微觀世界中的巾幗力量

大至藍鯨、小至病毒，生物世界千差萬別，但無論形態(tài)多么豐富，它們生命的奧秘卻都藏在微觀結構之中，比如體內蛋白猶如構筑生命大廈的磚石，決定著生命體可能具有的功能。而若要將蛋白質結構探得明晰，必須走入“微觀”。不過，對于探究微觀世界的手段，尤其是原子、分子級結構的研究，自光學顯微鏡的性能開發(fā)幾乎摸到“天花板”后，科學家的摸索橫跨了以世紀為單位的時間，這一僵局最終還是被冷凍電鏡的出現所打破。

作為一項顛覆性新技術，冷凍電鏡可以讓科學家看到許多懸而未決問題的背后機理，讓細胞中模糊的斑點逐漸清晰。“這就好像為細胞、蛋白等微觀物質做了個‘CT’。”投入冷凍電鏡技術研究數年，香港中文大學（深圳）醫(yī)學院助理教授、科比爾卡創(chuàng)新藥物開發(fā)研究院首席研究員胡紅麗已經可以深入淺出地將晦澀的原理進行類比。多年來，她始終堅守在基于冷凍電子顯微鏡的膜蛋白結構研究崗位之上，不僅曾與2012年諾貝爾化學獎得主布萊恩·K.科比爾卡（Brian K. Kobilka）教授和羅伯特·J.萊福特霍維茨（Robert J. Lefkowitz）教授開展多項合作研究，且在多項重要G蛋白偶聯受體（GPCRs）的結構研究中均有重大突破，其中多篇科研成果已發(fā)表于《自然》（Nature）、《細胞》（Cell）等學術期刊，獲得國際廣泛關注。

2019年，學成歸來的胡紅麗正式加入香港中文大學（深圳）科比爾卡創(chuàng)新藥物開發(fā)研究院擔任獨立課題組負責人。在她與先輩、同仁的努力之下，冷凍電鏡技術在今天已經逐步走向了大規(guī)模應用，G蛋白偶聯受體背后奧秘相繼揭開也為某些疾病的治療提供了全新的思路，這無疑為結構生物學的發(fā)展帶來了新的研究范式，即從平面到立體的躍遷。

以“鏡”制“凍”，走進微觀

簡單來說，冷凍電鏡就是將蛋白質保存在非常薄的液體層中，然后將它們冷凍。儀器以高速電子束為光源，對蛋白質進行成像。它有著兩項強大功能，一是“萬物皆可凍”，只要有需求，不論是生物組織、病毒還是大分子等，都可以通過冷凍電鏡觀察樣本；二是通過冷凍電鏡的三維重構能力可以很好地觀察到樣本的內部結構信息。

這些前沿的技術與知識第一次出現在胡紅麗生命中，是在她大學三年級的學術講座上。最初，“想學應用性專業(yè)”的理想將她帶入了南開大學應用物理系。本科前兩年的物理學基礎課程，也的確讓她積淀下了深厚的專業(yè)知識，但她始終很清楚，自己的夢想在于做研究，以所學切實改變生活。此時，她的人生“引路人”——尹長城教授攜帶著冷凍電鏡與生物物理學，走入了她的視野，也由此改變了她的職業(yè)軌跡。

“冷凍電鏡在微觀世界的應用刷新了我的認知，尹長城老師深入淺出、聲情并茂的講述仿佛為我打開了一扇新世界的大門。最重要的是，他的兼容并蓄吸納著擁有不同學術背景的年輕人。在他眼中，每個相關學科均有自己的獨特優(yōu)勢，例如物理，可以幫助我們快速且透徹地理解儀器背后的工作原理，從而精準挖掘儀器的應用潛力或直接提升儀器的參數與準確度來突破現有的研究困境等。他堅信，未來的科學研究一定屬于交叉學科。”前輩巨大的人格魅力與深厚的學術造詣也在之后的歲月中持續(xù)吸引著胡紅麗，使她堅定地跟隨導師到了北京大學醫(yī)學部生物物理學系接續(xù)深造。

雖然在整個博士階段，胡紅麗始終認為自己做出的成果還未達到自我要求的標準，但她還是盛贊這一時期為“對職業(yè)發(fā)展最有幫助的階段”，她說：“讀博期間最主要的就是把關于冷凍電鏡的原理、成像技術和圖像處理、應用相關知識都掌握透了，這無疑為我如今的科研打下了最為堅實的基礎。”

2008年入行，胡紅麗見證了冷凍電鏡研究新時代的開啟與疾速騰飛，“每天都在見證冷凍電鏡的突破”。這一時期，軟件和硬件方面的改進，使得冷凍電鏡各個方面的性能都得到大幅度的提升。一方面，分辨率的極限一直在被打破，業(yè)內稱其為“分辨率革命”（resolution revolution）；另一方面，冷凍電鏡的研究對象也向分子量更小的蛋白質進軍，越來越多的蛋白被證明可以通過冷凍電鏡解析。2017年，雅克·杜波切、約阿希姆·弗蘭克和理查德·亨德森3位科學巨匠共同獲得諾貝爾化學獎，這也再次將冷凍電鏡在微觀領域的突破推向發(fā)展的風口浪尖，而彼時的胡紅麗，也已走出國門，遠赴他鄉(xiāng)，開啟了自己人生中的研究新篇。

讀萬卷書，行萬里路，出國的6年時間里，胡紅麗先后在美國斯坦福大學與密歇根大學留下了自己奮斗的印跡。“在海外我接觸了許多業(yè)內領軍人物，如斯坦福大學有30多位諾獎得主，我有很多機會可以跟他們面對面聊科研甚至生活，跟他們學習如何去發(fā)現問題和解決問題。”胡紅麗成為許多正式或非正式學術活動的“常客”，每到周五下午，她總會選擇與三五好友圍坐舉杯或是闊步高談。她形容大家總是“三句話不離自己本行”，就連偶然吃到一種口味獨特的蔬菜，他們都要對其中分子“追本溯源”，如果一時難以得出定論，還要回去翻閱文獻，“科研源于生活也將惠及生活，說不準嶄新且極富價值的研究方向就藏在身邊”。胡紅麗說，G蛋白偶聯受體的結構研究就在這一階段正式走入了她的視野。

燃燈前行，勇攀高峰

無論是在藥品說明書上還是生物教材當中，G蛋白偶聯受體（GPCRs）都是頻繁出現的一個“大家族”，因為市面上有大約30%的藥物都是通過作用到這類蛋白上才得以發(fā)揮作用的。但跟隨導師喬治亞斯·斯基尼奧蒂斯開展研究并加入其課題組之后，胡紅麗卻發(fā)現原來科學界對GPCR的認識仍然非常有限。縱使已經過幾十年的研究，業(yè)界對GPCR的結構了解也不過“十之一二”，對于大部分GPCR的結構探究仍屬一片藍海。“這就好比我們要開一把鎖，卻連鎖芯構造都不清楚。在無法精準開鎖的情況下，只能手握一堆鑰匙去依次嘗試。”本質上講，其實根本桎梏在于晶體學的結晶難度——GPCRs作為膜蛋白，想要找到它們的結晶條件，難度可比大海撈針。但巨大挑戰(zhàn)背后往往蘊藏著高收益或是大突破，于是，胡紅麗所在的課題組毅然選擇燃燈前行，勇攀學術高峰，嘗試用冷凍電鏡解析GPCR復合物的結構。

“那幾年里，我和2012年諾貝爾化學獎得主——布萊恩·K.科比爾卡（Brian K. Kobilka）教授多有合作，取得了好幾項突破。”胡紅麗說。而這些工作中令她最滿意的是有關Class C的結構研究。這項成果極富代表性，原因在于Class C GPCR和其他類型GPCR差別很大。“所有的GPCR都有7次跨膜螺旋，但Class C GPCR在胞外有個很大的結構域，且它的正構位點不在7次跨膜區(qū)，而在胞外的結構域上。我們研究的代謝型谷氨酸受體5（簡稱mGlu5）是參與調節(jié)中樞神經系統(tǒng)的突觸傳遞和神經元興奮性受體，一般是以二聚體的方式行使功能。”胡紅麗適時補充，“這個工作是我在密歇根大學的時候開展的，我一邊測試樣品，一邊測試自動收集軟件。剛開始的時候，在薄冰中找不到蛋白顆粒，只能在厚冰處收集數據，圖像襯度比較差，分辨率也很難提高。后來我們改進了制樣技術，把蛋白質凍到很薄的冰層中，圖像襯度就有了很明顯的提高。”

值得一提的是，在胡紅麗的研究工作發(fā)表之前，C類GPCR的相關機理并不十分明確——即便使用全長的分子進行結晶得到衍射也無法計算出跨膜區(qū)結構，同時亦無法得知配體結合到正構位點之后是如何傳遞到跨膜區(qū)的。但冷凍電鏡卻再一次為這些困局注入了新的活力。胡紅麗所在的團隊解析了mGlu5在失活和激活狀態(tài)的兩個結構，即失活狀態(tài)胞外VFT（捕蠅器）區(qū)域是張開的，二聚體也是幾乎平行的；配體結合之后則被VFT捕捉，而后VFT關閉，帶動二聚體產生較大位移和旋轉，跨膜區(qū)距離也隨之變短，7次跨膜的構象也發(fā)生變化。這種變化引發(fā)了學界的廣泛關注，也獲得了《自然》（Nature）雜志的青睞，在此成果發(fā)表的同時，《自然》雜志在同期的“News amp; Views”專欄發(fā)表了一篇題為“近距離觀察激活的受體（Excitatory receptors in close-up）”的簡訊。

此外，胡紅麗另一項為人稱頌的工作是和GPCR的領軍人物羅伯特·J.萊福特霍維茨（Robert J. Lefkowitz）合作研究的，他曾和布萊恩·K.科比爾卡（Brian K. Kobilka）教授一起斬獲2012年諾貝爾化學獎。“相比于GPCRs和G蛋白的關系，GPCRs與阻遏蛋白的結構關系更加鮮為人知。即使到今天，我們獲得了上千個GPCR的結構，其中只有不到十個是關于阻遏蛋白的。”胡紅麗如此闡述這一研究得以開展的背景，而在探索這個復合物的過程中，她也因為其不穩(wěn)定性吃了很多苦頭，直到嘗試過幾十種不同的實驗條件，采集了幾萬張圖片，才終于在冷凍電鏡下捕捉到復合物的一個穩(wěn)定狀態(tài)，最終解釋了阻遏蛋白的招募過程幾個關鍵的科學問題。而功不唐捐，最終這項成果也被《自然》（Nature）雜志接收。

上述所有研究成果的問世為胡紅麗的海外研究生涯交上了高分答卷。羽翼漸豐的她很快產生了強烈的歸國想法。“是時候將自己的文章寫在祖國的大地上了。”她說。行勝于言，很快，香港中文大學（深圳）迎來了一位出色的新成員。

以我之力，追我所愿

以力爭站在世界藥物研發(fā)科學前沿為總體建設目標；以“注重源頭創(chuàng)新，關注科學核心問題，與革命性技術與產業(yè)化戰(zhàn)略相結合”為指導思想；以“吸引全球高端人才、做出高端成果，同時將深圳學術研究帶入世界高水準”為期許，香港中文大學（深圳）科比爾卡創(chuàng)新藥物開發(fā)研究院（簡稱“研究院”）在成立之初，便吸引著胡紅麗的目光。基于對平臺的向往，她甘愿接受“從零開始”籌建實驗室的挑戰(zhàn)。

“當時實驗室內沒有任何設備，無論是需要自己建立復雜的實驗室系統(tǒng)，還是親力親為開展人員招聘、人員培訓等工作，對我來說都是一套陌生的流程。不過幸好，通過兩年的不懈努力，我們的實驗隊伍已經初具雛形，可以系統(tǒng)地完成GPCR結構的解析工作了。”也正是在此基礎上，他們的首個著力點——炎癥趨化因子受體的探究才有所進展。

炎癥趨化因子的作用靶點（趨化因子受體）表達于巨噬細胞、單核細胞、嗜酸性粒細胞、中性粒細胞等細胞表面，屬于GPCR家族A類成員。目前學界已明確鑒別出約20種趨化因子受體和約50種內源性趨化因子，在多種疾病治療中都具有重要意義，然而趨化因子受體如何調節(jié)免疫細胞功能的分子機理卻仍屬未知，目前美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）批準的靶向趨化因子受體家族成員的藥物也只有3種，仍存在嚴重缺口。

因此，胡紅麗團隊選擇了炎癥趨化因子受體CXCR3作為切入點予以破局。依托于相關項目，胡紅麗團隊獲得了多個不同配體激活下CXCR3的結構，發(fā)現了配體不同的激活模式。同時他們也捕捉到正構和別構抑制劑的調節(jié)位點，“把控制CXCR3開放和關閉的每個機關都找到了”，這些結構將為我們設計新的機關密碼，為相應疾病的治療提供指導。目前相關工作已有兩篇文章被自然《自然》（Nature）子刊發(fā)表，未來仍大有可期。

關于未來的打算，胡紅麗始終頭腦清晰、態(tài)度堅定：“我知道未來要做的事情還有很多，而且可能會遇到前所未有的艱難險阻。然而，我對自己和我的團隊充滿信心。當逆境降臨，我們有能力制定出卓越的應對策略，共同克服困難，迎接每一個挑戰(zhàn)。”科

胡紅麗

胡紅麗在科比爾卡冷凍電子顯微中心