胡红丽 香港中文大学（深圳）医学院助理教授

胡红丽，博士，校长青年学者，胡红丽| 香港中文大学(深圳)医学院助理教授。

胡红丽博士主要从事 G 蛋白偶联受体（简称 GPCR）的复合物研究，运用冷冻电镜技术得到 GPCR 的高分辨结构，并研究膜蛋白与其调控蛋白之间相互作用，为设计以膜蛋白为靶标的药物提供重要的理论依据。自2017年起在 Nature、Cell 等顶级杂志上发表文章五篇，其中以共同第一作者身份在 Nature杂志发表文章两篇。主要成果包括：阿片受体与抑制型G蛋白Gi 的3.5埃高分辨电镜结构，以及首个C类GPCR代谢型谷氨酸受体(mGlu5)全长分子不同状态的电镜结构。两个成果均发表在Nature杂志上，胡红丽博士均为共同第一作者，两篇文章均被Nature News & Review着重报道。

教育及工作经历：

2013年获得北京大学医学部生物物理学专业博士学位。

2008年获得南开大学应用物理学专业学士学位。

分别在美国纽约州卫生部Wadsworth Center、密歇根大学和斯坦福大学从事基于冷冻电子显微镜的结构生物学的研究，其中在密歇根大学和斯坦福大学期间与2012 年诺贝尔化学奖得主 Brian K. Kobilka 教授和Robert J. Lefkowitz教授展开广泛的合作研究，参与了许多重要项目，在解析G 蛋白偶联受体高分辨的复合物结构方面做出了突出贡献。

2019年6月起入职香港中文大学（深圳），目前在医学院及科比尔卡创新药物研究院担任助理教授/独立PI、博士生导师  

学术兼职：

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研究领域：

基于冷冻电子显微镜的结构生物学、膜蛋白结构与功能、G蛋白偶联受体结构及功能、药物筛选。  

承担科研项目：

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科研成果：

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发明专利：

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发表学术论文：

1.Guo, Qiong; He, Binbin; Zhong, Yixuan; Jiao, Haizhan; Ren, Yinhang; Wang, Qinggong; Ge, Qiangqiang; Gao, Yongxiang; Liu, Xiangyu; Du, Yang; Hu, Hongli*; Tao, Yuyong*.A method for structure determination of GPCRs in various states.Nature Chemical Biology, 2024, 20(1): 74-+.

2.Jiao, Haizhan; Pang, Bin; Chiang, Ying-Chih; Chen, Qiang; Pan, Qi; Ren, Ruobing*; Hu, Hongli*.Structure basis for the modulation of CXC chemokine receptor 3 by antagonist AMG487.Cell Discovery, 2023, 9(1): 119.

3.Bing Gan#; Leiye Yu#; Haifeng Yang#; Haizhan Jiao; Bin Pang; Yian Chen; Chen Wang; Rui Lv; HU HONGLI; Zhijian Cao*; Ruobing Ren*.Mechanism of agonist-induced activation of the human itch receptor MRGPRX1.PLOS BIOLOGY, 2023, 21(6): e3001975.

4.Geng Chen#; Xiankun Wang#; Qiwen Liao#; Yunjun Ge#; Haizhan Jiao; Qiang Chen; Yezhou Liu; Wenping Lyu; Lizhe Zhu; Gydo C.P.van Zundert; Michael J.Robertson; Georgios Skiniotis; Yang Du*; HU HONGLI*; Richard D.Ye*.Structural basis for recognition of N-formyl peptides as pathogen-associated molecular patterns.Nature Communications, 2022, 13(1): 5232.

5.Yu Leiye#; He Licong#; Gan Bing#; Ti Rujuan#; Xiao Qingjie; Xin Yang*; Hu Hongli; Zhu Lizhe*; Wang Sheng*; Ren Ruobing*.Structural insights into sphingosine-1-phosphate receptor activation..Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2022, 119(16).

6.Liu, Dongmei; Chen, Qiang; Zhang, Lei; Hu, Hongli; Yin, Changcheng*.AgsA oligomer acts as a functional unit.Biochemical and Biophysical Research Communications, 2020, 530(1): 22-28.

7.Hilger, Daniel#; Kumar, Kaavya Krishna#; Hu, Hongli#; Pedersen, Mie Fabricius; O'Brien, Evan S.; Giehm, Lise; Jennings, Christine; Eskici, Gozde; Inoue, Asuka; Lerch, Michael; Mathiesen, Jesper Mosoliff*; Skiniotis, Georgios*; Kobilka, Brian K.*.Structural insights into differences inGprotein activation by family Aand family BGPCRs Science, 2020, 369(6503): 523-+..

8.Staus, Dean P.#; Hu, Hongli#; Robertson, Michael J.#; Kleinhenz, Alissa L. W.; Wingler, Laura M.; Capel, William D.; Latorraca, Naomi R.; Lefkowitz, Robert J.*; Skiniotis, Georgios*.Structure of the M2 muscarinic receptor-beta-arrestin complex in a lipid nanodisc.Nature, 2020, 579.

9.Yang Gao#; HU HONGLI#; Sekar Ramachandran#; Jon W. Erickson; Richard A. Cerione*; Georgios Skiniotis*.Structures of the Rhodopsin-Transducin Complex: Insights into G-Protein Activation.Molecular Cell, 2019, 75(1): 781-790.

10.Kato, Hideaki E; Zhang, Yan; Hu, Hongli; Suomivuori, Carl Mikael; Kadji, Francois Marie Ngako; Aoki, Junken; Kumar, Kaavya Krishna; Fonseca, Rasmus; Hilger, Daniel; Huang, Weijiao; Latorraca, Naomi R; Inoue, Asuka; Dror, Ron O; Kobilka, Brian K*; Skiniotis, Georgios*.Conformational transitions of a neurotensin receptor 1-G(i1) complex.Nature, 2019, 572(7767): 80-+.

11.Koehl, Antoine#; Hu, Hongli#; Feng, Dan#; Sun, Bingfa; Zhang, Yan; Robertson, Michael J.; Chu, Matthew; Kobilka, Tong Sun; Laermans, Toon; Steyaert, Jan; Tarrasch, Jeffrey; Dutta, Somnath; Fonseca, Rasmus; Weis, William I.; Mathiesen, Jesper M.*; Skiniotis, Georgios*; Kobilka, Brian K.*.Structural insights into the activation of metabotropic glutamate receptors.Nature, 2019, 566(7742): 79-+.

12. Antoine Koehl*, Hongli Hu*, Dan Feng*, Bingfa Sun, Yan Zhang, Matthew Chu, Tong Sun Kobilka, Els Pardon, Jan Staeyart, Jeffrey Tarrasch, Somnath Dutta, Rasmus Fonseca , William I Weis, Jesper Matthiesen, Georgios Skiniotis, Brian K Kobilka. "Structural Insights into Metabotropic Glutamate Receptor Activation". Nature, 566(2019):79–84

13. Kaavya Krishna Kumar*, Moran Shalev-Benami*, Michael J. Robertson, Hongli Hu, Samuel D. Banister, Scott A. Hollingsworth, Naomi R. Latorraca, Hideaki E. Kato, Daniel Hilger, Shoji Maeda, William I. Weis, David L. Farrens, Ron O. Dror, Sanjay V. Malhotra, Brian K. Kobilka, Georgios Skiniotis. “Structure of a Signaling Cannabinoid Receptor 1-G Protein Complex”, Cell (2019), 176 (3), 448-458. e12

14.Shoji Maeda; Antoine Koehl; Hugues Matile; Hongli Hu; Daniel Hilger; Gebhard F X Schertler; Aashish Manglik; Georgios Skiniotis; Roger J P Dawson; Brian K Kobilka.Development of an antibody fragment that stabilizes GPCR/G-protein complexes.Nature Communications, 2018, 9(1): 3712.

15.Qu Qianhui; Takahashi Yoh hei; Yang Yidai; Hu Hongli; Zhang Yan; Brunzelle Joseph S; Couture Jean Francois; Shilatifard Ali*; Skiniotis Georgios*.Structure and Conformational Dynamics of a COMPASS Histone H3K4 Methyltransferase Complex.Cell, 2018, 174(5): 1117-1126.

16.Koehl Antoine; Hu Hongli*; Maeda Shoji; Zhang Yan; Qu Qianhui; Paggi Joseph M; Latorraca Naomi R; Hilger Daniel; Dawson Roger; Matile Hugues; Schertler Gebhard F X; Granier Sebastien; Weis William I; Dror Ron O; Manglik Aashish*; Skiniotis Georgios*; Kobilka Brian K*.Structure of the mu-opioid receptor-G(i) protein complex.Nature, 2018, 558(7711): 547-552.

17.Ehsan Muhammad; Ghani Lubna; Du Yang; Hariharan Parameswaran; Mortensen Jonas S; Ribeiro Orquidea; Hu Hongli; Skiniotis Georgios; Loland Claus J; Guan Lan; Kobilka Brian K; Byrne Bernadette; Chae Pil Seok*.New penta-saccharide-bearing tripod amphiphiles for membrane protein structure studies.Analyst, 2017, 142(20): 3889-3898.

18.Zhang Ya*n; Sun Bingfa; Feng Dan; Hu Hongli; Chu Matthew; Qu Qianhui; Tarrasch Jeffrey T; Li Shane; Kobilka Tong Sun; Kobilka Brian K; Skiniotis Georgios.Cryo-EM structure of the activated GLP-1 receptor in complex with a G protein.Nature, 2017, 546(7657): 248-253.

19. Shoji Maeda, Antoine Koehl, Hugues Matile, Hongli Hu, Daniel Hilger, Gebhard Schertler, Aashish Manglik, Georgios Skiniotis, Roger Dawson, and Brian Kobilka. “Development of an antibody fragment that stabilizes GPCR/G-protein complexes", Nature Communications 9 (1), 3712 (2018)  

20.Hongli Hu; Xing Meng.Observation of Network Dynamics of Ryanodine Receptors on Skeletal Muscle Sarcoplasmic Reticulum Membranes.European Journal of Translational Myology, 2016, 26(2).

21.Hu Hongli; Zhang Kaiming; Meng Xing*.Classification using diffraction patterns for single-particle analysis.Ultramicroscopy, 2016, 164: 46-50.

22.Liu, Zhouying; Du, Xiangning; Deng, Jie; Gu, Mingyue; Hu, Hongli; Gui, Miao; Yin, Chang-Cheng; Chang, Zhenzhan*.The interactions between mitochondria and sarcoplasmic reticulum and the proteome characterization of mitochondrion-associated membrane from rabbit skeletal muscle.Proteomics, 2015, 15(15): 2701-2704.

23.Zhang, Kaiming; Ezemaduka, Anastasia N.; Wang, Zhao; Hu, Hongli; Shi, Xiaodong; Liu, Chuang; Lu, Xinping; Fu, Xinmiao; Chang, Zengyi; Yin, Chang-Cheng*.A Novel Mechanism for Small Heat Shock Proteins to Function as Molecular Chaperones.Scientific Reports, 2015, 5: 8811.

24.Hu, Hongli; Wang, Zhao; Wei, Risheng; Fan, Guizhen; Wang, Qiongling; Zhang, Kaiming; Yin, Chang-Cheng*.The molecular architecture of dihydropyrindine receptor/L-type Ca2+ channel complex.Scientific Reports, 2015, 5: 8370.

荣誉奖励： 

1、2020中国新锐科技人物突出成就奖。

科学中国人报道： 

微观世界中的巾帼力量

——记香港中文大学（深圳）医学院助理教授胡红丽

2024-06-11 　

大至蓝鲸、小至病毒，生物世界千差万别，但无论形态多么丰富，它们生命的奥秘却都藏在微观结构之中，比如体内蛋白犹如构筑生命大厦的砖石，决定着生命体可能具有的功能。而若要将蛋白质结构探得明晰，必须走入“微观”。不过，对于探究微观世界的手段，尤其是原子、分子级结构的研究，自光学显微镜的性能开发几乎摸到“天花板”后，科学家的摸索横跨了以世纪为单位的时间，这一僵局最终还是被冷冻电镜的出现所打破。

作为一项颠覆性新技术，冷冻电镜可以让科学家看到许多悬而未决问题的背后机理，让细胞中模糊的斑点逐渐清晰。“这就好像为细胞、蛋白等微观物质做了个‘CT’。”投入冷冻电镜技术研究数年，香港中文大学（深圳）医学院助理教授、科比尔卡创新药物开发研究院首席研究员胡红丽已经可以深入浅出地将晦涩的原理进行类比。多年来，她始终坚守在基于冷冻电子显微镜的膜蛋白结构研究岗位之上，不仅曾与2012年诺贝尔化学奖得主布莱恩·K.科比尔卡（Brian K. Kobilka）教授和罗伯特·J.莱福特霍维茨（Robert J. Lefkowitz）教授开展多项合作研究，且在多项重要G蛋白偶联受体（GPCRs）的结构研究中均有重大突破，其中多篇科研成果已发表于《自然》（Nature）、《细胞》（Cell）等学术期刊，获得国际广泛关注。
 

2019年，学成归来的胡红丽正式加入香港中文大学（深圳）科比尔卡创新药物开发研究院担任独立课题组负责人。在她与先辈、同仁的努力之下，冷冻电镜技术在今天已经逐步走向了大规模应用，G蛋白偶联受体背后奥秘相继揭开也为某些疾病的治疗提供了全新的思路，这无疑为结构生物学的发展带来了新的研究范式，即从平面到立体的跃迁。

以“镜”制“冻”，走进微观

简单来说，冷冻电镜就是将蛋白质保存在非常薄的液体层中，然后将它们冷冻。仪器以高速电子束为光源，对蛋白质进行成像。它有着两项强大功能，一是“万物皆可冻”，只要有需求，不论是生物组织、病毒还是大分子等，都可以通过冷冻电镜观察样本；二是通过冷冻电镜的三维重构能力可以很好地观察到样本的内部结构信息。

这些前沿的技术与知识第一次出现在胡红丽生命中，是在她大学三年级的学术讲座上。最初，“想学应用性专业”的理想将她带入了南开大学应用物理系。本科前两年的物理学基础课程，也的确让她积淀下了深厚的专业知识，但她始终很清楚，自己的梦想在于做研究，以所学切实改变生活。此时，她的人生“引路人”——尹长城教授携带着冷冻电镜与生物物理学，走入了她的视野，也由此改变了她的职业轨迹。

“冷冻电镜在微观世界的应用刷新了我的认知，尹长城老师深入浅出、声情并茂的讲述仿佛为我打开了一扇新世界的大门。最重要的是，他的兼容并蓄吸纳着拥有不同学术背景的年轻人。在他眼中，每个相关学科均有自己的独特优势，例如物理，可以帮助我们快速且透彻地理解仪器背后的工作原理，从而精准挖掘仪器的应用潜力或直接提升仪器的参数与准确度来突破现有的研究困境等。他坚信，未来的科学研究一定属于交叉学科。”前辈巨大的人格魅力与深厚的学术造诣也在之后的岁月中持续吸引着胡红丽，使她坚定地跟随导师到了北京大学医学部生物物理学系接续深造。

虽然在整个博士阶段，胡红丽始终认为自己做出的成果还未达到自我要求的标准，但她还是盛赞这一时期为“对职业发展最有帮助的阶段”，她说：“读博期间最主要的就是把关于冷冻电镜的原理、成像技术和图像处理、应用相关知识都掌握透了，这无疑为我如今的科研打下了最为坚实的基础。”

2008年入行，胡红丽见证了冷冻电镜研究新时代的开启与疾速腾飞，“每天都在见证冷冻电镜的突破”。这一时期，软件和硬件方面的改进，使得冷冻电镜各个方面的性能都得到大幅度的提升。一方面，分辨率的极限一直在被打破，业内称其为“分辨率革命”（resolution revolution）；另一方面，冷冻电镜的研究对象也向分子量更小的蛋白质进军，越来越多的蛋白被证明可以通过冷冻电镜解析。2017年，雅克·杜波切、约阿希姆·弗兰克和理查德·亨德森3位科学巨匠共同获得诺贝尔化学奖，这也再次将冷冻电镜在微观领域的突破推向发展的风口浪尖，而彼时的胡红丽，也已走出国门，远赴他乡，开启了自己人生中的研究新篇。

读万卷书，行万里路，出国的6年时间里，胡红丽先后在美国斯坦福大学与密歇根大学留下了自己奋斗的印迹。“在海外我接触了许多业内领军人物，如斯坦福大学有30多位诺奖得主，我有很多机会可以跟他们面对面聊科研甚至生活，跟他们学习如何去发现问题和解决问题。”胡红丽成为许多正式或非正式学术活动的“常客”，每到周五下午，她总会选择与三五好友围坐举杯或是阔步高谈。她形容大家总是“三句话不离自己本行”，就连偶然吃到一种口味独特的蔬菜，他们都要对其中分子“追本溯源”，如果一时难以得出定论，还要回去翻阅文献，“科研源于生活也将惠及生活，说不准崭新且极富价值的研究方向就藏在身边”。胡红丽说，G蛋白偶联受体的结构研究就在这一阶段正式走入了她的视野。

燃灯前行，勇攀高峰

无论是在药品说明书上还是生物教材当中，G蛋白偶联受体（GPCRs）都是频繁出现的一个“大家族”，因为市面上有大约30%的药物都是通过作用到这类蛋白上才得以发挥作用的。但跟随导师乔治亚斯·斯基尼奥蒂斯开展研究并加入其课题组之后，胡红丽却发现原来科学界对GPCR的认识仍然非常有限。纵使已经过几十年的研究，业界对GPCR的结构了解也不过“十之一二”，对于大部分GPCR的结构探究仍属一片蓝海。“这就好比我们要开一把锁，却连锁芯构造都不清楚。在无法精准开锁的情况下，只能手握一堆钥匙去依次尝试。”本质上讲，其实根本桎梏在于晶体学的结晶难度——GPCRs作为膜蛋白，想要找到它们的结晶条件，难度可比大海捞针。但巨大挑战背后往往蕴藏着高收益或是大突破，于是，胡红丽所在的课题组毅然选择燃灯前行，勇攀学术高峰，尝试用冷冻电镜解析GPCR复合物的结构。

“那几年里，我和2012年诺贝尔化学奖得主——布莱恩·K.科比尔卡（Brian K. Kobilka）教授多有合作，取得了好几项突破。”胡红丽说。而这些工作中令她最满意的是有关Class C的结构研究。这项成果极富代表性，原因在于Class C GPCR和其他类型GPCR差别很大。“所有的GPCR都有7次跨膜螺旋，但Class C GPCR在胞外有个很大的结构域，且它的正构位点不在7次跨膜区，而在胞外的结构域上。我们研究的代谢型谷氨酸受体5（简称mGlu5）是参与调节中枢神经系统的突触传递和神经元兴奋性受体，一般是以二聚体的方式行使功能。”胡红丽适时补充，“这个工作是我在密歇根大学的时候开展的，我一边测试样品，一边测试自动收集软件。刚开始的时候，在薄冰中找不到蛋白颗粒，只能在厚冰处收集数据，图像衬度比较差，分辨率也很难提高。后来我们改进了制样技术，把蛋白质冻到很薄的冰层中，图像衬度就有了很明显的提高。”

值得一提的是，在胡红丽的研究工作发表之前，C类GPCR的相关机理并不十分明确——即便使用全长的分子进行结晶得到衍射也无法计算出跨膜区结构，同时亦无法得知配体结合到正构位点之后是如何传递到跨膜区的。但冷冻电镜却再一次为这些困局注入了新的活力。胡红丽所在的团队解析了mGlu5在失活和激活状态的两个结构，即失活状态胞外VFT（捕蝇器）区域是张开的，二聚体也是几乎平行的；配体结合之后则被VFT捕捉，而后VFT关闭，带动二聚体产生较大位移和旋转，跨膜区距离也随之变短，7次跨膜的构象也发生变化。这种变化引发了学界的广泛关注，也获得了《自然》（Nature）杂志的青睐，在此成果发表的同时，《自然》杂志在同期的“News & Views”专栏发表了一篇题为“近距离观察激活的受体（Excitatory receptors in close-up）”的简讯。
 

此外，胡红丽另一项为人称颂的工作是和GPCR的领军人物罗伯特·J.莱福特霍维茨（Robert J. Lefkowitz）合作研究的，他曾和布莱恩·K.科比尔卡（Brian K. Kobilka）教授一起斩获2012年诺贝尔化学奖。“相比于GPCRs和G蛋白的关系，GPCRs与阻遏蛋白的结构关系更加鲜为人知。即使到今天，我们获得了上千个GPCR的结构，其中只有不到十个是关于阻遏蛋白的。”胡红丽如此阐述这一研究得以开展的背景，而在探索这个复合物的过程中，她也因为其不稳定性吃了很多苦头，直到尝试过几十种不同的实验条件，采集了几万张图片，才终于在冷冻电镜下捕捉到复合物的一个稳定状态，最终解释了阻遏蛋白的招募过程几个关键的科学问题。而功不唐捐，最终这项成果也被《自然》（Nature）杂志接收。

上述所有研究成果的问世为胡红丽的海外研究生涯交上了高分答卷。羽翼渐丰的她很快产生了强烈的归国想法。“是时候将自己的文章写在祖国的大地上了。”她说。行胜于言，很快，香港中文大学（深圳）迎来了一位出色的新成员。

以我之力，追我所愿

以力争站在世界药物研发科学前沿为总体建设目标；以“注重源头创新，关注科学核心问题，与革命性技术与产业化战略相结合”为指导思想；以“吸引全球高端人才、做出高端成果，同时将深圳学术研究带入世界高水准”为期许，香港中文大学（深圳）科比尔卡创新药物开发研究院（简称“研究院”）在成立之初，便吸引着胡红丽的目光。基于对平台的向往，她甘愿接受“从零开始”筹建实验室的挑战。

“当时实验室内没有任何设备，无论是需要自己建立复杂的实验室系统，还是亲力亲为开展人员招聘、人员培训等工作，对我来说都是一套陌生的流程。不过幸好，通过两年的不懈努力，我们的实验队伍已经初具雏形，可以系统地完成GPCR结构的解析工作了。”也正是在此基础上，他们的首个着力点——炎症趋化因子受体的探究才有所进展。

炎症趋化因子的作用靶点（趋化因子受体）表达于巨噬细胞、单核细胞、嗜酸性粒细胞、中性粒细胞等细胞表面，属于GPCR家族A类成员。目前学界已明确鉴别出约20种趋化因子受体和约50种内源性趋化因子，在多种疾病治疗中都具有重要意义，然而趋化因子受体如何调节免疫细胞功能的分子机理却仍属未知，目前美国食品药品监督管理局（FDA）批准的靶向趋化因子受体家族成员的药物也只有3种，仍存在严重缺口。

因此，胡红丽团队选择了炎症趋化因子受体CXCR3作为切入点予以破局。依托于相关项目，胡红丽团队获得了多个不同配体激活下CXCR3的结构，发现了配体不同的激活模式。同时他们也捕捉到正构和别构抑制剂的调节位点，“把控制CXCR3开放和关闭的每个机关都找到了”，这些结构将为我们设计新的机关密码，为相应疾病的治疗提供指导。目前相关工作已有两篇文章被自然《自然》（Nature）子刊发表，未来仍大有可期。

关于未来的打算，胡红丽始终头脑清晰、态度坚定：“我知道未来要做的事情还有很多，而且可能会遇到前所未有的艰难险阻。然而，我对自己和我的团队充满信心。当逆境降临，我们有能力制定出卓越的应对策略，共同克服困难，迎接每一个挑战。”

来源：科学中国人 2024年第5期创新之路


 

专访 | 胡红丽教授：以“镜”制“冻”，用冷冻电镜探索微观世界

2019-06-24

胡红丽博士于2019年6月正式加入香港中文大学（深圳）生命与健康科学学院，担任助理教授、博士生导师及科比尔卡创新药物开发研究院首席研究员。本期采访中，胡教授不仅把她的科研经历娓娓道来，也对冷冻电子显微镜技术进行了介绍。

Q1. 您的学习经历是怎样的？

我本科就读于南开大学应用物理系。南开大学数学系比物理系要强一些，但是我不是很喜欢纯理论纯计算的学科，所以高考报名的时候就优先选择了物理系。应用物理学是一个交叉学科的专业，包括生物、医学、光电子信息科技、光学等细分方向。本科前两年学习了物理学的基础课程之后，到三年级细分专业方向时，我选择的就是生物物理学方向，所以我在本科阶段就对生物学有了一定的知识积累。到大四选择保研还是找工作的时候，我当时想继续从事科研。机缘巧合，北医（北京大学医学部）的尹长城教授来南开进行讲座，他当时讲的就是冷冻电子显微镜的技术，我听了之后很震惊，用冷冻电子显微镜技术居然可以直接“看”到需要研究的生物分子，我觉得这个技术如果发展起来会有非常广泛的应用空间，所以当时毕业设计的时候我就选择进到他的组做实习，本科毕业后也选择了他作为我的博士生导师，正式进入了冷冻电镜这一研究领域。可以说，尹老师是我科研上的领路人。本科阶段对物理学，数学和生物学的交叉学科知识的掌握也帮助了我从事冷冻电镜方面的结构生物学研究。

Q2. 您能简单介绍一下冷冻电镜技术的发展吗？

1931年德国科学家Ernst Ruska发明了透射电子显微镜。上世纪中叶，生物学家尝试对生物样品进行固定、包埋、切片及重金属染色等技术应用电子显微镜观察细胞的精细结构，并发现了许多重要的细胞器。但是这样观察到的生物样品是脱水状态的，而且是对附着生物分子的重金属染料成像，无法获得生物大分子的高分辨结构信息。如何用电子显微镜观察含水状态的生物样品成了科学家们试图解决的问题。

上世纪80年代Jacques Dubochet发明了快速冷冻的方法，可以将生物分子在溶液中的状态迅速固定。当降温速度比较快时，水溶液会形成无序的玻璃态冰，而不是我们常见到的晶体状冰，这样生物大分子可以保持其在溶液中的原始结构，而低温环境可以降低电子对生物大分子的辐射损伤，保持了蛋白质的高分辨结构信息。这种用低温制备并观察样品的技术成为现在普遍使用的冷冻电子显微学技术。Jacques Dubochet也因为自己对冷冻电镜技术发展的原创性贡献，与Joachim Frank和Richard Henderson共同分享了2017年诺贝尔化学奖。

在成像方面，透射电子显微镜的成像是电子束与生物大分子相互作用后的二维投影信息。1968年，Aaron Klug发现了中心截面定理，将采集到的生物样品的多个角度的电子显微图像在计算机中重构出它的三维结构。生物分子在溶液中以随机的取向分布在样品中，当我们对生物分子大量成像后，理论上可以采集到他们在空间各个角度的投影信息。用这种方法获得生物分子三维结构相比于晶体学衍射技术来说有很多优点。首先是不需要对生物分子结晶，我们知道晶体学进行结构研究最大的限制是结晶困难，并非所有生物分子都能形成高度有序的晶体。其次是冷冻电子显微镜是在生物分子的原始溶液中直接观察他们的状态，可以最大程度保持生物分子在溶液中的自然状态。Aaron Klug也因此获得了1982年诺贝尔化学奖。

在我2008年开始读博的时候，冷冻电镜并没有广泛的应用，同年Hong Zhou在Nature上发表了3.3埃分辨率的多角体病毒结构，在当时造成比较大的轰动，首次证明了冷冻电子显微镜可以作为重要技术手段解析生物大分子的原子模型。但是受各种技术水平的限制，它只在研究病毒这一类尺寸比较大、对称性比较高的生物结构时才能够达到较高的分辨率，所以当时冷冻电镜算是比较弱势的学科，我们在北大的时候还经常参加“弱势学科讨论会”。

我作为博士研究生的几年是比较幸运的，见证了冷冻电镜领域最重要的几项技术变革。到今天，冷冻电镜已经和X射线、核磁共振并列为结构生物学的三大技术。在硬件方面，厂家一方面在努力提高电子显微镜的机械系统和光学系统的稳定性，尤其是新开发的三级聚光镜的系统保证了电子束的相干性很好。另外一个就是样品台，之前都是人工操作转移和插入样品，后来发展出来用机械手取代人工负责样品转移和把样品放到操作台上，这样的好处就是更稳定，同时所有操作都与外界隔绝也可以避免样品受到冰的污染。在图像采集方面，基于CMOS技术开发的直接电子探测器取代了CCD和胶片，可以对样品进行高速连续采样，大大的提高了探测效率。在电子束照射下冷冻样品会有一个明显的漂移，称为drift，使用直接电子探测器，我们可以记录非常短的时间内拍摄到的信号，然后对每个时间点的照片上样品的移动进行校正。打个比方就是相机的快门速度和感光元件灵敏度都提高很多，每一张照片都可以理解为一个电影，我们已经可以做到对电影的每一帧进行校正。在软件上，英国剑桥大学的Sjors Scheres开发的单颗粒三维重构分析算法并开发为实用的软件RELION，对样品里面不同状态的颗粒的图片进行二维和三维的分类，有效将不同构象状态的结构通过分类区分，这个软件已成为冷冻电镜结构解析的主流软件包。2013年UCSF（加州大学旧金山分校）的David Agard和Yifan Cheng用冷冻电镜技术解析出来的TRPV1近原子分辨率结构，至此，冷冻电镜进入一个全新的时代，众多过去无法解析的低分子量、无对称的重要生物大分子结构被解析出来。

Q3. 您的科研经历是怎样的？

我在博士期间和博士后前两年做的都是钙通道蛋白的结构解析，一个是钙离子的释放通道，一个是电压门控的钙通道。我用这宝贵的几年时间学习了各种电子显微镜相关的理论知识和实践经验，由于经常需要到其他实验室借用电子显微镜，可以说几乎和所有旧式的电子显微镜都有过接触，打下了坚实的基础。

博士毕业后我在纽约州卫生部下属的Wadsworth Center研究所从事冷冻电镜相关的研究，Wadsworth Center曾经是前面提到的与Jacques Dubochet分享2017年诺贝尔化学奖的Joachim Frank教授的实验室所在地，但是我去的时候他已经搬到纽约哥伦比亚大学了。我在Wadsworth的导师是Frank的学生Terry Wagenknecht，不过他当时也已经到了快退休的年龄，我在那里又学习了冷冻电子显微镜的另一项重要技术：电子断层扫描成像。后来实验室的导师退休，我找工作的时候联系了密歇根大学的Georgios Skiniotis教授，面试的时候他比较看重我的科研经历里面丰富的冷冻电镜的经验。我到了实验室之后才知道他和获得2012年诺贝尔化学奖的两位教授——杜克大学的Robert Lefkowitz教授和斯坦福大学的Brian Kobilka教授——都有密切的合作。

刚进实验室时，我就接手了一个GPCR（G蛋白偶联受体）的复合物的课题。我去之前，实验室的两位博后已经做了一些尝试。这一类复合物分子量比较小，当时认为用冷冻电子显微镜解析结构还比较困难，复合物又非常不稳定，我们在制备冷冻电镜样品的时候一直遇到很多困难，我加入之后就和他们在样品筛选和制备方面做了很多实验，终于取得了一些进展。另一方面，当时世界上仅有少数实验室设置了自动数据采集软件来收集数据，我们还是用手动的方式，每张照片都要操控样品杆把样品移到中心，然后进行聚焦和曝光，往往收集一套数据要重复成千上万次，效率也比较低，即便24小时不休息，一天也只能照几百张照片。我就和导师提出要安装一个自动数据采集软件，把人力解放出来，他同意后我就结合之前学过的知识摸索如何安装和设置自动数据采集软件。到2017年初，我刚把密大的一台冷冻电镜的自动收集程序调试运行成功时，Georgios决定把实验室搬到斯坦福，以便和Kobilka实验室的继续合作。当时斯坦福已经安装了四台冷冻电镜，但是软件和调试工作都没开始。Georgios说服我去斯坦福继续和他一起工作，包括让我负责电镜的软件安装和调试工作，希望把我在电镜技术上的积累和创新充分利用起来。

这几年内我和Kobilka教授的合作有很多，其中有两个成果是最有代表性的。第一个课题是关于GPCR和G蛋白复合物的，我们研究的是阿片受体，阿片受体是镇痛剂的靶点，它是通过结合G蛋白向下游传递信号的。Kobilka课题组对阿片受体的工作机制的研究已经开展了很多年，他们用晶体学的方法分别解析了阿片受体蛋白在失活和激活时的构象，了解了受体激活过程的结构变化，但是我们并不清楚不同的激动剂激活方式的区别以及阿片受体是如何选择性结合G蛋白向下传递信息。当时Kobilka教授的一个博士研究生花了几年时间尝试结晶阿片受体与G蛋白的复合物，拿到了不少晶体，但是都没有衍射信号，所以他找我们合作，希望可以用冷冻电镜方法研究它的结构。这个工作是我在密歇根大学的时候开展的，我一边测试样品一边测试自动收集软件。刚开始的时候，在薄冰中找不到蛋白颗粒，只能在厚冰处收集数据，图像衬度比较差，分辨率也很难提高。后来我们改进了制样技术，把复合物冻到很薄的冰层中，图像信噪比有很明显的提高，最后得到3.5埃分辨率的结构，可以非常精确的看到受体和G蛋白的作用位点。这项成果于2018年发表在Nature杂志上。Nature在同一期发表了另外三篇GPCR复合物结构相关的文章，可见这一领域的竞争是非常激烈的，在同期的四篇论文中，我们的分辨率是最高的。

 

Nature, 558(2018):547-552

第二项成果是Class C的GPCR的结构，这项成果也是非常有代表性的，因为C类GPCR和其他类型GPCR差别很大。所有的GPCR都有七次跨膜螺旋，但C类GPCR在胞外有个很大的结构域，而且它的正构位点（orhtosteric site）不在七次跨膜区，而在胞外的结构域上。我们研究的代谢型谷氨酸受体5（简称mGlu5）是参与调节中枢神经系统的突触传递和神经元兴奋性受体，一般是以二聚体的方式行使功能。Kobilka课题组曾经用晶体学的方法做了很多尝试，只能得到胞外区的结构，使用全长的分子进行结晶得到衍射也无法算出跨膜区的结构，也就无法得知配体结合到正构位点之后是如何传递到跨膜区的。我们用冷冻电镜方法分别成功解析了mGlu5在失活和激活状态的两个结构，失活状态胞外VFT（捕蝇器）区域是张开的，二聚体也是几乎平行的。配体结合之后被VFT捕捉，然后VFT关闭，带动二聚体产生一个比较大的位移和旋转，跨膜区也随之距离变短，7次跨膜的构象也发生变化。我们用突变的方法验证了二聚体激活后的结合位点与mGlu5行使功能相关。这是首次观察到完整结构的C类GPCR的构象变化，这项成果在Nature杂志发表后又专门有一篇短讯刊登在同一期杂志News & Reviews，在Twitter上也引起众多转载。

上图为胡教授2019年发表的Nature一作论文插图，原文引用为：Antoine Koehl*, Hongli Hu*, et al "Structural Insights into Metabotropic Glutamate Receptor Activation". Nature, 566(2019):79–84

Q4. 您为什么选择加入港中大（深圳）？

香港中文大学（深圳）的科比尔卡创新药物开发研究院2017年成立的时候，我在美国就关注过，当时我的课题有了一些阶段性的成果，我还憧憬了一下将来可以来到这里工作。去年下半年，我的两个重要成果都发表之后，我开始认真考虑回国发展，第一个就想到了这里，拿到文章接受信之后我就开始准备面试。Kobilka教授和他的夫人Tong Sun都非常支持我，去年11月的时候我就得到了面试的机会。面试过程中和叶院长、朱宝亭教授等学校和学院领导进行了深入的交谈，我也更加深入地了解香港中文大学（深圳），感受到港中大（深圳）欣欣向荣的发展面貌。香港中文大学（深圳）拥有良好的科研氛围和高水平的科研平台，Kobilka研究院购买了两台最高端型号的冷冻电子显微镜Titan Krios，并且配备了强大的计算机集群。学校和学院领导都很重视Kobilka研究院的建设和发展，研究院的几位PI在科研背景上有很好的互补性，可以快速推动科研工作的进展，相信在叶院长和Kobilka教授带领下，我们很快会在药物开发和技术应用方面做出成果。

Q5. 能介绍一下您未来的研究方向吗？

我在GPCR方向的课题有了不错的积累，想继续进行更加深入的研究。GPCR家族有800多个成员，对人体生理代谢的几乎所有方面都有重要影响，现今市场上超过30%的药物都是以这一类蛋白为靶点的，然而到目前为止仅有不到70个GPCR的结构被解析，还有许多具有重要生理学功能的GPCR有待我们去研究。冷冻电镜目前已经是结构生物学研究的主流方式，为我们了解GPCR的结构和功能提供重要支持。一方面，我们要研究GPCR与不同类型配体相互作用的复合物的结构，解析受体在不同功能状态下的构象变化。另一方面，GPCR的下游蛋白并不只有G蛋白，还有β-arrestin和GRK等，GPCR可以通过结合不同的配体激发的构象变化，与不同的下游信号分子相互作用继而引发复杂的信号转导过程，然而特定类型的GPCR如何与激发不同的信号传导还需要更多结构生物学信息提供支持。Kobilka研究院主要从事创新药物开发，冷冻电子显微镜给药物开发提供了非常好的手段，通过冷冻电镜研究蛋白的药物靶点的结构，为药物开发和优化提供更多的依据。

此外，在冷冻电镜技术方面也可以继续进行研究。冷冻电子显微镜的应用越来越广泛，但是它还是有一定的技术门槛的，在样品制备、数据采集和数据处理环节中，操作人员都需要受过一定时间的专业培训，结构解析过程也需要科研人员在三维重构、编程和生物学方向的专业知识。将来我们可以在方法学上进行研究，优化现有的操作流程和方法，使得这项技术发展的更加成熟，降低技术门槛，让越来越多的科研人员能够娴熟地应用冷冻电镜技术。

Q6. 您对我们的学生有哪些建议？

在对待科研的态度方面，我自己的感觉就是，兴趣最重要。科研在外人看来还是比较“高大上”的，做科研每天接触到的都是最前沿的知识，每当有新的成果做出来或者发现新的现象，激动的心情都是无法用言语表达的。然而在实际工作中，大部分时间要应对许多枯燥、辛苦的工作，经常需要阅读大量的文献才能找到某个问题的答案，没有兴趣很难坚持下来。另外，科研工作的研究结果往往是未知的，并非所有结果都能达到预期，或者在实验过程中经常遇到瓶颈长期没有进展，需要有很大的毅力才能坚持下来。

至于同学们专业的选择，除了兴趣以外，也要充分了解专业的发展趋势，要看学科和专业的未来会有怎样的发展。多和业内的人士沟通，来判断是否真的是自己想要做的方向。在现在这个信息化的社会，许多工作都需要各个行业的人才紧密合作才能完成，无论选择什么方向都要重视和加强人际间合作交流的能力。

人物简介

胡红丽博士于2008年获得南开大学应用物理学专业学士学位，2013年获得北京大学医学部生物物理学专业博士学位，随后赴美国开展博士后的研究工作。分别在美国纽约州卫生部Wadsworth Center、密歇根大学和斯坦福大学从事基于冷冻电子显微镜的结构生物学的研究，其中在密歇根大学和斯坦福大学期间与2012 年诺贝尔化学奖得主 Brian K. Kobilka 教授和Robert J. Lefkowitz教授展开广泛的合作研究，参与了许多重要项目，在解析G 蛋白偶联受体（简称 GPCR）高分辨的复合物结构方面做出了突出贡献。胡红丽博士自2019年6月起入职香港中文大学（深圳）生命与健康科学学院及科比尔卡创新药物开发研究院担任助理教授/独立PI、博士生导师。

胡红丽博士主要从事 GPCR的复合物研究，运用冷冻电镜技术研究得到 GPCR 的高分辨结构，并研究膜蛋白与其调控蛋白之间相互作用，为设计以膜蛋白为靶标的药物提供重要的理论依据。自2017年起在 Nature、Cell 等顶级杂志上发表文章五篇，其中以共同第一作者身份在Nature杂志发表文章两篇。主要成果包括：阿片受体与抑制型G蛋白Gi 的3.5埃高分辨电镜结构，以及首个C类GPCR代谢型谷氨酸受体(mGlu5)全长分子不同状态的电镜结构，两个结构均发表在Nature杂志上，两篇文章均被Nature News & Review着重报道。
 

原文链接： https://med.cuhk.edu.cn/article/518