破譯人類疾病的密碼
——記上?！扒擞媱潯睂＜?、復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院特聘教授鐘濤

本刊記者　黃 健

破譯人類疾病的密碼
——記上?！扒擞媱潯睂＜摇?fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院特聘教授鐘濤

本刊記者黃 健

2014年8月31日國際著名細(xì)胞生物學(xué)雜志《自然·細(xì)胞生物學(xué)》發(fā)表了復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院和遺傳工程國家重點實驗室鐘濤教授的最新研究成果——前列腺素信號通路能夠調(diào)控細(xì)胞纖毛生長和心臟左右不對稱發(fā)育。

科學(xué)家告訴我們：當(dāng)beta細(xì)胞無法正常分泌胰島素時，我們會得糖尿病；當(dāng)癌細(xì)胞停止與其相鄰細(xì)胞進(jìn)行溝通時，它們忘記了停止分裂，因而導(dǎo)致腫瘤的形成；當(dāng)神經(jīng)細(xì)胞停止溝通時，我們會得神經(jīng)退行性疾病……

細(xì)胞對周邊環(huán)境的感知和回應(yīng)，以及與其他細(xì)胞之間的溝通，與我們的生命息息相關(guān)。因為我們?nèi)梭w內(nèi)的細(xì)胞無時無刻都在溝通，所以當(dāng)某一個溝通過程出錯時，身體就會出現(xiàn)病癥。細(xì)胞研究意義重大，故而，2013諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎頒布給了研究細(xì)胞“囊泡運輸”的三位科學(xué)家。

對細(xì)胞的研究，是分析細(xì)胞對健康和疾病影響關(guān)系的基礎(chǔ)，在這一片神秘的科學(xué)領(lǐng)域，無數(shù)科學(xué)家為之心馳神往，復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院遺傳工程國家重點實驗室的鐘濤教授也在享受這個發(fā)現(xiàn)的過程，并且樂此不疲。

揭示細(xì)胞纖毛的秘密

2014年8月31日，國際著名細(xì)胞生物學(xué)雜志《自然·細(xì)胞生物學(xué)》在線刊發(fā)了鐘濤研究團(tuán)隊在心臟發(fā)育和細(xì)胞纖毛研究領(lǐng)域的重要發(fā)現(xiàn)：纖毛生長發(fā)育異常能夠引起人類多種相關(guān)疾病，如先天性心臟病、多囊腎、男性不育、纖毛不動綜合征等。

鐘濤在采訪中向記者解釋說，纖毛是以細(xì)胞微管為主體伸向細(xì)胞外能運動的突起，能自由擺動，廣泛分布于人體多種組織和器官的上皮細(xì)胞表面。纖毛在細(xì)胞生命活動的各個方面發(fā)揮著多種關(guān)鍵作用，不僅參與早期發(fā)育過程中胚胎與器官的不對稱性發(fā)育，還參與調(diào)控人體重要的生理功能及細(xì)胞內(nèi)重要信號通路的轉(zhuǎn)導(dǎo)。因而，深入地探索纖毛的生成及調(diào)控機(jī)理對基礎(chǔ)生物學(xué)理論的發(fā)展和人類纖毛相關(guān)疾病的攻克有重要意義，有關(guān)的纖毛的研究也成為目前研究的熱點領(lǐng)域。

鐘濤研究團(tuán)隊?wèi)?yīng)用遺傳學(xué)、發(fā)育生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)等現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù)，闡明了前列腺素信號調(diào)控心臟發(fā)育和纖毛生長的重要作用——前列腺素信號通路能夠調(diào)控細(xì)胞纖毛生長和心臟左右不對稱發(fā)育。這不僅揭示了在胚胎形成和器官發(fā)育中前列腺素信號的重要性，而且有助于解密先天性心臟病和人類其他疾病的細(xì)胞分子病因。

這一發(fā)現(xiàn)，再次引起國內(nèi)外生命科學(xué)界科學(xué)家們的驚嘆。鐘濤說，這項成果的取得是他們科研一以貫之的結(jié)果。

從2011年鐘濤回國在復(fù)旦大學(xué)組建了這支團(tuán)隊開始，就以斑馬魚和人類細(xì)胞為模型進(jìn)行這方面的研究。通過分析斑馬魚遺傳突變體leakytail，他們發(fā)現(xiàn)，斑馬魚leakytail（lkt）突變體顯示纖毛發(fā)生缺陷，lkt基因編碼了一種ATP結(jié)合盒轉(zhuǎn)運蛋白（ABCC4）。他們證實了Lkt/ABCC4定位到細(xì)胞膜上，負(fù)責(zé)輸出前列腺素E2（PGE2）， Lkt/ ABCC4的T804M突變則可破壞這一功能。研究團(tuán)隊進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，環(huán)氧合酶-1（cyclooxygenase-1）所合成的PGE2的G蛋白偶聯(lián)受體EP4定位在纖毛上，EP4經(jīng)PGE2激活了環(huán)磷酸腺苷（Cyclic-AMP，cAMP）介導(dǎo)的信號級聯(lián)反應(yīng)，這是纖毛形成和伸長的必要條件。裝配和維護(hù)纖毛都需要重要的轉(zhuǎn)運蛋白——細(xì)胞纖毛內(nèi)轉(zhuǎn)運蛋白IFT。IFT具有正向轉(zhuǎn)運和逆向轉(zhuǎn)運功能，如果IFT蛋白發(fā)生缺陷，將會導(dǎo)致產(chǎn)生許多與纖毛相關(guān)的疾病。重要的是，在哺乳動物細(xì)胞中PGE2信號提高了IFT的順行而非逆行的速度，促進(jìn)了纖毛發(fā)生，并最終調(diào)節(jié)心臟左右不對稱發(fā)育。

根據(jù)這些研究結(jié)果，鐘濤研究組提出，Lkt/ABCC4介導(dǎo)的PGE2信號通過纖毛上的G蛋白偶聯(lián)受體EP4來發(fā)揮作用，上調(diào)了cAMP合成，增加了順行IFT，由此促進(jìn)了纖毛的發(fā)生。而LKT/ABCC4轉(zhuǎn)運蛋白缺失會造成心臟和其他內(nèi)臟器官隨機(jī)性偏側(cè)等異常表型，證明了這些異常表型主要是由于胚胎發(fā)育時期細(xì)胞表面纖毛生長缺陷所引起。

前列腺素是一種具有多種生理作用的活性物質(zhì)，能夠參與機(jī)體的炎癥反應(yīng)、血管平滑肌舒張和收縮、腫瘤發(fā)展等多種生理和病理過程。他們在之前的研究中發(fā)現(xiàn)，前列腺素信號通過調(diào)控IFT蛋白影響了纖毛形成。這項最新成果首次把前列腺素信號通路與纖毛生長及器官發(fā)育相聯(lián)系。

鐘濤表示：“這是我們在基礎(chǔ)研究方面的成果，今后，我們課題組將在人類遺傳學(xué)領(lǐng)域和醫(yī)院心血管方面的醫(yī)生一起做相關(guān)研究，希望能有更大的突破?！?/p>

“心”路歷程

在國外求學(xué)和工作期間，鐘濤的科研一直瞄準(zhǔn)模式生物發(fā)育和遺傳學(xué)研究，致力于心血管發(fā)育和器官發(fā)生的信號通路與生物學(xué)機(jī)制的研究，并有了很多獨創(chuàng)性的發(fā)現(xiàn)。

在血管研究方面，他揭示了動脈和靜脈內(nèi)皮細(xì)胞分化的分子機(jī)理，并形成了動脈和靜脈分化的理論。這一基礎(chǔ)理論被美國經(jīng)典大學(xué)教科書《Developmental Biology》（Scott Gilbert編著，2010年第九版）所采用。

2011年回國后，他率先發(fā)現(xiàn)誘導(dǎo)心肌細(xì)胞增殖更新的具有新型結(jié)構(gòu)的先導(dǎo)化合物，并提出Wnt信號選擇性誘導(dǎo)心肌干細(xì)胞增殖的學(xué)說。作為首席科學(xué)家，鐘濤主持了科技部2013年國家重大科學(xué)研究計劃“心肌細(xì)胞分化增殖與心臟發(fā)育的調(diào)控機(jī)制”研究 。

在鐘濤看來，發(fā)育過程中器官發(fā)生和生長的調(diào)控機(jī)理是生命科學(xué)研究領(lǐng)域的基本科學(xué)問題，主要涉及從受精卵形成到器官生長發(fā)育的整個過程，包括精確的信號傳導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄調(diào)控。同時，心臟是最早形成并發(fā)揮功能的重要器官，心臟正常發(fā)育與生長是保證心臟功能的重要基礎(chǔ)。其中，心肌細(xì)胞分化增殖是心臟生長發(fā)育的核心問題。

如果有信號分子的誘導(dǎo)，中胚層細(xì)胞就會向心臟祖細(xì)胞特化，隨后進(jìn)一步分化為心肌細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞；經(jīng)過形態(tài)重塑和生長，形成具有特定形態(tài)、大小、功能的心臟。心臟發(fā)育異常往往導(dǎo)致胚胎死亡或先天性心臟病，這是世界范圍內(nèi)嬰兒非感染性死亡的主要原因之一。另一方面，成人心肌肥厚、擴(kuò)張及梗死等引起的各類心臟疾病，嚴(yán)重威脅人類生命健康。而心肌細(xì)胞增殖更新困難是導(dǎo)致上述心臟疾病難以治愈的關(guān)鍵障礙。因此，了解心肌細(xì)胞分化增殖的調(diào)控機(jī)制，不僅為揭示先心病致病機(jī)制提供理論基礎(chǔ)，而且為突破人類心肌細(xì)胞難以增殖再生的瓶頸提供線索，為發(fā)展心臟疾病防治策略做出貢獻(xiàn)。

鐘濤團(tuán)隊取得的研究成果，可以顯著加深我們對心臟發(fā)育再生作用機(jī)理的理解和認(rèn)識，推動我國心臟發(fā)育生物學(xué)和心臟再生科學(xué)的研究躋身世界前沿，為提高人類健康水平，促進(jìn)心臟疾病治療策略的轉(zhuǎn)化應(yīng)用奠定理論。

從冷泉港實驗室起步

上世紀(jì)90年代初，我國在基礎(chǔ)科學(xué)研究上與國外相比，有一定差距。想在學(xué)成后在科學(xué)上有所貢獻(xiàn)，當(dāng)時的大學(xué)畢業(yè)生都會選擇去國外深造。1987年，從上海醫(yī)科大學(xué)（現(xiàn)復(fù)旦大學(xué)上海醫(yī)學(xué)院）畢業(yè)的鐘濤也不例外，選擇了出國深造這條路。

很幸運的是，1990年，鐘濤到了當(dāng)時位于美國紐約的冷泉港實驗室，而當(dāng)時實驗室主任是諾貝爾獎獲得者和DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)者沃森博士，他是分子遺傳學(xué)的奠基人。

美麗的冷泉港實驗室名列世界上影響最大的十大研究學(xué)院榜首，被稱為世界生命科學(xué)的圣地與分子生物學(xué)的搖籃，鐘濤的科學(xué)人生由此起步。鐘濤當(dāng)時讀的是酵母遺傳學(xué)，“那段時間很努力，很辛苦，沒有休息時間。”那段求學(xué)經(jīng)歷對鐘濤的影響很大，“不僅在基礎(chǔ)研究上得到鍛煉，而且因為那里也是國際上科學(xué)會議中心，能接觸到科學(xué)前沿”，每年暑假幾乎每周，都會在那里召開各種科學(xué)會議，邀請很多知名專家參加，實驗室對研究生很重視，會議都對他們開放。鐘濤直言，這種千載難逢的機(jī)會，讓他不僅可以了解前沿生物科學(xué)，而且還有機(jī)會與科學(xué)大家交流。

“做科研，不僅要自己努力，而且要方向正確，有生物學(xué)意義，才能在一定時間內(nèi)取得成果?！辩姖f自己很幸運，不僅在科學(xué)研究上打下堅實的基礎(chǔ)，更重要的是，科研視野也得到了拓寬。這段時期，不僅讓他能在課題上做深、有新意，而且對其他領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究也有所涉獵。扎實的科學(xué)素養(yǎng)和基礎(chǔ)，讓他初嘗了成功的喜悅，鐘濤的第一篇博士論文發(fā)表在國際生物學(xué)頂級雜志《細(xì)胞》上，闡明了熱休克蛋白在細(xì)胞翻譯和細(xì)胞周期中的作用。這讓他堅定了在科學(xué)的道路上走下去的決心。

博士畢業(yè)后的鐘濤馬不停蹄地又趕往了他的下一站——美國哈佛醫(yī)學(xué)院心血管研究中心，開始了博士后研究。在這里，他從事斑馬魚心血管發(fā)育研究，開始走過從無脊椎動物到哺乳動物的橋梁。在這期間鐘濤用遺傳突變的科學(xué)手段發(fā)現(xiàn)了主動脈發(fā)育缺陷Gridlock（Grl）突變體，用定位克隆方法解密了Grl/Hey2基因，發(fā)現(xiàn)Grl/Hey2基因編碼一個新的bHLH蛋白；并證明Grl/Hey2在血液循環(huán)開始之前就表達(dá)于動脈內(nèi)皮細(xì)胞而非靜脈細(xì)胞。從分子水平上證明動靜脈內(nèi)皮細(xì)胞在血液循環(huán)建立之前就具有不同的生物特征，填補(bǔ)了血管研究領(lǐng)域的一項空白，發(fā)表在國際一流雜志《科學(xué)》上。鐘濤進(jìn)一步應(yīng)用細(xì)胞譜系跟蹤技術(shù)證明，動靜脈細(xì)胞特性在動靜脈形成之前已經(jīng)獲得，并證明Notch/Grl信號調(diào)控動靜脈分化和穩(wěn)態(tài)維持，發(fā)表在國際頂尖雜志《自然》上。此發(fā)現(xiàn)為洞悉人類心腦血管疾病易發(fā)生于動脈提供了理論基礎(chǔ)。

接著，鐘濤在范德堡（Vanderbilt）大學(xué)組建了自己的實驗室，帶領(lǐng)研究小組繼續(xù)從事心血管發(fā)育和功能的研究。胚胎發(fā)育過程中，器官通過細(xì)胞數(shù)量增加和細(xì)胞體積增大而達(dá)到最終的尺寸大小，但是，調(diào)控器官生長的潛在機(jī)理及與心臟發(fā)育相關(guān)疾病機(jī)制的關(guān)聯(lián)仍不清楚。鐘濤研究小組發(fā)現(xiàn)Grl/Hey2轉(zhuǎn)錄抑制因子和Gata5轉(zhuǎn)錄激活因子相互拮抗能夠精確控制心肌細(xì)胞增殖，從而調(diào)控心肌細(xì)胞數(shù)量和心臟大小。此研究成果為研究心肌肥大和房室間隔缺損等心臟疾病提供重要啟示。2010年，鐘濤研究小組發(fā)現(xiàn)在Hedgehog信號缺陷突變體中，血管內(nèi)皮干細(xì)胞不能形成動脈祖細(xì)胞，而靜脈祖細(xì)胞成比例增加。這表明動脈祖細(xì)胞的發(fā)生和分化是通過Hedgehog信號壓制靜脈祖細(xì)胞的分化而實現(xiàn)。

建設(shè)科研孵化基地

從1990年赴美國紐約州立大學(xué)和紐約冷泉港研究所攻讀遺傳學(xué)博士，完成學(xué)業(yè)直至參加工作，鐘濤在國外待了20多年。“雖然科學(xué)無國界，可科學(xué)家有自己的國家，我從沒忘記自己是中國人”，濃厚的中國情結(jié)召喚了大批在基礎(chǔ)科研領(lǐng)域卓有所成的優(yōu)秀科學(xué)家，回國貢獻(xiàn)自己的智慧。乘“千人計劃”的東風(fēng)，鐘濤回到自己的母校復(fù)旦大學(xué)，希望在這里貢獻(xiàn)自己的力量。

早在2002年鐘濤還只是復(fù)旦大學(xué)特聘講座教授時，學(xué)校在心臟發(fā)育和功能方面的研究幾乎為零，他就開始引進(jìn)了國外的先進(jìn)技術(shù)，建立起斑馬魚養(yǎng)殖設(shè)備。這些前期的鋪墊和準(zhǔn)備為他日后回國發(fā)展奠定了堅實的硬件基礎(chǔ)。

2011年，鐘濤正式回國后一鼓作氣，組建團(tuán)隊，建設(shè)實驗室?！拔业倪@支團(tuán)隊，全部是我?guī)У牟┦亢蠛筒┦垦芯可?。”鐘濤在培養(yǎng)指導(dǎo)學(xué)生上傾注了很大精力。他告訴記者，生命科學(xué)實驗往往周期長，難度高，現(xiàn)在的學(xué)生往往沉不下心來踏踏實實做科研。所以，鐘濤不僅是科研中的導(dǎo)師，還充當(dāng)了學(xué)生們思想上的輔導(dǎo)員?！拔乙屟芯可鷤儗ΜF(xiàn)在的研究課題和未來的工作充滿信心。”

在國外一流科研機(jī)構(gòu)學(xué)習(xí)工作過的鐘濤有著與眾不同的培養(yǎng)方式。他認(rèn)為，只有對生命科學(xué)有足夠的認(rèn)識和沉淀，才能把握好自己的研究和前進(jìn)方向?！昂芏鄬W(xué)生剛開始研究生命科學(xué)，甫一接觸，很難提出正確的科學(xué)問題。需要經(jīng)過一定時期訓(xùn)練和知識積累才能提出問題和預(yù)測科學(xué)前沿?！彼３８嬖V學(xué)生，必須要站在前人肩膀上，仔細(xì)閱讀科學(xué)文獻(xiàn)。在研究中，鐘濤會事無巨細(xì)地觀察和指導(dǎo)每個學(xué)生的實驗設(shè)計和結(jié)果，直到學(xué)生有一定實驗成果。

因此，經(jīng)過短短三年多的努力工作，鐘濤研究團(tuán)隊就發(fā)現(xiàn)了調(diào)節(jié)細(xì)胞纖毛生長和心臟不對稱發(fā)育的一條新的信號分子通路和細(xì)胞生物學(xué)機(jī)制，《自然·細(xì)胞生物學(xué)》發(fā)表專題評論，認(rèn)為“這項研究工作是前列腺素生理信號在發(fā)育領(lǐng)域的一個意想不到的重大發(fā)現(xiàn)”。

人人都希望自己健康常駐，在漫長的人類歷史中，這個問題只是一個廣義的社會學(xué)范疇的問題，人們很難將它當(dāng)作一個醫(yī)學(xué)問題來看待。但在今天，生命科學(xué)的發(fā)展使之成為一個醫(yī)學(xué)問題，鐘濤耕耘在這片科研的沃土，也在為這個夢想而努力?！拔磥恚蚁ＭA(chǔ)研究的成果能應(yīng)用到醫(yī)學(xué)臨床上，為人類疾病診療策略的轉(zhuǎn)化應(yīng)用提供新思路?！笨?/p>