如果说20世纪最伟大的生命科学突破,是DNA双螺旋模型的发现及建立,那么,21世纪最伟大的发现和工程之一,就是“人类基因组计划”(Human Genome Project),英文缩写为“HGP”。
2000年6月26日,当年的美国总统克林顿和英国首相布莱尔,协同数位科学家,向全世界宣告:HGP已经完成了人类基因组序列的初步草图。克林顿本人说:“今天宣布HGP的完成,不仅仅代表了一项科学划时代的成果,更标志着,通过这一伟大的新知识,人类已达到实现治愈力量的边缘。”
的确,HGP是一次科学的壮举,是一次全球科学家合作的经典案例,覆盖了亚洲(东亚和南亚)、非洲、欧洲、大洋洲、美洲的多人种,第一次厘清了人类细胞中的23对染色体,含有30亿个碱基对,全球不同种族中的DNA单核苷酸碱基差异(single nucleotide polymorphism,SNP),不到0.1%,其中,汉族人之间的碱基差异不到60万个,仅为0.02%,而非洲大陆上不同民族间的碱基差异最高。这些发现印证了现代人(Homo Sapiens)来自非洲,东亚祖先在4万~6万年前踏上中国大陆。HGP揭示了人类走出非洲、迁徙进化的路线图。因此,在实现克林顿预言的“治愈力量”之前,HGP辅助我们寻祖,司法机构利用SNP破案。大量感人和伤心的亲子鉴定故事发生了,积压多年的无头案被破解了。一个生命科学的研究,带来了一场社会、伦理、司法的巨大革命,这本身就是一个巨大贡献,也是始料不及的。
当然,HGP的初衷是推进医学进步和突破。在过去的20年里,以HGP为基础的系列科学突破,提高了疾病诊断水平,许多遗传病、罕见病得到了精准及快速的诊断;提高了治疗水平,多种按器官、部位、病理分型诊断及评估肿瘤的传统医疗模式被突破及颠覆,以分子通路、基因变异为基础的精准医学得以诞生,靶向药物被广泛应用,多种恶性肿瘤患者的5年生存期显著延长,甚至实现痊愈;提高了药物研发和生产水平,以基因工程为代表的大分子药物成为产学研协同发展的成功模式。
当然,科学家的追求是无止境、无边界的,伴随着基因敲除、基因转入及基因“剪刀”技术的发明,基因治疗已经应用于临床,而针对非疾病治疗性的基因修饰,甚至设计胎儿及婴儿也成为世界科学狂人的爱好和目标,有很多红线被跨越,为时过早地想充当“科学上帝”。科学需要法律及伦理的约束,否则,会给人类造成不可想象的灾难。但同所有领先的科学技术一样,与其配套的法律和伦理的建立及完善往往滞后。更加应该警惕的是,以国家为后盾的反人类行为,利用基因工程的技术,发明及制造生物武器。
HGP开创的全球合作精神还在继续。在这次新冠病毒降临武汉的一个月内,中国科学家利用第四代基因测序技术,率先对新冠病毒实施测序,并向全世界公布,为实现新冠病毒的快速诊断,以及以前所未有的速度、在数月内研发出基因工程疫苗(mRNA、DNA、S-蛋白)做出了卓越贡献。灾难是推动医学科学进步的催化剂,如同伦敦霍乱大流行成就了“流行病学”,第二次世界大战造就了抗生素及肿瘤化疗的应用,越南战争促成了青蒿素的诞生,新冠病毒的世界大流行让生物工程技术展现了人类与病毒缠斗的本领,不仅仅是灭活病毒,也不仅仅是DNA,而是人类截取了病毒的关键信使,开创了mRNA工程时代,不仅仅是复制(copy)、PCR的基因扩增,而是剪切、粘贴的基因修饰,是设计、合成的基因再造。
1990年10月1日,美国国会正式批准启动HGP,并为它拨款30亿美元,旨在破译组成人类染色体中所包含的30亿个碱基对的秘密,终于在2000年完成初步草图。多个国家参与其中,包括英国、法国、中国等。整整20年过去了,可以确定HGP的突破性意义远远超乎人类的想象,它引发了人类生物学和医学的一场革命,基因组测序现在已成常规,耗时仅为数小时,而不是10年,费用仅需千元级人民币,而不是一美元一个碱基对。有一位著名的学者曾感叹:HGP可以和人类发明了“车轮”媲美。而基于HGP的人类智慧及实践,如同给汽车装上了新的轮胎、给飞机配备了大动力的发动机和给宇宙飞船安装了高推力的火箭。
请关注本期医学里程碑——纪念人类基因组计划(HGP)完成20周年。
如果说20世纪最伟大的生命科学突破,是DNA双螺旋模型的发现及建立,那么,21世纪最伟大的发现和工程之一,就是“人类基因组计划”(Human Genome Project),英文缩写为“HGP”。
2000年6月26日,当年的美国总统克林顿和英国首相布莱尔,协同数位科学家,向全世界宣告:HGP已经完成了人类基因组序列的初步草图。克林顿本人说:“今天宣布HGP的完成,不仅仅代表了一项科学划时代的成果,更标志着,通过这一伟大的新知识,人类已达到实现治愈力量的边缘。”
的确,HGP是一次科学的壮举,是一次全球科学家合作的经典案例,覆盖了亚洲(东亚和南亚)、非洲、欧洲、大洋洲、美洲的多人种,第一次厘清了人类细胞中的23对染色体,含有30亿个碱基对,全球不同种族中的DNA单核苷酸碱基差异(single nucleotide polymorphism,SNP),不到0.1%,其中,汉族人之间的碱基差异不到60万个,仅为0.02%,而非洲大陆上不同民族间的碱基差异最高。这些发现印证了现代人(Homo Sapiens)来自非洲,东亚祖先在4万~6万年前踏上中国大陆。HGP揭示了人类走出非洲、迁徙进化的路线图。因此,在实现克林顿预言的“治愈力量”之前,HGP辅助我们寻祖,司法机构利用SNP破案。大量感人和伤心的亲子鉴定故事发生了,积压多年的无头案被破解了。一个生命科学的研究,带来了一场社会、伦理、司法的巨大革命,这本身就是一个巨大贡献,也是始料不及的。
当然,HGP的初衷是推进医学进步和突破。在过去的20年里,以HGP为基础的系列科学突破,提高了疾病诊断水平,许多遗传病、罕见病得到了精准及快速的诊断;提高了治疗水平,多种按器官、部位、病理分型诊断及评估肿瘤的传统医疗模式被突破及颠覆,以分子通路、基因变异为基础的精准医学得以诞生,靶向药物被广泛应用,多种恶性肿瘤患者的5年生存期显著延长,甚至实现痊愈;提高了药物研发和生产水平,以基因工程为代表的大分子药物成为产学研协同发展的成功模式。
当然,科学家的追求是无止境、无边界的,伴随着基因敲除、基因转入及基因“剪刀”技术的发明,基因治疗已经应用于临床,而针对非疾病治疗性的基因修饰,甚至设计胎儿及婴儿也成为世界科学狂人的爱好和目标,有很多红线被跨越,为时过早地想充当“科学上帝”。科学需要法律及伦理的约束,否则,会给人类造成不可想象的灾难。但同所有领先的科学技术一样,与其配套的法律和伦理的建立及完善往往滞后。更加应该警惕的是,以国家为后盾的反人类行为,利用基因工程的技术,发明及制造生物武器。
HGP开创的全球合作精神还在继续。在这次新冠病毒降临武汉的一个月内,中国科学家利用第四代基因测序技术,率先对新冠病毒实施测序,并向全世界公布,为实现新冠病毒的快速诊断,以及以前所未有的速度、在数月内研发出基因工程疫苗(mRNA、DNA、S-蛋白)做出了卓越贡献。灾难是推动医学科学进步的催化剂,如同伦敦霍乱大流行成就了“流行病学”,第二次世界大战造就了抗生素及肿瘤化疗的应用,越南战争促成了青蒿素的诞生,新冠病毒的世界大流行让生物工程技术展现了人类与病毒缠斗的本领,不仅仅是灭活病毒,也不仅仅是DNA,而是人类截取了病毒的关键信使,开创了mRNA工程时代,不仅仅是复制(copy)、PCR的基因扩增,而是剪切、粘贴的基因修饰,是设计、合成的基因再造。
1990年10月1日,美国国会正式批准启动HGP,并为它拨款30亿美元,旨在破译组成人类染色体中所包含的30亿个碱基对的秘密,终于在2000年完成初步草图。多个国家参与其中,包括英国、法国、中国等。整整20年过去了,可以确定HGP的突破性意义远远超乎人类的想象,它引发了人类生物学和医学的一场革命,基因组测序现在已成常规,耗时仅为数小时,而不是10年,费用仅需千元级人民币,而不是一美元一个碱基对。有一位著名的学者曾感叹:HGP可以和人类发明了“车轮”媲美。而基于HGP的人类智慧及实践,如同给汽车装上了新的轮胎、给飞机配备了大动力的发动机和给宇宙飞船安装了高推力的火箭。
请关注本期医学里程碑——纪念人类基因组计划(HGP)完成20周年。
睡眠是动物界普遍存在的现象,人类大约有三分之一的时间用于睡眠。睡眠时间和清醒时间之间的平衡被称为睡眠稳态,它是睡眠-觉醒周期的一个基本特征。在清醒时,促进睡眠的睡眠因子积累,导致睡眠压力或睡眠需求增加。研究已经确定了许多基因、分子和生物化学过程参与调节睡眠稳态。
腺苷是细胞代谢途径的重要组成部分,是睡眠稳态的重要生理介质。在调节睡眠-觉醒周期中起关键作用的基底前脑(basal forebrain,BF)释放的腺苷可以抑制A1受体介导的神经活动并增加睡眠压力。此外,睡眠-觉醒周期是由大脑中不同的神经活动模式控制的,但这种神经活动是如何导致睡眠稳态的目前还不清楚。近期发表的一项研究中,来自中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心和北京大学生命科学学院等研究中心的研究人员通过详细研究BF中腺苷增加的机制来探索睡眠稳态的神经控制。
研究人员首先设计了一种高灵敏度、高特异性和高时间分辨率的基因编码的G蛋白耦联受体激活型腺苷传感器(GRABAdo),其中细胞外腺苷的增加可以用绿色荧光蛋白产生的荧光强度表示。使用GRABAdo,研究人员首先测量了小鼠睡眠-觉醒周期中细胞外腺苷浓度的动态变化。同时用光纤光度法记录了不同BF神经元的Ca2+活性和腺苷浓度变化,探讨腺苷升高与神经活动的关系。
研究发现,细胞外腺苷的含量在清醒时较高,而在非快速眼动(non-rapid eye movement, NREM)睡眠时较低。得益于GRABAdo的高分辨率,研究还发现在快速眼动睡眠期间腺苷显著增加,并揭示了在大脑状态转换期间腺苷浓度的快速变化,提示其与神经元活动密切相关。
同时光纤光度法记录不同BF神经元的Ca2+活性和细胞外腺苷浓度的变化表明,胆碱能神经元和谷氨酸能神经元的活性与腺苷浓度的变化高度相关。选择性地切除BF谷氨酸能神经元,发现细胞外腺苷的数量显著减少。此外,BF-谷氨酸能神经元选择性损伤的小鼠表现出睡眠稳态调节受损,在活跃期觉醒显著增强。睡眠剥夺后睡眠时长的增加显著低于对照组小鼠,并且睡眠压力的清除速率显著快于对照组小鼠。以上实验表明,BF中谷氨酸能神经元对睡眠压力的积累起到了重要的调控作用。
该研究证实了BF中谷氨酸能神经元在介导清醒状态下睡眠压力的积累中所扮演着重要角色,为进一步研究睡眠稳态调节机制奠定了坚实的基础,为探索睡眠障碍的治疗方法提供了重要参考。(编译:李伟)
参考文献:Science 2020;369, eabb0556
酗酒与大脑和外周器官的病理生理变化有关,进而可能导致危及生命的状况。酒精对中枢神经系统(central nervous system,CNS)的影响通常会导致行为缺陷(包括焦虑、认知能力下降和运动功能障碍)和突触功能受损。突触功能受损是酒精滥用的主要特征,可能是此类行为缺陷的基础,葡萄牙波尔图大学的Renato Socodato等人对此展开了研究。
小胶质细胞是大脑中主要的先天免疫细胞,维持神经组织的稳态、通过不断伸展和收缩其细胞突起来监视CNS、监测组织损伤或感染,并检查突触功能状态。中枢神经系统组织受损或感染后,小胶质细胞被激活,从而改变形态、吞噬能力和转录特征等,以恢复组织稳态。然而在许多神经精神疾病中,小胶质细胞的免疫功能受损,常常导致炎症介质的过度产生和吞噬活性的加剧,这可能会对突触有害,并对行为产生不利影响。
在这项研究中,研究人员发现摄入酒精会诱导Toll样受体2(Toll-like receptor 2,TLR2)和促炎细胞因子TNF表达,并且这些途径可能在小胶质细胞中受到共同调节。对Src激酶的TLR2依赖性招募和激活刺激了小胶质细胞中的几种与免疫相关的途径,包括NF-κB激活、磷脂酶C与整合素的结合、活性氧生成、白介素12(IL-12)产生以及最终包括TNF在内的促炎介质产生。乙醇增强Src活化,导致NF-κB复合体中的p65亚基发生核转位,最终导致小胶质细胞中的NF-κB依赖性TNF产生和分泌。
另外,Src抑制剂还抑制了乙醇摄入引起的焦虑样行为,表明靶向小胶质细胞中的Src-NF-κB-TNF途径可能会阻止酒精的致焦虑作用。酒精暴露引起小胶质细胞Src激活和NF-κB依赖性转录的确切信号转导机制值得进一步研究。
因此,乙醇引起的前额叶皮层兴奋性突触丧失可能足以破坏投射到皮层下区域中焦虑相关中心的前额叶皮层神经元的兴奋/抑制平衡,这意味着乙醇诱导的前额叶皮层突触丧失可能直接影响酒精相关焦虑。
研究人员认为有必要开展进一步的深入研究以查明引起这些区域差异和小胶质细胞异质性的确切机制,研究人员发现小胶质细胞可以吞噬前额叶皮层中的突触后成分,这为大脑免疫系统如何导致突触传递受损的重要新机制提供了相关证据,而突触传递受损是酒精滥用的一种主要后果。
(编译:宫健)
参考文献:Science Signaling 2020;13, eaba5754
新冠病毒(SARS-CoV-2)是一种新的Sarbecovirus亚属的β冠状病毒。冠状病毒通过病毒棘突蛋白与宿主细胞上的受体结合从而引发感染。SARS-CoV-2和原始SARS-CoV(将其称为SARS-CoV-1)的进入受体是人细胞表面蛋白血管紧张素转换酶2(angiotensin converting enzyme 2,ACE2)。这两种病毒的棘突受体结合域(Receptor binding domain,RBD)与ACE2具有很高的亲和力。由于RBD在病毒进入过程中的作用,它是跨物种传播和进化的主要决定因素。此外,RBD是迄今为止发现的最有效的抗SARS-CoV-2中和抗体的靶点,一些候选疫苗使用RBD作为唯一抗原。
尽管RBD具有重要的功能,但它在Sarbecoviruses中具有高度的变异性,反映了影响其进化的复杂的选择压力。此外,在SARS-CoV-2大流行株中,RBD突变已经出现,包括一些靠近ACE2结合界面的突变,但是它们对受体识别的影响仍然没有被描述过。
最近,来自美国福瑞德•哈金森癌症研究中心的研究人员通过实验测量RBD的所有氨基酸突变如何影响折叠蛋白的表达及其对ACE2的亲和力。相关研究结果发表于《细胞》杂志。
研究发现,大多数突变对RBD表达和ACE2结合有害,RBD表面的限制区域可能是疫苗和抗体治疗的理想靶点。但是有相当数量的突变可以很好地耐受,甚至可以增强与ACE2的结合,包括靠近ACE2的界面残基上,这些残基在SARS相关的冠状病毒中是不同的。然而,没有证据表明这些与ACE2亲和力增强的突变被当前SARS-CoV-2大流行分离株所选择。
RBD是中和抗体的主要靶点。研究结果表明,在蛋白质折叠和与ACE2结合方面,RBD的许多突变都是可耐受的。然而,与ACE2结合的界面比RBD的大部分表面更受限制,这可能限制病毒从靶向该界面的抗体逃逸。在此,研究提供了一些重要信息。首先,没有特征性抗体的表位像与ACE2接触的RBD表面那样受到限制,这表明存在表位聚焦的空间,以尽量减少病毒逃逸。第二,有许多RBD突变可增强与ACE2的亲和力,这意味着ACE2界面有害突变的进化补偿潜力,其方式类似于其他病毒的多步逃逸途径。通过深度突变扫描来直接绘制免疫逃逸突变图谱,可进一步阐明抗原漂移的可能性。
另外,研究为疫苗设计提供了信息。例如,图谱显示RBD的哪些表面受到了强烈限制,因此可能被结构导向的疫苗作为靶点,以刺激免疫。
(编译:李伟)
参考文献:Cell 2020;182:1295-1310
大多数儿童感染新冠病毒后通常无症状,但也有少数儿童表现为严重的COVID-19感染,可能导致多器官衰竭甚至死亡。这是由COVID-19的一种并发症引起的,这种并发症是罕见的儿童多系统炎症综合征(multisystem inflammatory syndrome in children, MIS-C),在感染后4周~6周表现为高热、器官功能障碍和炎症标记物水平升高。
医生已经诊断出数百例MIS-C病例,与儿童时期的川崎病有相似之处。为了解MIS-C的生物学特征,斯德哥尔摩卡罗林斯卡研究所的Petter Brodin及其同事对13例MIS-C儿童、28例川崎病儿童、41例轻度COVID-19进行了研究并对19例健康儿童的血液免疫细胞、细胞因子和自身抗体进行系统水平分析。
结果发现MIS-C的炎症反应不同于重症急性COVID-19的细胞因子风暴,与川崎病具有一些相同特征,但在T细胞亚群、白细胞介素17A(IL-17A)和与动脉损伤相关的生物标志物方面有所不同。研究人员还发现,与患有川崎病的儿童相比,患有MIS-C的儿童,免疫化学物质IL-17A含量较低,该化学物质与炎症和自身免疫性疾病有关。
研究结果表明,与川崎病患者相比,MIS-C的初始CD4+T细胞和滤泡辅助性T细胞(TFH)较低,以及中枢和效应记忆亚群增加,部分原因可能是由于患者年龄的差异,因为即使健康的儿童,免疫细胞的比例也会随着年龄而变化。然而,结果确实表明,即使与年龄和MIS-C患者相当的其他健康对照相比,这些细胞群的差异仍然存在。
与所有其他接受研究的儿童不同,MIS-C儿童没有针对两种引起普通感冒的冠状病毒的抗体。研究人员还发现了几种针对人体自身蛋白质的自身抗体,这些抗体可能与MIS-C的发病机理有关。本研究作者指出,这种缺陷可能与他们的疾病起源有关。(编译:贾盛崧)
参考文献:Nature 2020;585:329