破解第四种“细胞CPU”，上海科学家再登《科学》：一次食堂交流，“解锁”教科书级生命奥秘 12月24日凌晨

12月24日凌晨，国际著名学术期刊《科学》在线发表了上海科学家的一项重磅成果：高等植物细胞中的第四种RNA聚合酶结构被成功解析，还发现了它与另一蛋白质形成内部通道，高效合成双链RNA的新机制。
被称为“细胞CPU”的RNA聚合酶（Pol），在高等生物中仅有五种， Pol I、II、III在动物植物中均保守，但是Pol IV和V为植物所特有。Pol I、II、III的三维结构都由欧美科学家解析，并曾获得诺贝尔化学奖。由于在植物中含量太低，第四种RNA聚合酶的结构解析一直难以突破。然而，中国科学院分子植物科学卓越创新中心的两位青年研究员，在一次食堂饭桌交流中获得了突破瓶颈的灵感，创建了一套植物超大蛋白质复合物分离纯化的新方法，从而在“第四种RNA聚合酶的发现者”上写下了中国科学家的名字。
三年孤注解难题，突破重要技术瓶颈
在高等生物基因组中，转座子会通过自身的跳跃和复制，影响DNA上的基因活动。为了精准控制转座子的过度活动，细胞会产生一种双链DNA的化学“封条” 。而由植物细胞核编码的第四种RNA聚合酶Pol Ⅳ ，正是这一化学“封条”的重要生产者。
“全球生命科学家一直在为解析Pol Ⅳ结构而努力，其中包括曾经解析了前三个RNA聚合酶结构的实验室。”2015年，年仅33岁的张余从美国博士后学成归国，来到位于上海的中科院分子植物卓越中心建立实验室，朝着这个教科书级别的未解之谜发起挑战。
Pol Ⅳ在植物组织中的丰度极低，要提纯出足够的样品来进行结构解析，极其困难。如何突破这个技术瓶颈，成了张余日思夜想的难题。
就在遍尝现有方法不得其门之时，与同事王佳伟研究员在食堂午餐时的聊天，却意外撞开了灵感大门。王佳伟建议张余尝试通过大规模培养植物悬浮细胞的方式，来低成本、高效率地获得高质量Pol Ⅳ蛋白质样品。

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于是，张余的学生、该论文第一作者之一的黄坤来到王佳伟的实验室，用半年时间学习实验技术。为了这个重量级研究课题，她将三年时间几乎孤注一掷地用在了这个课题上。在一次次啃硬骨头的过程中，她甚至担心自己能否按时毕业。
“不用担心，哪怕没有论文发表同样能毕业。”这是张余给黄坤的一颗定心丸。根据分子植物卓越中心的规定，只要学生在重大科学问题的攻坚克难中表现出了相当的科研实力，即使没有发表论文，也能顺利通过答辩毕业。
在这样一种宽松而理性的科研氛围中，黄坤终于在两位导师的共同帮助下，获得了高质量的纯化Pol Ⅳ样品。在浙江大学冯钰教授的协助下， Pol Ⅳ在冷冻电镜下的结构解析顺利完成。植物细胞世界中RNA合成机制的一扇新大门轰然被打开。

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双链RNA合成全新机制浮出水面
生产双链RNA“封条”的Pol Ⅳ有何特别之处？
张余说，科学家一直以为，细胞合成双链RNA ，是在一个蛋白质“车间”中生产出单链RNA ，再运送到另一个蛋白质“车间”合成上另一半单链RNA 。
不过，令科学家百思不得其解的是，合成到一半的单链RNA还很不稳定，非常容易被降解。植物细胞又是怎样解决这个效率难题的呢？
随着Pol Ⅳ结构的解析，这一难题也迎刃而解。原来，它与合成双链RNA的“搭档”蛋白质RDR2一起，形成了一个具有内部通道的“联合车间” ，由Pol Ⅳ合成出的单链RNA直接从内部通道输送到RDR2 ，进行下一步合成，最终一步到位输出双链RNA“封条” 。