專訪哈工大黃志偉教授：Nature破譯分子機制，讓CRISPR更高效、更可控

回國一年多后，他實現了哈工大在Nature雜誌發表論文「零的突破」，破解了困擾HIV領域科學家30餘年的謎題。開展CRISPR研究僅兩三年的時間，研究組已發表包括2篇Nature在內的多篇論文。短短5年的時間，取得如此多的成果，哈工大生命學院院長黃志偉教授告訴生物探索，專註與投入是他做好科研的秘訣。

黃志偉教授

2017年4月27日，哈爾濱工業大學生命科學與技術學院黃志偉教授課題組在Nature雜誌上發表一項題為「Structural basis of CRISPR–SpyCas9 inhibition by an anti-CRISPR protein」的新成果。論文揭示了改寫生命的「神奇剪刀」——CRISPR系統「關閉開關」anti-CRISPR抑制SpyCas9活性的分子機制。

CRISPR/Cas系統原本是細菌用來保護自身免受噬菌體感染的適應性免疫系統。近幾年，CRISPR/Cas9（SpyCas9）已經在全世界範圍內被廣泛應用於生物醫學研究。基於這項基因編輯技術的一些臨床試驗也正在開展中。考慮到臨床應用的安全性等問題，目前，全球各國的科學家們正積極解決因過度激活或長時間發揮作用引發的基因編輯脫靶效應問題。

2016年12月，Cell雜誌發表了一項重要成果（論文：Inhibition of CRISPR-Cas9 with Bacteriophage Proteins）。這一研究找到了在細菌和人類細胞中都能阻止CRISPR系統基因編輯活性的「關閉開發」anti-CRISPRs：AcrIIA2和AcrIIA4。它們能夠阻斷CRISPR系統中Cas9/SpyCas9酶的活性。科學家們認為，anti-CRISPR的發現將為改善CRISPR系統的安全性提供重要的手段。

那麼，這些anti-CRISPR抑制SpyCas9活性的分子機制是怎樣的呢？黃志偉教授研究組的這篇Nature論文回答了這一問題。研究小組稱，這一成果為設計時間或空間上特異性或條件性精確控制SpyCas9活性的基因編輯工具提供了結構基礎。

在接受生物探索採訪時，黃志偉教授說：「目前，世界各國的研究小組正在開展CRISPR技術用於多種疾病治療的研究。如果想要這一技術在臨床上得以應用，必須確保其安全性。這就好比，對於汽車來說，動力系統和制動系統都是不可或缺的。我們必須找到CRISPR系統的『制動系統』，使其活性具有可控性。」

事實上，開展CRISPR相關研究僅兩三年的黃志偉教授研究組已先後在Nature、Cell Research等雜誌上發表了多項研究成果。「CRISPR是細菌的適應性免疫系統。我們實驗室原本就在開展病原與宿主相互作用相關的研究。進入CRISPR這一領域也算是順理成章。」他說。

2016年，黃志偉教授研究組在Nature雜誌發表了團隊的首篇CRISPR論文（上圖）。 研究通過結構生物學和生化研究手段揭示了CRISPR-Cpf1識別crRNA以及Cpf1剪切pre-crRNA成熟的分子機制。這一成果為成功改造Cpf1系統，使之成為特異、高效的全新基因編輯系統提供了結構基礎。

據了解，2015年9月，CRISPR先驅張鋒帶領的研究組在Cell雜誌上發表的一篇論文中首次提出了新型基因編輯系統CRISPR/Cpf1。隨後，包括黃志偉教授團隊在內的多個研究小組對該系統展開研究，多項成果已發表在Cell、Nature、Nature Biotechnology等雜誌上。目前，黃志偉教授研究組正在利用CRISPR/Cpf1在艾滋病治療方面做一些嘗試和應用。

今年4月，除了發表上述Nature成果外，黃志偉教授團隊還在Cell Research發表了題為「Structural basis of stringent PAM recognition by CRISPR-C2c1 in complex with sgRNA」的論文，揭示了CRISPR-C2c1系統背後的分子機制。黃志偉教授告訴生物探索：「由於CRISPR-C2c1系統發揮活性所需的溫度比較高，因此它還不能夠在活細胞中進行基因編輯。我們希望在對其結構進行解析后，再對它進行改造，從而提高這一系統的應用價值。」

儘管現在已經在生命科學領域取得了大量傑出的研究成果，但黃志偉教授最初在大學部時期攻讀的是化學專業。他告訴生物探索，2000年左右，包括克隆羊在內的很多科學事件的發生讓他對生命科學產生了濃厚的興趣。這也促使他下定決心轉讀生命科學專業的研究所。

2003年，他成功考取北京生命科學研究所和農業大學聯合培養的直博研究所。在農業大學學習一年後，於2004年下半年進入北京生命科學研究所，師從從普林斯頓大學回國的柴繼傑教授。讀博期間，黃志偉教授先後以第一作者的身份在Cell子刊和Nature子刊上發表了兩篇論文，並因此順利申請到去哈佛大學做博士后的機會。

採訪中，黃志偉教授表示，他並不後悔轉入生命科學領域，這一路以來遇到了很多良師益友。直到現在，博士導師柴繼傑教授做研究的方式和態度仍深深影響和激勵著他。

2012年3月，黃志偉教授結束了他在哈佛大學的「博士后之旅」，正式加入哈爾濱工業大學。僅僅用了一年多的時間，他就交出了哈工大首篇Nature的「好成績」。

這篇2014年1月發表的題為「Structural basis for hijacking CBF-β and CUL5 E3 ligase complex by HIV-1 Vif」的論文首次揭示了艾滋病病毒研究領域一直備受關注的艾滋病病毒毒力因子（Vif）的結構，破解了這一領域30餘年的謎題；闡明了Vif「劫持」人CBF-β以及CUL5 E3 連接酶複合物的分子機制；為設計靶向該複合物的全新艾滋病藥物提供了結構基礎。

截至目前，在哈工大短短5年的時間，黃志偉教授已經以通訊作者的身份發表了3篇Nature論文，並以共同作者的身份發表了1篇Science論文。那麼，讓實驗室快速發展，並發表如此多重要成果的「秘訣」是什麼呢？黃志偉教授向生物探索強調了兩個關鍵詞：專註、投入。他說，研究組一直專註於病原與宿主相互作用的研究，同時，小組成員也為此投入了大量的時間與精力。此外，他還表示，論文想要發表在國際頂級期刊上，研究結果不僅需要新穎，還需要有重要的科學意義和應用價值。

除了學術成就外，2016年10月，年僅37歲的黃志偉教授還被任命為哈爾濱工業大學生命科學與技術學院院長。

黃志偉教授告訴生物探索：「行政工作是服務性的工作。我希望能夠為全院師生提供更好的資源和條件。當然，這些工作也勢必會佔據部分原本用於做科研的時間。為了能夠使科研工作儘可能少受影響，一方面，我需要加大時間的投入；另一方面，提高工作效率也是非常必要的。」

採訪的最後，黃志偉教授強調，做科研需要很強的意志和韌性。因為，失敗是科研中的「家常便飯」。同時，科研需要長時間的投入，因此，需要耐得住「寂寞」。很多學生一開始不確定自己能不能做下來，對自己不是很有信心，但是當真正有收穫，有「正反饋」后，繼續做下去的慾望會越來越強烈。此外，勤奮和不斷學習也是做好科研的重要條件。