科学探索奖
“科学探索奖”设立于2018年，是由新基石科学基金会出资、科学家主导的公益性奖项，奖项设立的出发点是鼓励青年科学家心无旁骛地探索基础科学和前沿技术的“无人区”，探索社会支持基础研究的长效机制。该奖项覆盖了基础科学和前沿技术十个领域，五年来共评选出248位获奖人。
7月17日,第五届“科学探索奖”获奖名单正式揭晓，48位青年科学家榜上有名。生命科学学院副教授、清华-北大生命科学联合中心研究员葛亮获评2023年“科学探索奖”。这次，我们有幸采访到葛老师，探秘他获奖背后的努力以及对科研的理解和思考。
Q&A
Q1
您实验室在细胞自噬领域的研究十分亮眼，可否给我们简单介绍下细胞自噬以及您实验室主要关注的科学问题？
我在Randy Schekman实验室（编者注：2013年诺贝尔生理与医学奖获得者）进行了长达6年的博士后研究，期间得到了他的极大支持。我许多研究方面的兴趣都是在博士后期间培养起来的。非常难得的是，当我回到清华开始建立自己的实验室时，我能够将所有的想法都带回来，充分利用博士后期间建立的实验系统。例如，博士后期间，实验室主要研究膜泡运输，其中一个共同的研究方向是如何在体外系统中重建细胞自噬过程。
细胞自噬是细胞内的一种重要质量控制过程，它通过细胞内膜的生长，将细胞内的物质包裹起来，然后通过溶酶体进行降解。这个过程对于细胞的正常功能非常关键，一旦出现问题，细胞可能会发生病变，最终导致死亡。这与机体患上癌症、神经性退行性疾病等密切相关。因此，现在我的实验室主要专注于这方面的研究。
A1
Q2
可以分享下您目前最为满意或关注的几项工作吗？
我们实验室的氛围非常轻松，整体进展较为稳定，目前主要聚焦于三个重要的研究成果。
1)首先，我们关注的是细胞自噬的自噬体膜结构的生成过程。细胞内有许多细胞器，如内质网、高尔基体和线粒体等，它们都包含膜结构。自噬体是一种在细胞感受到压力时生成的膜结构，它的来源肯定与周围环境有关。我们特别想找到自噬体膜的来源，因为一旦我们确定了它，我们就可以改变某些分子通路，从而调节自噬过程。
在我们开始该研究之前，自噬领域使用荧光显微镜来观察自噬体及其相关细胞器的位置，希望通过观察它们之间的相互作用来推断自噬体的起源。但他们发现，几乎所有细胞器都与自噬体有关，这可能是因为细胞器都非常接近，彼此之间挤在一起。因此，从这个角度观察，自噬体与所有细胞器都有关系，这让问题无法得到解决。
于是我们决定建立因果关系，这就是为什么我们进行了体外实验。通过纯化各个细胞器，将它们加入到体外反应液中，再观察是否能产生自噬体膜。如果某个特定细胞器能产生自噬体膜，那它就可能是我们寻找的自噬体起源；反之，则不是。这样我们就得到了直接的因果关系，而非仅是相关性关系。
我们花费了大量时间建立了体外重建自噬体的实验系统。通过将细胞质与特定细胞器以及所需的能量反应物质加入反应液中，我们成功地观察到了自噬体膜的形成，虽然它不是完整的自噬体膜，而是其一部分。通过这项工作，我们发现了一个神秘的细胞器，即内质网高尔基中间体（ERGIC），这成为了我们研究的重要基础。我们在2013年发表了第一篇关于ERGIC作为产生自噬体膜重要来源的文章。
回到清华后，以这篇文章为基础，我们在体外重建自噬体的过程中，继续深入研究了自噬体的产生。随后，我们发现ERGIC与内质网上的一个重要位点（ERES）之间发生作用。通常情况下，ERES与COPⅡ小泡相关的膜泡运输有关。但当细胞进行自噬时，ERES的功能发生了变化，不再参与COPⅡ小泡的运输，而是与ERGIC之间形成膜的互作，也就是一种紧密贴合。这导致ERGIC产生一类全新的小泡，主要参与自噬体的产生，而非膜泡运输。
TMED9调节新型内膜ERGIC-ERES互作促进自噬体形成的工作模型
这项研究是我从博士后出站后一直致力于攻克的难题。目前，我们已经发表了一篇论文证明了ERGIC与自噬体的这种互作。此外，我们还对ERGIC上重要的蛋白进行了鉴定，这是我们自2013年开始持续进行的工作，虽然尚未发表，但对我们来说，这是极为重要的研究线路。
2)我们的第二个研究问题是，自噬过程如何辨识和降解需要清除的物质？特别是对于毒性蛋白聚集体等毒性蛋白质，我们很好奇ERGIC产生的自噬体是如何将它们正确定位和降解的。
为了探究这个问题，我们建立了一个自噬体系统来降解毒性蛋白质，尤其是毒性蛋白聚集体。细胞中有许多蛋白质在无法正确合成或折叠错误后，如果不及时清除，就会形成一大堆垃圾。这种现象与多种神经退行性疾病有关，比如阿尔茨海默病中的Tau蛋白和Aβ蛋白，帕金森病中的α-突触核蛋白（alpha-synuclein），以及渐冻症中堆积的多种蛋白，如SOD蛋白、FUS蛋白和TDP43。这些蛋白的堆积会导致神经元功能异常和死亡等一系列问题。
因此，我们思考是否能研究自噬体如何识别这些毒性蛋白质，如果能解析出这个过程，我们就可以针对性地设计药物。
然而，我们并不是第一个研究这个问题的团队，许多人都在探索这个方向，已经发现了自噬受体。自噬受体是可以帮助自噬体识别需要降解的蛋白或细胞器的蛋白质受体。我们曾经考虑过，既然已经发现了这么多自噬受体，再找一个新的是否重要呢？或许只是锦上添花？
尽管如此，我们还是决定继续进行研究。意外地，我们发现了一个新的受体，名为CCT2，这也成为我们后来发表在CELL杂志上的重要内容。
2020年至2021年，相变的概念非常流行，我们将这个概念应用到蛋白聚集体上，发现细胞内的蛋白聚集体其实有两种状态。一种是相变形成的液滴或者胶状物，这种状态是动态的，具有生理活性。它刚形成时是可逆的，但如果长时间不被清除，就会变得不可逆。神经退行性疾病中的蛋白聚集体大多是不可逆的固态聚集体。我们发现CCT2参与了降解这种固态聚集体，而过去的研究关注的自噬受体主要参与液态聚集体的降解过程。
聚集体的相变与固化以及CCT2介导固态聚集体的清除
因此，我们认识到CCT2的重要性不仅仅是锦上添花，它可能揭示了一类新的聚集体降解方式。后来，我们在小鼠模型中表达CCT2蛋白，并观察到许多毒性蛋白被清除，小鼠的疾病状况也得到了极大缓解。目前，我们在亨廷顿舞蹈症和渐冻症等模型中都观察到了这种现象。
总的来讲，我们发现CCT2和传统的聚集体自噬受体在对聚集体状态的选择上有很大的差异：传统的自噬受体更倾向于降解有流动性的液态聚集体，而CCT2则更倾向于选择固态的聚集体。因此相比已知自噬受体，CCT2更有可能在病理状态下发挥作用并成为药物靶点。
CCT2的分子伴侣和自噬受体功能转换
3)我们的研究还涉及另一条非常重要的主线。我们知道自噬不仅用于降解物质，还可以将蛋白质分泌出细胞外。因此，我们开始关注自噬的分泌功能，并在这个方向上偶然发现了一条全新的分泌途径，其中自噬可能并不是最重要的组成部分。相反，我们发现了ERGIC上一类新的类通道蛋白，被称为TMED家族蛋白，在这个过程中起着重要作用。
最初，我们认为自噬体分泌需要包裹蛋白质形成小泡，然后将其分泌出去。然而，尝试了多次后，我们发现自噬体不需要形成小泡就能发挥分泌功能。
我们知道，经典分泌途径是由信号肽介导的，通过内质网和高尔基体进行蛋白质运输，像胰岛素等蛋白质就是通过这种方式进行分泌的，相关研究（包括Randy Schekman研究的COPⅡ小泡）获得了2013年的诺贝尔奖。
然而，在发现经典分泌途径30年后，人们发现了许多非经典分泌途径，它们也扮演着重要的角色。这些非经典分泌途径中有很多不需要囊泡，但直接穿膜运输可能会对细胞膜造成损害，在许多情况下导致细胞死亡。还有一类是通过膜泡释放的，但它们并没有信号肽，就好像盲目运输货物一样，我们好奇它们如何准确地进入膜泡内。
为了解决这些问题，我们考虑到自噬过程，因为自噬可以将某些物质带入细胞内。我们开始寻找一类蛋白通道，它们可能是跨膜转运的，而不需要形成包裹。我们最终找到了TMED家族蛋白，解释了在这个领域中没有信号肽的蛋白质是如何转运的。我们发现了一条新的蛋白质非经典分泌途径，并将这项研究发表在20年的CELL杂志上，我们将这条途径命名为THU通路。
TMED10介导的蛋白质非经典分泌途径工作模型
A2
Q3
这种分泌途径是通过TMED蛋白转运，这类蛋白本身的大小会不会对其通过的蛋白大小有一定限制，只能分泌一些分子量很小的蛋白？
是的，这条通道主要用于运输小分子量的蛋白质。目前，我们认为这个通道有可能调节其通道大小，因为通道的核心是一个单层跨膜蛋白，通过形成多聚体来组成通道。如果形成多聚体，就有可能形成不同数量的多聚体来调节通道的大小，这是这个通道的一个优势。不过，目前我们的这一猜想还没有得到验证。但是在体外纯化蛋白质时，我们确定它肯定是可以发生变化的。我们正在继续深入研究，以验证这个猜想，并揭示这个通道的更多细节。
A3
Q4
ERGIC是高尔基体和内质网的中间体，它在正常的细胞中是一直存在的，还是在一个特定的阶段，它才会通过特定途径，再变成这样一个中间体？
这是一个非常有趣的问题。实际上，ERGIC在细胞内是一个相当动态的结构。它的主要来源来自内质网，通过COPⅡ小泡运输，首先与ERGIC融合。最初，人们认为ERGIC的主要功能是作为内质网或高尔基体中的错误蛋白的中转站，负责将它们送回正确的位置。因此，ERGIC在细胞内是一个非常动态的细胞器。
然而，并非所有的细胞都拥有ERGIC。例如，酿酒酵母就没有这个细胞器。为什么会这样呢？这是因为酿酒酵母的细胞较小，内质网与高尔基体之间的交流相对简单且距离较短。因此，这个细胞器在大体积细胞中通过内质网和高尔基体的长距离运输而演化出来。因此，只有较高等的细胞中才会有ERGIC存在。
当然，随着生物的进化，我们会逐渐发现ERGIC拥有越来越多的功能。我们发现它与细胞应激有关，比如在细胞受到刺激时，产生自噬体也是通过ERGIC进行的。实际上，ERGIC相当于为细胞专门储备了一批膜，用于执行特殊的生理功能，这是一个非常重要的发现。随着研究的深入，我们相信会揭示更多关于ERGIC的功能和意义。
A4
Q5
在发现ERGIC这个过程中，我们是怎么确定一个囊泡它是ERGIC，而不是从内置网运输到高尔基体的COPⅡ膜泡？
这是一个非常重要的问题，同时也是许多研究人员关注的方向。我们主要利用不同的分子标记，比如之前提到的TMED作为ERGIC在非经典分泌途径中的一个很好的标志物。另外，我们还需要观察膜的大小。通过高速差速离心，我们可以分离不同大小的膜泡，而ERGIC与其他膜泡在大小上有所不同。此外，使用细胞生物学的方法也是至关重要的。我们通过显微镜成像在细胞内验证这个结构与其他细胞器之间的联系，这样可以更好地了解其功能与相互作用。这些方法的综合运用有助于深入探究ERGIC的作用及其在细胞分泌和调控中的重要性。
A5
Q6
对于非经典分泌的研究突破，我们现在有哪些可以发展的方向，或者可以应用的领域吗？
THU通路非常复杂，因为非经典分泌是一个新的概念，我们对其进行的研究可以说是从零开始，我们的最终目标是要找到一个确定的方向或结果。目前，我们已经在小鼠的很多组织中进行了TMED10的敲除实验，从中观察到许多生理现象和功能的变化。其中，我们与陈晔光院士实验室合作，已经连续三年在小肠方面开展研究。我们发现小肠的分化出现问题，并且观察到肠炎的出现。此外，我们还发现了许多其他有趣的表型变化，但所有这些现象都需要进一步解释，尤其是要找出受影响或发生变化的分泌蛋白。
A6
Q7
您前面介绍了三个充满希望的工作，这些工作离不开实验室许多同学的努力，您是如何培养同学建立科研习惯的呢？
我个人认为'野蛮生长'是不错的学习方式。抛开所谓发表高水平文章的追求，真正的博士训练应该是充满挑战与探索的，而这在国外大部分实验室也是如此。什么才是真正的强者？真正的强者是那些在实践中踩过无数坑后才得以成长的人。当你能够从错误中吸取教训，知道自己的观点是正确的，同时也认识到什么是错误的，这样才能不断进步。
在我们实验室，我主张将'野蛮生长'与多方位指导相结合。考虑到大家需要准备毕业，我希望学生在5年内完成学业，因此我会给予一些指导，尤其是在研究成果形成时，如何将其整理成逻辑上合理的文章。但在初期阶段，我会给学生一个宽广的方向，让他们有可能证明我的观点是错误的，只要能探索出许多有意思的事情，他们就可以自由地探索。
对于数据的要求我非常严格，实验必须按照最规范的方式进行。每周我们都会进行讨论，大家都需要汇报自己的进展，哪怕只是一个初步的想法。实验室的工作要求也相对严格，但我希望大家都养成良好的习惯，对科研保持热情，并且每天都能取得一些进步。
A7
Q8
科学研究是在探索中不断推进的，但是，我们日常的研究不可能保证每次实验都是令人满意的或符合预期的，您是如何看待这个现象的呢？
我自己也是这样的。这种经历在我们每个人身上都很常见，我认为这是很正常的。在实验中，很大一部分都会以失败告终，但关键在于我们从失败中学到了什么，这是一个宝贵的经验积累过程。当我们从失败中汲取教训，并且进一步思考，就能从中获得更多的收获。
像俗话说的，正常人“吃一堑长一智”，而聪明的人“吃一堑能长三智”，我们或许在一次失败中能长一智半，但如果我们努力不懈，即使遭遇更多的失败，也无关紧要，因为总会从中收获一些东西。
A8
Q9
新生马上就要入学了，大家初到清华，对自己未来研究的方向与课题都会有一段迷茫与不自信的阶段。您认为在博士研究的初期，我们该如何找到合适的课题？
实际上，科研永远是充满未知的，对于低年级的同学，不必过于担心，因为我们会有很多有经验的高年级同学提供指导，通常是一带一或一带二的指导形式。在这样的情况下，我们都面临着一个共同的挑战，朝着同一个目标前进。在这个过程中你会发现有许多值得探索的东西，随着时间的推移，你会自然而然地形成自己的研究课题。
有时候，不要过多纠结于细节，科研是一个自然而然的过程。一开始，你只需要专注于做好每一个实验，哪怕只是成功克隆了一个基因，或者纯化了一个蛋白质，把这些事情做好即可。随着时间的推移，你就会逐渐形成自己的研究体系。同时，不要给自己设定过于具体的目标，每个实验中可以给自己设定一个小目标，但整体的研究方向不必完全确定。科研是一个逐步探索的过程，你需要时不时地问自己一些问题并向前迈进，同时保持对未知事物的渴望，这种渴望是最重要的。保持这种状态将使你在科研中获得更多的成就。
A9
Q10
您觉得对于一个刚入学的研究生来说，哪些特质是您所欣赏的？对于即将步入研究生生活的新同学们，您有哪些建议？
我非常乐意与同学们交流，我认为最关键的是要看他们是否真的喜欢从事科研工作，因为科研的回报实际上是很有限的，我们更多地是在投入。对于技术的熟练掌握并不是最重要的，更关键的是要对实验认真负责。我担心的是，如果对科研不够认真，即使技术掌握得很好，所产生的数据也可能是错误的。但如果真的对科研充满兴趣，你会自然而然地拥有内在的动力，认真对待并且做好研究工作。这种内驱动力是非常重要的。
A10
葛亮副教授接受采访
葛亮副教授实验室致力于解答“细胞在外界压力下如何维持内部稳态平衡？”这一细胞生物学的本质问题。研究主要集中在三个相互关联的细胞学过程：细胞自噬（应激状态下细胞自我清理和更新内部物质的过程）、非经典分泌（近来发现的应激状态下不依赖于传统内质网高尔基体运输的分泌过程）和细胞器互作（细胞器之间通过接触相互协作调控细胞生命活动和应激的过程）。我们运用细胞生物学、生物化学、动物模型和计算生物学等手段，研究这三个过程的细胞内调节和相互作用的分子机制，以及其生物学意义和相关人类疾病。
https://www.life.tsinghua.edu.cn/info/1031/1255.htm
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