神經(jīng)膠質(zhì)細胞“一代宗師”

舒愉棉/編譯

神經(jīng)膠質(zhì)細胞“一代宗師”

舒愉棉/編譯

本·巴瑞斯：斯坦福大學(xué)藥學(xué)院神經(jīng)生物學(xué)教授

● 巴瑞斯的研究發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)膠質(zhì)細胞對于大腦突觸可塑性和預(yù)防神經(jīng)退行性失調(diào)癥有至關(guān)重要的作用，這一發(fā)現(xiàn)讓神經(jīng)膠質(zhì)細胞從配角搖身成為舞臺明星。

在過去 25年里，本·巴瑞斯（Ben Barres）關(guān)于神經(jīng)膠質(zhì)細胞的研究成果從根本上改觀了人們對于神經(jīng)膠質(zhì)細胞的印象。通過巴瑞斯的研究，這些在過去被認為只具有支持和結(jié)構(gòu)功能的非常豐富的非神經(jīng)元細胞（膠質(zhì)細胞英文glia在希臘語中意為“膠水”）被證明在人類健康和疾病狀態(tài)下發(fā)揮了重要作用。

文中，巴瑞斯將回顧他的科學(xué)夢萌芽、神經(jīng)生物學(xué)研究興趣起航以及在42歲時做出變性這一重大決定的始末。

科學(xué)夢萌芽

未來科學(xué)家啟蒙 巴瑞斯出生于1954年，在新澤西州西奧蘭治縣長大?！爱?dāng)我6歲的時候，我就立志要成為一名科學(xué)家，而我的異卵雙生姊妹立志要成為一名護士，而現(xiàn)在我們都實現(xiàn)了我們的夢想。我們家并沒有科學(xué)家或者護士，所以天知道我們從哪兒萌生了這樣的想法。”巴瑞斯說，“我當(dāng)時是一個青年極客，對科學(xué)有興趣?！痹诎腿鹚归_始上高中的時候，電腦和電腦編程剛剛進入主流社會，他試圖獲得盡可能多的使用這些早期電腦和編寫代碼的經(jīng)驗。在高中和大學(xué)期間，所有暑假他都在新澤西的貝爾實驗室實習(xí)，參加哥倫比亞大學(xué)的科學(xué)榮譽項目，在這些項目中，大學(xué)教授在周末為高中生講授科學(xué)和計算機課程。

遭遇性別歧視 13歲的時候，巴瑞斯立志要上麻省理工學(xué)院，“別問我為什么，如果一定要說原因的話，應(yīng)該是當(dāng)時我認識的令我敬佩的人去了麻省理工學(xué)院?！卑腿鹚拐f。作為高二學(xué)生，他申請了麻省理工的提前招錄并且獲得了錄取。在1972年入學(xué)的時候，巴瑞斯以為他會選擇計算機科學(xué)作為他的職業(yè)?！爱?dāng)時有一個帶回家完成的數(shù)學(xué)期末考試，里面有5個問題，提交的截止時間是半夜，解答這些問題花了我整整一天，解出最后一道題的時候已經(jīng)是深夜，而那道題我突然就找到了答案。第二天，教授把考試的結(jié)果反饋給我們，聲稱沒人解答出最后一道題。下課之后我去找他，告訴他我解出了那道題，并把我的答卷拿給他看，他卻鄙夷地看著我說，‘這大概是你男朋友幫你解出來的吧。’（譯者注：1973年，巴瑞斯尚未變性，性別為女。）在1973年，他可能沒有想到，一個女人可以解答出上百個男人不能解答的問題。因為他指責(zé)我作弊，那時候我很憤憤不平，后來我才意識到這是性別歧視，而當(dāng)時我對此毫無概念。盡管那時候我的外表是女性，可在我心里我卻一直把自己視為男性，在生活中亦是如此，所以對于這類事情，我當(dāng)時并不是特別在意?！痹谶x擇實驗室完成本科生畢業(yè)論文的時候，巴瑞斯也一度遇到麻煩，盡管對于他的男同學(xué)來說選擇導(dǎo)師并不費力，好在他最終還是進入到瑪麗亞·琳德（Maria Linder）研究員的生物化學(xué)實驗室學(xué)習(xí)，而琳德是當(dāng)時麻省理工的科學(xué)學(xué)院為數(shù)不多的女教授之一?！拔乙琅f熱愛在麻省理工的美好時光，有最著名的教授為我們講授本科生課程，像諾貝爾獎獲得者薩瓦多·盧瑞亞（Salvador Luria）就是我的第一個生物學(xué)教授。當(dāng)他們在課堂上談起自己近期科學(xué)研究進展的時候，這些教授激情四射，讓我們深受感染。當(dāng)我入學(xué)的時候，我熱愛科學(xué)；而當(dāng)離開的時候，我的熱愛分毫不減，這就足夠了?！?/p>

與神經(jīng)科學(xué)擦出火花 大二的時候，巴瑞斯選修了由神經(jīng)心理學(xué)家漢斯-盧卡斯·托伊貝爾（Hans-Lukas Teuber）教授的《心理學(xué)與大腦》。在1973年，“神經(jīng)生物學(xué)”一詞還未被創(chuàng)造出來。“他在課堂上講述大腦各部分的功能，這讓我為之著迷。那個時候我便有了要成為一名神經(jīng)科醫(yī)生兼神經(jīng)科學(xué)家的想法。”巴瑞斯說。后來巴瑞斯便從計算機科學(xué)轉(zhuǎn)到了醫(yī)學(xué)預(yù)科，他的目標是先獲得醫(yī)學(xué)博士學(xué)位（MD），然后攻讀神經(jīng)學(xué)博士（PhD）。1976年，巴瑞斯本科畢業(yè)之后進入到達特茅斯醫(yī)學(xué)院進行學(xué)習(xí)?！白畛踹x擇了醫(yī)學(xué)院純屬偶然，相比之下后來在哈佛大學(xué)攻讀博士的時候，對于未來的研究重點和發(fā)展方向，我的考慮就成熟多了。在做過住院醫(yī)師之后，我更加明確我要攻讀博士學(xué)位，而不僅僅是做一個技術(shù)崗的博士后，因為那時候我感覺在神經(jīng)生物學(xué)領(lǐng)域我并未得到充分的訓(xùn)練，而在當(dāng)時神經(jīng)生物學(xué)也才剛剛開始蓬勃發(fā)展。”在去哈佛讀博之前，巴瑞斯已經(jīng)完成了四年的神經(jīng)科住院醫(yī)師培訓(xùn)并且獲得了行醫(yī)執(zhí)照。“盡管當(dāng)時的計劃是行醫(yī)和研究同時進行，但參加完住院醫(yī)師培訓(xùn)之后，我發(fā)現(xiàn)神經(jīng)科醫(yī)生能為病人做的事情微乎其微。當(dāng)時遇到的病人病情缺乏實際治療手段，所以成為神經(jīng)科醫(yī)生于我而言不再具有吸引力?！?/p>

初遇膠質(zhì)細胞 在哈佛大學(xué)大衛(wèi)·科里（David Corey）的實驗室，巴瑞斯掌握了膜片鉗和記錄神經(jīng)膠質(zhì)細胞的電發(fā)放的技術(shù)，當(dāng)時科里剛剛建好自己的實驗室，而巴瑞斯在之前的實驗室輪訓(xùn)中學(xué)會了如何培養(yǎng)大鼠膠質(zhì)細胞?！吧窠?jīng)膠質(zhì)細胞非常小，而膜片鉗技術(shù)在那個時候是能記錄到比較好數(shù)據(jù)的唯一辦法?！蹦莻€時候，神經(jīng)膠質(zhì)細胞被認為是被動的神經(jīng)元支持細胞，但巴瑞斯卻意識到：不同類型的膠質(zhì)細胞可能有不同的離子通道。這些含量豐富的腦細胞在正常大腦的功能中的未解之謎吸引了還在醫(yī)學(xué)院就讀的巴瑞斯。在科里實驗室期間，巴瑞斯先后發(fā)表了6篇研究論文，其中5篇發(fā)表在《神經(jīng)元》雜志上。1988年，科里和他首次揭露了膠質(zhì)細胞存在至少6種離子通道。巴瑞斯還研究出了基于抗體的神經(jīng)膠質(zhì)細胞純化技術(shù)，取名為“選淘法（panning）”，利用這項技術(shù)，巴瑞斯證明了大鼠腦內(nèi)有多種不同的神經(jīng)膠質(zhì)細胞?！爱?dāng)時我能在動物體內(nèi)找到這些漂亮的神經(jīng)膠質(zhì)細胞，并且記錄它們的電發(fā)放，但卻沒辦法通過細胞培養(yǎng)技術(shù)保持其在體外存活，因為那個時候神經(jīng)膠質(zhì)細胞存活所必須的生長因子尚未發(fā)現(xiàn)?！?/p>

生涯起航

深入研究 首次邂逅他的博士后導(dǎo)師馬丁·拉夫（Martin Raff）時，巴瑞斯正在努力鉆研神經(jīng)膠質(zhì)細胞的相關(guān)文獻?！俺笋R丁·拉夫的論文，其他人寫的都是廢話，通篇都是模棱兩可的描述性內(nèi)容，只有馬丁鑒定出了神經(jīng)膠質(zhì)細胞標記物?！痹诶虻囊淮梧徑槭±砉さ脑L問過程中，巴瑞斯與他結(jié)識。在這位英國研究員同意擔(dān)任他的非官方的校外導(dǎo)師之后，巴瑞斯在1990年加入拉夫在倫敦大學(xué)學(xué)院的實驗室。在那里，巴瑞斯將選淘法技術(shù)改良到能夠純化不同類的神經(jīng)膠質(zhì)細胞，這包括星形膠質(zhì)細胞和少突膠質(zhì)細胞。他的目標是在培養(yǎng)皿中同時培養(yǎng)神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細胞，以便能研究二者之間的相互作用。隨后巴瑞斯發(fā)現(xiàn)：大鼠視神經(jīng)中約有一半的少突膠質(zhì)細胞在發(fā)育過程中凋亡，并鑒定出少突膠質(zhì)細胞在培養(yǎng)中存活所必需的生長因子。他還證明了神經(jīng)膠質(zhì)細胞的細胞凋亡是為了與有髓鞘神經(jīng)突觸建立一對一的匹配。

膠質(zhì)細胞不只是“膠水” 1993年，巴瑞斯到斯坦福大學(xué)任職并建立了他自己的實驗室。在研究生和博士后期間，他設(shè)計并完善了純化和培養(yǎng)神經(jīng)膠質(zhì)細胞的技術(shù)，并開始研究神經(jīng)膠質(zhì)細胞如何與神經(jīng)元交流以及傳遞的信息最終到達何處。巴瑞斯和他的博士后弗拉克·普弗雷杰（Frank Pfrieger）證明：在生物體外，神經(jīng)膠質(zhì)細胞對于神經(jīng)元間功能性突觸的形成是必需的。在2001年，巴瑞斯實驗室發(fā)現(xiàn)：神經(jīng)元也需要神經(jīng)膠質(zhì)細胞在生物體內(nèi)形成和穩(wěn)定成熟突觸。巴瑞斯說：“這完全是個意外，過去普遍認為神經(jīng)元具備形成突觸的全部組分?！?/p>

細胞通訊推動者 巴瑞斯繼續(xù)研究神經(jīng)膠質(zhì)細胞在生物體內(nèi)的功能，但首先他需要研究用來與神經(jīng)元通訊的一些分子神經(jīng)膠質(zhì)細胞。巴瑞斯說：“如果我們不知道神經(jīng)膠質(zhì)細胞分泌的分子，我們就沒有辦法敲除小鼠體內(nèi)的基因，也沒有辦法探究神經(jīng)膠質(zhì)細胞在生物體內(nèi)做了什么，純化細胞的實驗是提出假說的工具，而我們可以在生物體內(nèi)進行驗證假說?！?005年，巴瑞斯實驗室發(fā)現(xiàn)了兩種由神經(jīng)膠質(zhì)細胞分泌的血小板反應(yīng)蛋白，他們是由發(fā)育中的大腦內(nèi)的未成熟星形膠質(zhì)細胞分泌的糖蛋白，能促進體外和體內(nèi)的突觸的形成，而這些血小板反應(yīng)蛋白能在體外誘發(fā)神經(jīng)元興奮性突觸的形成，形成的突觸具有完整的結(jié)構(gòu)，突觸前活躍、突觸后沉默，甚至沒有星形膠質(zhì)細胞也能夠誘發(fā)突觸的形成。2012年，巴瑞斯實驗室的博士后尼古拉·艾倫（Nicola Allen）發(fā)現(xiàn)了另外兩種星形膠質(zhì)細胞分泌分子：Glypican-4和Glypican-6蛋白，也是神經(jīng)元形成具有全功能型的谷氨酸受體依賴性突觸所必需的。巴瑞斯實驗室和巴瑞斯之前的學(xué)生依舊在研究促進神經(jīng)元突觸形成的其他分子。

聰明的神經(jīng)膠質(zhì)細胞 巴瑞斯的另一個博士后鐘文碩（音譯，Won-Suk Chung）發(fā)現(xiàn)，星形膠質(zhì)細胞的另一個功能是：在大腦發(fā)育的修剪和大腦成熟的階段通過細胞吞噬來清除突觸。“星形膠質(zhì)細胞感知神經(jīng)元活動，并決定清除或不清除哪些突觸。我們認為這意味著星形膠質(zhì)細胞在突觸可塑性中扮演重要角色。這也證明神經(jīng)膠質(zhì)細胞有多么聰明，也揭露突觸重塑和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重組在腦內(nèi)的情況?！卑腿鹚拐f。

使壞的神經(jīng)膠質(zhì)細胞 最近，巴瑞斯實驗室發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細胞也會異常。小鼠腦內(nèi)的異常星形膠質(zhì)細胞不能促進神經(jīng)元的連接，而是誘發(fā)其他類別的神經(jīng)膠質(zhì)細胞和神經(jīng)元的死亡。巴瑞斯研究團隊檢測到了這類星形膠質(zhì)細胞在患有多發(fā)性硬化癥、肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥、阿爾茨海默氏癥、帕金森氏癥和腦損傷的病人大腦樣本中的活動。巴瑞斯正努力闡明這些“無賴細胞”是如何產(chǎn)生，它們分泌哪些神經(jīng)毒素以及它們是如何卷入神經(jīng)退行性疾病。“目前我們掌握了一些證據(jù)證明是神經(jīng)疾病或者損傷誘發(fā)這些星形膠質(zhì)細胞的產(chǎn)生，這暗示著這些膠質(zhì)細胞的反應(yīng)也許部分引發(fā)了大腦退化。我們還沒有完全證實這個猜想，不過這將使我們又一篇激動人心的論文！”

巴瑞斯信條

與眾不同 “決定要變性的時候，我在斯坦福大學(xué)的實驗室已經(jīng)建立兩年了。大概從3歲開始，我就對自己的性別感到困惑。我知道自己和別人有所不同，但這不同讓我困惑和羞恥，直到?jīng)Q定變性我都未曾和其他人討論過我的困惑。但我的父母一定意識到了這一點，因為每次萬圣節(jié)我總是扮作足球運動員或者男士兵，只要允許我自己挑選衣服，我總是穿得像一個男孩兒。我敢肯定，當(dāng)時我父母心里一定在想，‘這孩子到底怎么了？’，但我們從未對此開誠布公地談過?！?/p>

關(guān)注人類疾病 受其醫(yī)學(xué)和研究生學(xué)習(xí)生涯的影響，巴瑞斯在斯坦福大學(xué)創(chuàng)立了醫(yī)學(xué)科學(xué)碩士研究生項目并擔(dān)任項目主任，旨在讓攻讀基礎(chǔ)科學(xué)博士學(xué)位的學(xué)生接受臨床醫(yī)學(xué)的訓(xùn)練。“25年前，從事基礎(chǔ)科學(xué)研究的科學(xué)家不會從事疾病研究，疾病研究被認為是二流的科學(xué)研究工作。研究生項目聚焦于模型系統(tǒng)，從未為研究生提供研究人類疾病的工具。我們希望科學(xué)研究者能夠研究人類疾病，而我們的研究生項目講授醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的術(shù)語、解剖學(xué)、病理學(xué)和主要問題，通過這些激發(fā)學(xué)生的好奇心?！卑腿鹚拐f道。

沉溺實驗室 “當(dāng)我到實驗室之后就不會離開，整個人都無比興奮，沉溺其中。我總是選擇做實驗而非睡覺。如果不是因為停止付我薪水，我可能還會繼續(xù)留在科里的實驗室?！?/p>

研究成就

發(fā)展了細胞純化技術(shù)“選淘法”，該技術(shù)能夠分離大鼠神經(jīng)節(jié)細胞和不同種類嚙齒類神經(jīng)膠質(zhì)細胞。

證明膠質(zhì)細胞對功能性突觸的神經(jīng)元形成和在培養(yǎng)中保持突觸功能是必需的。

確定了由星形膠質(zhì)細胞分泌的重要突觸誘導(dǎo)分子。

發(fā)現(xiàn)了小神經(jīng)膠質(zhì)細胞和星形膠質(zhì)細胞會在發(fā)育腦和成熟腦中吞噬突觸，并提供了神經(jīng)膠質(zhì)細胞終生參與突觸可塑性的證據(jù)。

發(fā)現(xiàn)了一種具有高神經(jīng)毒性反應(yīng)的星形膠質(zhì)細胞會在大腦急性損傷后或神經(jīng)退行性疾病中產(chǎn)生。

[資料來源：The Scientist][責(zé)任編輯：岳 峰]