【表观人】李国红：科学热情引导我的科学道路

在高等生物个体的发育和生长过程中，细胞通过调控细胞核内染色质高级结构的动态变化来有选择性地进行基因的激活和沉默，从而控制细胞自我维持或定向分化，决定细胞的组织特异性和细胞命运。染色质结构的高度动态变化在基因沉默和转录激活过程中起重要作用，从而为表观遗传提供一个重要的信息整合平台。一方面，核小体折叠形成结构紧密的高级结构30nm染色质纤维，导致基因沉默；另一方面，基因激活过程中的关键步骤则是30nm染色质纤维的解聚和重塑，从而使各种转录因子及转录机器可以接近DNA。

1976年以来，科学界对于30nm染色质高级结构猜测主要有螺线管模型和Zigzag模型两种，但直到30多年后的2014年4月25日，中科院生物物理所李国红组和朱平组在Science发表了长篇研究论文，利用冷冻电镜单颗粒三维重构方法率先解析了30nm染色质纤维的高分辨率三维结构，揭示了30nm染色质纤维以四核小体为结构单元，各结构单元之间通过相互作用和扭曲，进一步折叠形成一个和DNA右手双螺旋类似的左手双螺旋高级结构。其中四核小体结构单元内，核小体是以Zigzag构象进行折叠，这为two-start的Zigzag模型提供了直接证据，为攻克30 nm染色质纤维高级结构这一重大科学问题打下坚实基础。该成果发表后，在学术界引起了轰动并受到广泛关注，先后入选最新版的世界著名的生物化学教科书“Fundamentals of Biochemistry: Life at the Molecular Level”和“Lehninger Principles of Biochemistry”。攻克这个科学难题的背后，是数十年的积累和不懈的挑战，在本篇采访中，李国红老师和23Plus分享了他对科学的热情和探索之旅。

                                              示意图：30nm染色质高级结构

23Plus：您在武汉大学病毒学完成本科学业，硕士阶段，您在北京医科大学生物物理系研究细胞骨架蛋白辅肌动蛋白（alpha-Actinin）与细胞膜的相互作用及其调控机理，随后在德国马普细胞生物学研究所师从Peter Traub教授，研究细胞骨架蛋白中等微丝蛋白与DNA的相互作用，2003年夏才到了Danny Reinberg实验室研究表观遗传学与真核基因转录调控。这一路走来，似乎您的研究方向发生了很大的转变，您是怎么完成一次次的华丽转身呢？

李国红：其实这些研究方向的转变是一个非常线性的过程，硕士阶段，我们在研究辅肌动蛋白（alpha-Actinin）与细胞膜的相互作用过程中，我们意外发现鱼精蛋白能够直接与辅肌动蛋白（alpha-Actinin）相互作用。这个发现很意外，于是我们继续研究发现辅肌动蛋白（alpha-Actinin）也能够与核心组蛋白相互作用，表明细胞骨架蛋白可能具有结合染色质的能力，从而可能参与基因转录调控。

这个发现使我的研究兴趣一下子从细胞骨架与细胞膜转到染色质与基因转录调控方向上。因此，我选择了去德国马普细胞生物学研究所的Peter Traub教授实验室攻读博士学位，Traub教授一直在研究细胞骨架蛋白中等维丝在基因转录调控中的功能。我在德国马普所攻读博士期间，在生物化学和生物物理学方面得到很好的系统化训练，并发现第三类中等微丝蛋白vimentin能够特异地识别和结合一些特异结构的DNA（比如左手螺旋Z-DNA、Triplex DNA、Holliday Junction DNA、G4-DNA等）。博士阶段的学习让我对染色质结构与基因转录调控更加感兴趣了，希望在博士后训练阶段，找一个真正从事染色质结构与基因转录调控的实验室。因此，我联系了美国新泽西医科大学的Danny Reinberg实验室，希望能够有机会去Danny实验室完成博士后阶段的训练。由于我在生物物理学方面的研究背景（特别是电镜方面的经验），我很幸运地获得了Danny的认可，于2003年6月份开始在Danny实验室开始博士后训练。由于细胞骨架和染色质纤维的研究手段有诸多的相似之处，所以回过头来看，这也是一个一脉相承的转变过程，当然也是一个很有机遇的过程。

23Plus：您提到在博士阶段的研究经历，据我们所知，那时候您的研究方向是比较冷门的领域，可能会遇到比较多的挑战也很难获得同行的认可，您是如何坚持自己的科学热忱的呢？

李国红：我认为在做科研的过程当中，特别是在研究生阶段中（包括硕士和博士），受到的科研训练是最重要的，这个比你发什么文章更加重要。德国人做事认真严谨是世界公知的，我从我的导师Traub教授身上更是深深体会到了这点。我作为Traub教授的关门弟子，Traub教授给予了我很多帮助和支持，但是他对我也非常严厉。我在他德国的实验室受到了非常严格的科研训练，养成了非常好的工作习惯，同时对自己未来的科研兴趣和职业规划有了非常清晰的认识，这些为后来的研究打下坚实基础。在博士期间，我虽然没有在高端杂志上发表文章，但是我在这段时间打下了扎实的生物化学和生物物理学理论基础和实验技能，特别是提高了独立工作的能力，包括分析问题和解决问题的能力。由于我们当时的研究是非主流方向，对于细胞骨架的基因转录调控功能不被学术界广泛接受，所以这段研究经历让我能够从Traub教授身上学到很多东西，比如怎样在不被大家认可的领域坚持几十年。另外，这段德国的留学经历，也使我养成了严谨的治学态度，并激发了我对科学未知世界不断探索的兴趣。

23Plus：您博士后阶段在Danny Reinberg的实验室，这是世界一流水平的大实验室，您在里面完成的也是非常有挑战性的工作，可想而知，所面对的压力是惊人的，您是怎么“survive”下来的呢？

李国红：Danny实验室主要是研究真核基因转录的调控机制，他在表观遗传学与真核基因转录调控方面取得了许多重要成就，是世界上基因转录和表观遗传学领域最好的实验室之一，又和我的研究兴趣契合，我很庆幸能在Danny的实验室完成博士后阶段的研究。

我选择的研究方向是30nm染色质纤维结构与功能，特别是30nm染色质水平上的基因转录调控机制。首先我们需要建立一套体外染色质组装体系，能够在试管里组装出30nm染色质纤维，然后再用来研究它的结构与功能。刚开始工作进展非常缓慢，遇到了很多意想不到的困难。我们的第一个任务就是要找到能特异组装连接组蛋白H1的分子伴侣，我们花了将近一年的时间才找到连接组蛋白H1的分子伴侣，然后又花了较长一段时间摸索出30nm染色质形成的条件。前后花了大约两年的时间才成功建立了一套体外组装30nm染色质纤维的体系。随后我们还需要建立一套体外染色质转录系统，这套体外转录系统非常复杂，先后需要纯化多达近百种蛋白子因子，然后按照一定的顺序和比例加到染色质纤维底物上，进行体外转录实验。这个转录体系需要每个因子必须是有功能和活性的，如果有一个因子活性出问题，整个体系就不工作。我在刚开始学习体外转录实验时，更是遇到前所未有的挑战，前后半年时间内我没有成功做出一次体外转录实验，压力可想而知。经过无数次摸索和不懈的努力，最终找出失败的原因，同时一步一个脚印把体外转录从DNA模板，做到染色质模板，最后终于实现了30nm染色质纤维上的转录，并分析了调控30nm染色质纤维转录的关键染色质因子。

我后来独立研究过程中的两个重要的实验体系，都是在Danny实验室建立和发展的。第一个实验体系是在体外染色质转录系统和技术平台，这可以在体外研究染色质纤维转录过程中的动态调控及其分子机制；第二个实验体系就是体外染色质组装系统和技术平台，这个可以是我们可以利用冷冻电镜和生物物理技术研究染色质纤维的结构及其动态调控过程。由此可见，我在博后阶段的工作也为日后解析30nm染色质纤维冷冻电镜结构打下坚实的基础，同时也让我们的研究非常有特色。

23Plus：您觉得对于青年研究者来说最重要的是什么呢？

李国红：首先是对科研的兴趣，科研最大的乐趣在于探讨自然界未知的东西时的那种兴奋感，要能享受科研过程发现问题和解决问题的乐趣。此外，还应该选择一条自己的科学道路并坚持走下去，保持对科学的激情。另外，对于青年学者来说，一定要选择1-2个重要的科学问题来开展自己的研究，而不是为了快速发文章，选择一些短平快的课题，这样你的研究缺乏系统性，也没有自己的特色。 

23plus 寄语

在科研的道路上，好奇心可谓是助推器，虽说“书山有路勤为径，学海无涯苦作舟”， 但选择一条自己真正感兴趣的科学道路，找1-2个重要的科学问题，系统深入地开展自己的研究，这样才能更容易保持自己的科学激情。