生命科學(xué)與生物技術(shù)研究進(jìn)展 2010（下半年）

趙貴英，張樹庸

2010 年下半年生命科學(xué)與生物技術(shù)研究領(lǐng)域日新月異，新技術(shù)、新方法、新成果層出不窮。美國《科學(xué)》雜志評出了 2010 年十大科學(xué)突破，其中生命科學(xué)就占了八項，這足以說明生命科學(xué)研究的發(fā)展速度。

⑴合成生物學(xué)：在生物學(xué)和生物技術(shù)的一個決定性時刻，研究人員組合了一個合成基因組，并用它轉(zhuǎn)變了一種細(xì)菌的身份特性。合成基因組取代了細(xì)菌的核糖核酸，導(dǎo)致其生產(chǎn)出一組新的蛋白質(zhì)。該研究成就促使美國國會召開了關(guān)于合成生物學(xué)的聽證會。研究人員預(yù)計，未來量身定制的合成基因組可用來產(chǎn)生生物燃料、醫(yī)藥品或其他有用的化學(xué)制品。

⑵尼安德特人基因組：研究人員完成了尼安德特人基因組測序，基因組取自 3.8 萬年至 4.4 萬年前曾經(jīng)生活在克羅地亞的 3 名女性尼安德特人的骨頭。他們采用了對核糖核酸（DNA）降解片段進(jìn)行測序的新方法，并首次對現(xiàn)代人的基因組與尼安德特人組進(jìn)行了直接比較。

⑶艾滋病病毒預(yù)防：對兩種新穎預(yù)防艾滋病病毒方法進(jìn)行的試驗取得了不容置疑的成功：一種是含有抗艾滋病病毒藥物泰諾福韋（tenofovir）的陰道凝膠，它可使女性被感染率減少 39%；另一種為口服藥物前接觸預(yù)防法，其讓一組男子以及與男性有性關(guān)系的變性女子（出生時為男性）感染艾滋病病毒的幾率減少了 43.8%。

⑷外顯子組測序/罕見疾病基因：對于研究因單一有缺陷基因?qū)е潞币娺z傳性疾病的研究人員而言，僅對某一基因組中的外顯子（即基因組中擔(dān)當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)編碼的極小部分）進(jìn)行測序，就能發(fā)現(xiàn)特殊的、至少造成 12 種疾病的基因突變。

⑸分子動力學(xué)模擬：模擬蛋白質(zhì)在折疊時產(chǎn)出的旋轉(zhuǎn)始終是一個組合噩夢。如今，借助世界上強大的計算機能力，研究人員能跟蹤微小的正在折疊的蛋白質(zhì)中原子運動，跟蹤時間比過去任何方法都要長 100 倍。

⑹下一代基因組學(xué)：更快速更廉價的測序技術(shù)使人們能夠以極大的規(guī)模研究古代和現(xiàn)代核糖核酸。以“千人基因組計劃”為例，其發(fā)現(xiàn)了眾多導(dǎo)致我們?nèi)祟惇氁粺o二的基因組變異，而其他正在進(jìn)行中的計劃將揭示更多的基因組功能。

⑺核糖核酸重編程：重新編程細(xì)胞（即將細(xì)胞的發(fā)育時鐘回?fù)?，使其表現(xiàn)如同胚胎中的非特化“干細(xì)胞”）已經(jīng)成為一種研究疾病和發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)實驗室技術(shù)。今年，研究人員找到了用合成核糖核酸實現(xiàn)細(xì)胞重編程的方法。與以往的方法相比，新技術(shù)的速度要快 2 倍，功效要高 100 倍，并在治療應(yīng)用上可望更為安全。

⑻大鼠的回歸：小鼠在實驗室動物世界占有統(tǒng)治地位。然而鑒于許多的用途，研究人員更愿意用大鼠。因為大鼠更容易用來做實驗，且從解剖學(xué)的角度上講與人類更加相似。不過，大鼠存在著重大缺陷，用以制造“基因剔除小鼠”（即通過精確地關(guān)閉特定基因而專門用于研究的小鼠）的方法在大鼠中無效。然而，今年有一系列的研究承諾會給實驗室?guī)泶笈盎蛱蕹笫蟆薄?/p>

在以上八項突破中，中國“華大基因”參與了其中兩項工作，足以說明中國的生命科學(xué)研究已躋入世界前沿，下面主要介紹一下我國 2010 年下半年生命科學(xué)與生物技術(shù)研究進(jìn)展。

⑴我科學(xué)家發(fā)現(xiàn)“蛋白尿促進(jìn)腎小管細(xì)胞凋亡”機制 ——致腎小管細(xì)胞死亡的“兇手”有望被降伏

蛋白激酶 C-delta 是一種與惡性腫瘤轉(zhuǎn)移相關(guān)的蛋白質(zhì)。它的功能就像“司令官”一樣，可以調(diào)控下游蛋白質(zhì)作用機制的發(fā)揮。武漢大學(xué)中南醫(yī)院腎病內(nèi)科醫(yī)師李曉寧團隊研究發(fā)現(xiàn)，蛋白激酶 C-delta 在蛋白尿中表達(dá)升高，是尿蛋白誘導(dǎo)腎小管細(xì)胞死亡的“兇手”。如果抑制住蛋白激酶C-delta 在蛋白尿動物腎臟中的表達(dá)，就可以成功抑制蛋白尿誘導(dǎo)的腎小管損傷。

李曉寧以第一作者撰寫的論文《蛋白激酶 C-delta 促進(jìn)蛋白尿相關(guān)的腎小管細(xì)胞凋亡》于 2010 年 7 月 1 日在國際腎臟學(xué)界最權(quán)威的學(xué)術(shù)刊物《美國腎臟病學(xué)會雜志》上發(fā)表，該雜志還專門配發(fā)了近 2000 字的綜述。

過去醫(yī)學(xué)界認(rèn)為，蛋白尿是腎臟病變產(chǎn)生的結(jié)果；而后由于發(fā)現(xiàn)蛋白尿患者腎臟纖維化加速，醫(yī)學(xué)界又據(jù)此懷疑尿蛋白不僅是腎臟病變的結(jié)果，還有可能是腎臟病變的“元兇”，但一直未能找到直接證據(jù)。

李曉寧及其研究小組發(fā)現(xiàn)，腎病水平的蛋白尿可以在體內(nèi)和體外誘導(dǎo)腎小管細(xì)胞凋亡，并發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞凋亡的早、晚期特征性事件等，從而分別從細(xì)胞水平、亞細(xì)胞水平、DNA水平和蛋白質(zhì)水平證實了白蛋白對腎小管細(xì)胞的直接毒性作用。研究小組還發(fā)現(xiàn)蛋白激酶 C-delta 在蛋白尿?qū)嶒災(zāi)Ｐ椭斜磉_(dá)升高會促進(jìn)白蛋白誘導(dǎo)腎小管細(xì)胞死亡，表明蛋白激酶 C-delta 是誘導(dǎo)腎小管細(xì)胞死亡的“兇手”之一。為了找到治療手段，李曉寧等研究人員分別用化學(xué)藥物和基因轉(zhuǎn)染的方法，成功抑制了蛋白尿誘導(dǎo)的腎小管損傷。

專家表示，這一研究發(fā)現(xiàn)為腎臟疾病的臨床治療和藥物開發(fā)提供了靶點。

⑵細(xì)胞中“宅男宅女”是傳遞“信號”大使——我科學(xué)家揭示生物系統(tǒng)內(nèi)全新的信息傳遞機制

一直被科學(xué)家當(dāng)做“宅男宅女”的 miRNA，最近卻在研究中發(fā)現(xiàn)它們被賦予了比傳統(tǒng)激素、細(xì)胞因子等信號蛋白更加高效、強勁的信息傳遞功能，即 miRNA 能夠被一種細(xì)胞分泌出來后，經(jīng)血液循環(huán)被運輸?shù)搅硗庖环N受體細(xì)胞內(nèi)，通過降低其相應(yīng)靶基因的翻譯，從而調(diào)節(jié)受體細(xì)胞的功能。在 2010 年 7 月 9 日出版的《分子細(xì)胞》期刊上，南京大學(xué)發(fā)表的一篇研究論文將幫助人類更好地理解生物系統(tǒng)內(nèi)信息傳遞的本質(zhì)規(guī)律，揭示疾病發(fā)生發(fā)展的新機制，并發(fā)展出新的治療策略與方法。

miRNA 是一類動植物細(xì)胞內(nèi)自然產(chǎn)生的非編碼小RNA。以前，科學(xué)家一直認(rèn)為 miRNA 是一類喜歡“宅”的分子，從“出生”起，一輩子就在一個細(xì)胞中活動。可是，南京大學(xué)生命科學(xué)院教授張辰宇、曾科和同事們卻在研究一種編號為 miRNA150 的微小 RNA 時，發(fā)現(xiàn)免疫系統(tǒng)中的單核/巨噬細(xì)胞在受到某種刺激后，會增加制造出miRNA150，并釋放到循環(huán)的血液里，順血流鉆入內(nèi)皮細(xì)胞中，刺激內(nèi)皮細(xì)胞遷移。

以激素/細(xì)胞因子—受體及抗原—抗體等為代表的已知傳統(tǒng)的細(xì)胞間信號傳遞方式，通常發(fā)生在特定種類的細(xì)胞，并且一般只有一個或數(shù)個分子直接作用。因而，這種通信方式是“單通道”的。而所有類型的細(xì)胞都具有分泌與接受miRNA 的能力，并且在特定的生理與病理生理條件下，細(xì)胞可一次性分泌多種 miRNA，在靶細(xì)胞中更能調(diào)節(jié)多個基因的翻譯，所以，miRNA 的信號傳遞方式是“雙通道”或“多通道”的。

張辰宇說，糖尿病、紅斑狼瘡等在目前看來發(fā)生機制尚不明確的病癥，在將來卻有可能通過切斷細(xì)胞間信號傳遞通道等方式進(jìn)行防治。

⑶我國學(xué)者發(fā)現(xiàn)長壽基因——可望解開“長命百歲”之謎

北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)研究所人類群體遺傳研究室田小利教授與北京大學(xué)國家發(fā)展研究院健康老齡與發(fā)展研究中心曾毅教授聯(lián)合研究組發(fā)現(xiàn)，名為 FOXO1A 和 FOXO3A 的兩個基因與長壽相關(guān)，其中前者與我國女性的長壽相關(guān)，后者則沒有性別差異。

健康長壽是每一個人的夢想，但影響健康長壽的因素很多，包括性別、生活習(xí)慣、生活環(huán)境和遺傳及其相互作用等。在年齡大于 85 歲的人群中女性約占 70% ～ 85%，而男性僅為 15% ～ 30%。盡管女性的長壽優(yōu)勢可見于已經(jīng)報道的所有人種，但原因尚不明確。田小利和曾毅聯(lián)合研究組首次發(fā)現(xiàn) FOXO1A 基因與女性的長壽相關(guān)，而與男性關(guān)系不顯著，將有助于解釋女性長壽之謎。FOXO3A 基因曾報道與其他的人群（如日本人、美國人、德國人和意大利人等）的長壽相關(guān)。FOXO1A 和 FOXO3A 是胰島素或胰島素樣生長因子介導(dǎo)的下游信號通路分子，與細(xì)胞周期、生長、凋亡以及血管新生等有密切關(guān)系。在代謝方面，它們的主要功能是平衡胰島素的敏感性和抗性，參與癌癥、自身免疫病以及心血管疾病如缺血性心臟病、心肌肥大等。

田小利等推測 FOXO3A 可能通過調(diào)節(jié)胰島素抗性和長壽相關(guān)，而 FOXO1A 則除調(diào)節(jié)胰島素抗性外可能還通過與女性生殖系統(tǒng)的相互作用而影響人的壽命。研究人員通過比較分析了 1000 個百歲老人和 1000 多個年輕人的FOXO1A 及 FOXO3A 基因型，得出了這兩個基因與長壽相關(guān)的結(jié)論。

⑷我科學(xué)家發(fā)現(xiàn)兩個食管癌易感基因

我國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了兩個食管癌易感基因，由此形成的科研成果為食管癌高危人群預(yù)警和個體化防治開辟了新的研究方向。這一食管癌全基因組關(guān)聯(lián)分析研究成果，2010 年 8月 23 日在國際學(xué)術(shù)期刊《自然—遺傳學(xué)》上在線發(fā)表。

河南省新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院癌癥研究中心主任、特聘教授王立東領(lǐng)銜的由 17 個省市 50 家科研機構(gòu) 268 位學(xué)者組成的科研團隊，在人類的第 10 號和第 20 號染色體上首次發(fā)現(xiàn)了這兩個易感基因，即 PLCE1（磷脂酶 Ce1）和 C20orf54（核黃素轉(zhuǎn)運基因），可以極大地提高高危人群的檢出率。

肉類和蔬菜等膳食中所蘊含的核黃素，本來可以維護(hù)人類表皮的完整性，調(diào)控細(xì)胞的增生。但是在食管癌患者中，由于環(huán)境和遺傳等原因，導(dǎo)致一些基因的“大門”被關(guān)閉，核黃素從細(xì)胞外轉(zhuǎn)入細(xì)胞內(nèi)的渠道不通，致使一些患者雖然同樣大量進(jìn)食含核黃素的食物或藥物，但不能有效地轉(zhuǎn)入細(xì)胞內(nèi)，也就無法起到治療作用。針對這一情況，王立東和他的研究團隊設(shè)計了一個有利于基因表達(dá)的產(chǎn)物蛋白質(zhì)，來抑制另外一個蛋白質(zhì)的表達(dá)，并與它中和，這一過程可以借助胃鏡下進(jìn)行瘤體注射來完成。這就是基因治療。

王立東說，基因診斷更便捷，對于患者，檢查成本也將十分低廉。只需在人的身上抽一滴血，用事先設(shè)置在常規(guī)醫(yī)療設(shè)備磁珠上的食管癌易感基因進(jìn)行檢測，如果導(dǎo)致這些易感基因的顏色發(fā)生改變，就證明這個人很可能是食管癌易感者或高發(fā)者，其發(fā)病幾率是正常人的 50 倍。采用此法檢驗后，可用目前常用的食管鏡、CT、320π 等手段進(jìn)一步確診。

⑸我科學(xué)家發(fā)現(xiàn)人體內(nèi)導(dǎo)致肝癌的易感基因

中科院院士賀福初領(lǐng)銜的蛋白質(zhì)組學(xué)國家重點實驗室在肝癌研究領(lǐng)域又有重大發(fā)現(xiàn)。該實驗室功能基因組學(xué)課題組在周鋼橋研究員的帶領(lǐng)下，與國內(nèi)多家單位合作，在人類染色體的特殊位置發(fā)現(xiàn)了一個容易導(dǎo)致肝癌的易感基因區(qū)域。這一重大發(fā)現(xiàn)不但有助于科學(xué)家們深入解析肝癌的發(fā)病機制，而且為肝癌的風(fēng)險預(yù)測、早期預(yù)防和個體化治療以及新型高效藥物的篩選提供了理論依據(jù)和生物靶標(biāo)?！蹲匀?遺傳學(xué)》在線發(fā)表了這一原創(chuàng)性研究成果。

我國是肝癌高發(fā)國家，每年新發(fā)病例 30 萬。為找到并確認(rèn)容易導(dǎo)致肝癌的遺傳易感基因，周鋼橋課題組聯(lián)合南京醫(yī)科大學(xué)、中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院腫瘤研究所、復(fù)旦大學(xué)、中山大學(xué)腫瘤醫(yī)院、廣西腫瘤醫(yī)院等 10 多家單位的 100 余位科研人員，在國內(nèi) 5 個肝癌高發(fā)區(qū)收集了 4500 多名肝癌病例和對照個體，運用全基因組關(guān)聯(lián)分析方法，在全基因組范圍內(nèi)進(jìn)行了系統(tǒng)的篩選和實驗驗證。經(jīng)過潛心研究，他們在人體第 1 號染色體的一個特殊位置發(fā)現(xiàn)了一個由多個基因組成的區(qū)域，這個區(qū)域是容易導(dǎo)致肝癌的“罪魁禍?zhǔn)住?。?jù)課題組成員、軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院放射與輻射醫(yī)學(xué)研究所博士張紅星介紹，如果該區(qū)域的基因發(fā)生了變異，人類患有肝癌的風(fēng)險系數(shù)就會大大增加。

賀福初介紹說，該研究是國際上首次基于大規(guī)模人群和全基因組水平的肝癌易感基因的篩查研究，所使用的全基因組關(guān)聯(lián)研究技術(shù)是目前全球科學(xué)界公認(rèn)的行之有效的拉網(wǎng)式搜尋重大疾病易感基因的研究方法。蛋白質(zhì)組學(xué)國家重點實驗室長期致力于包括肝癌在內(nèi)的多種肝病的易感基因及其致病機制的研究，過去 10 年間已經(jīng)在乙型肝炎病毒感染的慢性化和重癥化等關(guān)鍵環(huán)節(jié)找到了易感基因。

⑹我科學(xué)家發(fā)現(xiàn)三個反常性痤瘡致病基因

《科學(xué)》雜志發(fā)表了中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院張學(xué)、沈巖和王寶璽 3 人合作的科研成果。他們發(fā)現(xiàn)，伽馬—分泌酶亞單位的 PSEN1、PSENEN 和 NCSTN 3 個基因發(fā)生突變，都會導(dǎo)致常染色體顯性家族性反常性痤瘡。這一重大發(fā)現(xiàn)闡明了反常性痤瘡的遺傳基礎(chǔ)，揭示了該病發(fā)生的分子機制，同時也表明看似不相關(guān)聯(lián)的早發(fā)家族性老年性癡呆（Alzheimer）和家族性反常性痤瘡，可由同一基因的不同類型突變引起。

同期《科學(xué)》還發(fā)了哈佛醫(yī)學(xué)院兩位 Alzheimer 病專家撰寫的專題評論。專家們特別關(guān)注張學(xué)等的發(fā)現(xiàn)對Alzheimer 病發(fā)病分子機制、Alzheimer 病動物模型建立以及伽馬—分泌酶抑制劑治療 Alzheimer 病臨床試驗中的副作用等問題的影響。

反常性痤瘡是嚴(yán)重的皮膚病之一。2004 年開始，時任北京協(xié)和醫(yī)院皮膚科主任的王寶璽先后與中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所的沈巖院士、張學(xué)教授合作，利用 2 個大家系定位了 1 個新的反常性痤瘡致病基因位點，將關(guān)鍵區(qū)域限定；再采用基因測序等分子遺傳學(xué)方法在 6 個反常性痤瘡家系中都找到了致病突變。除 2 個大家系中有PSENEN 基因突變外，1 個家系中發(fā)生 PSEN1 基因突變，3 個家系含 NCSTN 基因突變。其中 PSEN1 就是早發(fā)家族性 Alzheimer 病的主要致病基因。非常有趣的是，導(dǎo)致反常性痤瘡的基因突變，都是移碼突變或無義突變或剪接突變等引起基因功能丟失的改變；而改變單個氨基酸的錯義突變，則是早發(fā)家族性 Alzheimer 病的主要致病突變。伽馬—分泌酶亞單位基因突變的發(fā)現(xiàn)，揭示了家族性反常性痤瘡發(fā)病的分子路徑，也為研發(fā)有效治療藥物提供了正確的靶點。

⑺我學(xué)者首次揭示心房顫動發(fā)生新“奧秘”——為心臟領(lǐng)域的生物醫(yī)藥創(chuàng)新研發(fā)奠定基礎(chǔ)

由哈爾濱醫(yī)科大學(xué)“重大心臟疾病基礎(chǔ)研究”973 項目首席科學(xué)家楊寶峰院士領(lǐng)銜的科研團隊，于 2010 年 12 月在國際上首次發(fā)現(xiàn)臨床最為常見的心律失常類型——心房顫動發(fā)生的新機制及微小核苷酸-328 調(diào)控心房顫動的發(fā)生。這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表在國際心血管領(lǐng)域權(quán)威雜志《循環(huán)》上。

課題組發(fā)現(xiàn)心房顫動的患者微小核苷酸-328 顯著升高，且升高程度與發(fā)病程度密切相關(guān)。為揭開微小核苷酸-328 在房顫中的“奧秘”，楊寶峰及課題組成員聯(lián)手攻關(guān)，在國際上首次建立起心臟特定微小核苷酸（1，26，28 亞型）過表達(dá)轉(zhuǎn)基因鼠和微小核苷酸功能敲減小鼠（328 亞型），發(fā)現(xiàn)微小核苷酸-328 的過表達(dá)能誘發(fā)出小鼠的心房顫動，而微小核苷酸-328 功能敲減小鼠或給予腺病毒轉(zhuǎn)染的微小核苷酸-328 反義寡核苷酸，則可減輕房顫的發(fā)生。

為進(jìn)一步揭秘微小核苷酸-328 升高誘發(fā)心房顫動的靶點，課題組運用多種實驗證明，微小核苷酸-328 使編碼鈣通道的兩個基因 CACNA1C 和 CACNB1 蛋白表達(dá)，且 L型鈣電流大小也隨之顯著降低。相反，抑制微小核苷酸-328可減少房顫的發(fā)生。課題組通過大量離體、在體動物的實驗和臨床觀察，最終確定微小核苷酸-328 為心房顫動發(fā)生的關(guān)鍵調(diào)控分子，首次從微小核苷酸領(lǐng)域這一分子水平上解讀心房顫動的發(fā)生機制，由此鎖定了一個可以治療房顫的新靶點，對心房顫動的診治有著重大意義，為心臟疾病領(lǐng)域的生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

綜上所述，可以看出我國生命科學(xué)、生物技術(shù)研究成果與日俱增，這將為人類疾病診斷、治療方法奠定很好基礎(chǔ)，為新藥研發(fā)開辟了廣闊前景。