大至藍(lán)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(jié)構(gòu)之中，比如體內(nèi)蛋白猶如構(gòu)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(zhì)結(jié)構(gòu)探得明晰，必須走入“微觀”。不過，對(duì)于探究微觀世界的手段，尤其是原子、分子級(jí)結(jié)構(gòu)的研究，自光學(xué)顯微鏡的性能開發(fā)幾乎摸到“天花板”后，科學(xué)家的摸索橫跨了以世紀(jì)為單位的時(shí)間，這一僵局最終還是被冷凍電鏡的出現(xiàn)所打破。

作為一項(xiàng)顛覆性新技術(shù)，冷凍電鏡可以讓科學(xué)家看到許多懸而未決問題的背后機(jī)理，讓細(xì)胞中模糊的斑點(diǎn)逐漸清晰。“這就好像為細(xì)胞、蛋白等微觀物質(zhì)做了個(gè)‘CT’?！蓖度肜鋬鲭婄R技術(shù)研究數(shù)年，香港中文大學(xué)（深圳）醫(yī)學(xué)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(jīng)可以深入淺出地將晦澀的原理進(jìn)行類比。多年來，她始終堅(jiān)守在基于冷凍電子顯微鏡的膜蛋白結(jié)構(gòu)研究崗位之上，不僅曾與2012年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)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(xiàng)合作研究，且在多項(xiàng)重要G蛋白偶聯(lián)受體（GPCRs）的結(jié)構(gòu)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(xì)胞》（Cell）等學(xué)術(shù)期刊，獲得國際廣泛關(guān)注。

2019年，學(xué)成歸來的胡紅麗正式加入香港中文大學(xué)（深圳）科比爾卡創(chuàng)新藥物開發(fā)研究院擔(dān)任獨(dú)立課題組負(fù)責(zé)人。在她與先輩、同仁的努力之下，冷凍電鏡技術(shù)在今天已經(jīng)逐步走向了大規(guī)模應(yīng)用，G蛋白偶聯(lián)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(jié)構(gòu)生物學(xué)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(jìn)微觀

簡單來說，冷凍電鏡就是將蛋白質(zhì)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(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行成像。它有著兩項(xiàng)強(qiáng)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(gòu)能力可以很好地觀察到樣本的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。

這些前沿的技術(shù)與知識(shí)第一次出現(xiàn)在胡紅麗生命中，是在她大學(xué)三年級(jí)的學(xué)術(shù)講座上。最初，“想學(xué)應(yīng)用性專業(yè)”的理想將她帶入了南開大學(xué)應(yīng)用物理系。本科前兩年的物理學(xué)基礎(chǔ)課程，也的確讓她積淀下了深厚的專業(yè)知識(shí)，但她始終很清楚，自己的夢想在于做研究，以所學(xué)切實(shí)改變生活。此時(shí)，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(xué)，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(yīng)用刷新了我的認(rèn)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(xué)術(shù)背景的年輕人。在他眼中，每個(gè)相關(guān)學(xué)科均有自己的獨(dú)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(zhǔn)挖掘儀器的應(yīng)用潛力或直接提升儀器的參數(shù)與準(zhǔn)確度來突破現(xiàn)有的研究困境等。他堅(jiān)信，未來的科學(xué)研究一定屬于交叉學(xué)科?！鼻拜吘薮蟮娜烁聍攘εc深厚的學(xué)術(shù)造詣也在之后的歲月中持續(xù)吸引著胡紅麗，使她堅(jiān)定地跟隨導(dǎo)師到了北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部生物物理學(xué)系接續(xù)深造。

雖然在整個(gè)博士階段，胡紅麗始終認(rèn)為自己做出的成果還未達(dá)到自我要求的標(biāo)準(zhǔn)，但她還是盛贊這一時(shí)期為“對(duì)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(guān)于冷凍電鏡的原理、成像技術(shù)和圖像處理、應(yīng)用相關(guān)知識(shí)都掌握透了，這無疑為我如今的科研打下了最為堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?！?/p>

2008年入行，胡紅麗見證了冷凍電鏡研究新時(shí)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(shí)期，軟件和硬件方面的改進(jìn)，使得冷凍電鏡各個(gè)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(nèi)稱其為“分辨率革命”（resolution revolution）；另一方面，冷凍電鏡的研究對(duì)象也向分子量更小的蛋白質(zhì)進(jìn)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(xué)巨匠共同獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，這也再次將冷凍電鏡在微觀領(lǐng)域的突破推向發(fā)展的風(fēng)口浪尖，而彼時(shí)的胡紅麗，也已走出國門，遠(yuǎn)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(shí)間里，胡紅麗先后在美國斯坦福大學(xué)與密歇根大學(xué)留下了自己奮斗的印跡。“在海外我接觸了許多業(yè)內(nèi)領(lǐng)軍人物，如斯坦福大學(xué)有30多位諾獎(jiǎng)得主，我有很多機(jī)會(huì)可以跟他們面對(duì)面聊科研甚至生活，跟他們學(xué)習(xí)如何去發(fā)現(xiàn)問題和解決問題?！焙t麗成為許多正式或非正式學(xué)術(shù)活動(dòng)的“?？汀?，每到周五下午，她總會(huì)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(dú)特的蔬菜，他們都要對(duì)其中分子“追本溯源”，如果一時(shí)難以得出定論，還要回去翻閱文獻(xiàn)，“科研源于生活也將惠及生活，說不準(zhǔn)嶄新且極富價(jià)值的研究方向就藏在身邊”。胡紅麗說，G蛋白偶聯(lián)受體的結(jié)構(gòu)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(dāng)中，G蛋白偶聯(lián)受體（GPCRs）都是頻繁出現(xiàn)的一個(gè)“大家族”，因?yàn)槭忻嫔嫌写蠹s30%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(dǎo)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(xiàn)原來科學(xué)界對(duì)GPCR的認(rèn)識(shí)仍然非常有限?？v使已經(jīng)過幾十年的研究，業(yè)界對(duì)GPCR的結(jié)構(gòu)了解也不過“十之一二”，對(duì)于大部分GPCR的結(jié)構(gòu)探究仍屬一片藍(lán)海?！斑@就好比我們要開一把鎖，卻連鎖芯構(gòu)造都不清楚。在無法精準(zhǔn)開鎖的情況下，只能手握一堆鑰匙去依次嘗試?！北举|(zhì)上講，其實(shí)根本桎梏在于晶體學(xué)的結(jié)晶難度——GPCRs作為膜蛋白，想要找到它們的結(jié)晶條件，難度可比大海撈針。但巨大挑戰(zhàn)背后往往蘊(yùn)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(xué)術(shù)高峰，嘗試用冷凍電鏡解析GPCR復(fù)合物的結(jié)構(gòu)。

“那幾年里，我和2012年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)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(xiàng)突破?！焙t麗說。而這些工作中令她最滿意的是有關(guān)Class C的結(jié)構(gòu)研究。這項(xiàng)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(gè)很大的結(jié)構(gòu)域，且它的正構(gòu)位點(diǎn)不在7次跨膜區(qū)，而在胞外的結(jié)構(gòu)域上。我們研究的代謝型谷氨酸受體5（簡稱mGlu5）是參與調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的突觸傳遞和神經(jīng)元興奮性受體，一般是以二聚體的方式行使功能?！焙t麗適時(shí)補(bǔ)充，“這個(gè)工作是我在密歇根大學(xué)的時(shí)候開展的，我一邊測試樣品，一邊測試自動(dòng)收集軟件。剛開始的時(shí)候，在薄冰中找不到蛋白顆粒，只能在厚冰處收集數(shù)據(jù)，圖像襯度比較差，分辨率也很難提高。后來我們改進(jìn)了制樣技術(shù)，把蛋白質(zhì)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(guān)機(jī)理并不十分明確——即便使用全長的分子進(jìn)行結(jié)晶得到衍射也無法計(jì)算出跨膜區(qū)結(jié)構(gòu)，同時(shí)亦無法得知配體結(jié)合到正構(gòu)位點(diǎn)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(tuán)隊(duì)解析了mGlu5在失活和激活狀態(tài)的兩個(gè)結(jié)構(gòu)，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(jié)合之后則被VFT捕捉，而后VFT關(guān)閉，帶動(dòng)二聚體產(chǎn)生較大位移和旋轉(zhuǎn)，跨膜區(qū)距離也隨之變短，7次跨膜的構(gòu)象也發(fā)生變化。這種變化引發(fā)了學(xué)界的廣泛關(guān)注，也獲得了《自然》（Nature）雜志的青睞，在此成果發(fā)表的同時(shí)，《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(xiàng)為人稱頌的工作是和GPCR的領(lǐng)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(xué)獎(jiǎng)。“相比于GPCRs和G蛋白的關(guān)系，GPCRs與阻遏蛋白的結(jié)構(gòu)關(guān)系更加鮮為人知。即使到今天，我們獲得了上千個(gè)GPCR的結(jié)構(gòu)，其中只有不到十個(gè)是關(guān)于阻遏蛋白的?！焙t麗如此闡述這一研究得以開展的背景，而在探索這個(gè)復(fù)合物的過程中，她也因?yàn)槠洳环€(wěn)定性吃了很多苦頭，直到嘗試過幾十種不同的實(shí)驗(yàn)條件，采集了幾萬張圖片，才終于在冷凍電鏡下捕捉到復(fù)合物的一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，最終解釋了阻遏蛋白的招募過程幾個(gè)關(guān)鍵的科學(xué)問題。而功不唐捐，最終這項(xiàng)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(chǎn)生了強(qiáng)烈的歸國想法?！笆菚r(shí)候?qū)⒆约旱奈恼聦懺谧鎳拇蟮厣狭??！彼f。行勝于言，很快，香港中文大學(xué)（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(xué)前沿為總體建設(shè)目標(biāo)；以“注重源頭創(chuàng)新，關(guān)注科學(xué)核心問題，與革命性技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化戰(zhàn)略相結(jié)合”為指導(dǎo)思想；以“吸引全球高端人才、做出高端成果，同時(shí)將深圳學(xué)術(shù)研究帶入世界高水準(zhǔn)”為期許，香港中文大學(xué)（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?；趯?duì)平臺(tái)的向往，她甘愿接受“從零開始”籌建實(shí)驗(yàn)室的挑戰(zhàn)。

“當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)沒有任何設(shè)備，無論是需要自己建立復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，還是親力親為開展人員招聘、人員培訓(xùn)等工作，對(duì)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(shí)驗(yàn)隊(duì)伍已經(jīng)初具雛形，可以系統(tǒng)地完成GPCR結(jié)構(gòu)的解析工作了?！币舱窃诖嘶A(chǔ)上，他們的首個(gè)著力點(diǎn)——炎癥趨化因子受體的探究才有所進(jìn)展。

炎癥趨化因子的作用靶點(diǎn)（趨化因子受體）表達(dá)于巨噬細(xì)胞、單核細(xì)胞、嗜酸性粒細(xì)胞、中性粒細(xì)胞等細(xì)胞表面，屬于GPCR家族A類成員。目前學(xué)界已明確鑒別出約20種趨化因子受體和約50種內(nèi)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(diào)節(jié)免疫細(xì)胞功能的分子機(jī)理卻仍屬未知，目前美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）批準(zhǔn)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(yán)重缺口。

因此，胡紅麗團(tuán)隊(duì)選擇了炎癥趨化因子受體CXCR3作為切入點(diǎn)予以破局。依托于相關(guān)項(xiàng)目，胡紅麗團(tuán)隊(duì)獲得了多個(gè)不同配體激活下CXCR3的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了配體不同的激活模式。同時(shí)他們也捕捉到正構(gòu)和別構(gòu)抑制劑的調(diào)節(jié)位點(diǎn)，“把控制CXCR3開放和關(guān)閉的每個(gè)機(jī)關(guān)都找到了”，這些結(jié)構(gòu)將為我們設(shè)計(jì)新的機(jī)關(guān)密碼，為相應(yīng)疾病的治療提供指導(dǎo)。目前相關(guān)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(guān)于未來的打算，胡紅麗始終頭腦清晰、態(tài)度堅(jiān)定：“我知道未來要做的事情還有很多，而且可能會(huì)遇到前所未有的艱難險(xiǎn)阻。然而，我對(duì)自己和我的團(tuán)隊(duì)充滿信心。當(dāng)逆境降臨，我們有能力制定出卓越的應(yīng)對(duì)策略，共同克服困難，迎接每一個(gè)挑戰(zhàn)。”科

胡紅麗

胡紅麗在科比爾卡冷凍電子顯微中心