3称为着丝粒特异蛋白CENP-A。着丝粒位于真核生物染色体的特定位置，并且具有特殊的DNA组成方式，其作用是控制细胞分裂过程中染色质均匀分布到子代细胞，从而保证每个子代细胞生存所必需的遗传物质。CenH3的蛋白序列与其他H3组蛋白家族成员的蛋白质序列有显著差异，这表明CenH3的序列差异与其特有的生物学功能有一定关系。但是，CenH3如何确定着丝粒精准地定位并保持其形成呢？这些悬而未决的科学问题推动了洪靖君研究的不断深入。

通过结合冷冻电子显微镜（cryo-EM）、生物化学和细胞生物学等交叉学科，洪靖君与美国国立卫生研究院国家癌症研究所的同事们为解决着丝粒细胞分裂这一关键问题提供了新的研究思路。“我们发现了着丝粒特异蛋白CENP-N对CENP-A核小体的识别机制，这是一种选择性的识别机制，十分特殊。”洪靖君告诉记者，进化的压力使着丝粒发生了明显的变化，因此像CENP-N这样的着丝粒蛋白必须“与时俱进”，以确保准确无误的细胞分裂。洪靖君的研究成果用冷冻电镜解析了动粒蛋白CENP-N识别CENP-A核小体复合物结构，提出并证明CENP-A/CENP-N共进化假说，奠定了着丝粒核小体的基础，生理意义非同一般，并为人类最终完全了解该过程，开发治疗相关癌症的新方法提供了线索。2017年12月21日，世界权威学术期刊Science发表了相关研究成果，2017年度“科学十大突破（Breakthrough of the year，2017）”视屏版也引用了该研究成果。

“非常曲折”是洪靖君用来形容这项研究成果的词语。“由于实验所需蛋白的结构非常不稳定，使纯化的过程变得十分困难。”蛋白的不稳定，使洪靖君最终纯化出了一种完全错误的蛋白质，还是一种与实验中所需蛋白极为相似的错误蛋白。更让洪靖君无奈的是，这个极其相似的错误蛋白分辨率也非常好，可以达到1.2埃，但却是一件无用功。“当时当然很伤心啊，但是我对自己说没关系，一切不过是重新开始。”洪靖君良好的心态稳住了伤心失望的情绪，他打起精神从零开始优化实验框架，重新投入新的纯化实验。付出的时间和努力最终都没有辜负洪靖君，他得到了很好的研究成果。

新的征途

2018年9月，洪靖君回到了阔别已久的母校——中国科学技术大学，担任生命科学与医学部的特任研究员和合肥微尺度物质科学国家研究中心研究员，继续从事组蛋白与核小体相关科学领域的研究。

过往研究组蛋白的经历为洪靖君积累了很多经验知识，他的研究重点仍放在了组蛋白变体H3上。一些研究表明，组蛋白变体H3.3在基因转录调控和细胞发育分化过程中表现出不同于常规组蛋白H3的功能。哺乳动物中编码H3.3的H3F3A和H3F3B基因突变与一些儿童及青年人肿瘤，例如小儿高级别脑胶质瘤、软骨母细胞瘤和骨巨细胞瘤有关联。但目前对于这些组蛋白突变的致癌机制总的来说还不是很清楚。这些研究发现引起了洪靖君的研究兴趣，“我们都知道儿童胶质瘤是非常难治的，如果能研究出组蛋白变体H3.3的致癌机制，就能为未来儿童肿瘤治疗带来新的希望”。

除注重科研外，洪靖君还对学生的培养有自己的见解。洪靖君赞同一位中科院博导发表在《学术观察》上的观点，“学术研究当以笨功夫做科研，才可能出卓越成果”，这个洪靖君自己深有体会。他坚信“宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来”，希望青年学生既能“动脑”，又能“动手”，既能独立思考，又能吃苦耐劳，如此才能取得一番成绩。

未来，洪靖君打算组建一支由自己带领的独立科研团队。“我过去取得的成果，不是靠一个人的力量就可以完成的，都是和其他人一起合作，一起探讨，一起做出来的成果。”洪靖君深知科学研究不是单打独斗，好的合作才是基础。细胞与癌症的关系是人类一直需要面对的问题，未来，还会有什么新的研究突破出现，尚未可知。不过，洪靖君会一直保持着探索组蛋白的初心，为人类生命科学的事业贡献自己的力量。