生命科学与生物技术研究进展 2010（下半年）

赵贵英，张树庸

2010 年下半年生命科学与生物技术研究领域日新月异，新技术、新方法、新成果层出不穷。美国《科学》杂志评出了 2010 年十大科学突破，其中生命科学就占了八项，这足以说明生命科学研究的发展速度。

⑴合成生物学：在生物学和生物技术的一个决定性时刻，研究人员组合了一个合成基因组，并用它转变了一种细菌的身份特性。合成基因组取代了细菌的核糖核酸，导致其生产出一组新的蛋白质。该研究成就促使美国国会召开了关于合成生物学的听证会。研究人员预计，未来量身定制的合成基因组可用来产生生物燃料、医药品或其他有用的化学制品。

⑵尼安德特人基因组：研究人员完成了尼安德特人基因组测序，基因组取自 3.8 万年至 4.4 万年前曾经生活在克罗地亚的 3 名女性尼安德特人的骨头。他们采用了对核糖核酸（DNA）降解片段进行测序的新方法，并首次对现代人的基因组与尼安德特人组进行了直接比较。

⑶艾滋病病毒预防：对两种新颖预防艾滋病病毒方法进行的试验取得了不容置疑的成功：一种是含有抗艾滋病病毒药物泰诺福韦（tenofovir）的阴道凝胶，它可使女性被感染率减少 39%；另一种为口服药物前接触预防法，其让一组男子以及与男性有性关系的变性女子（出生时为男性）感染艾滋病病毒的几率减少了 43.8%。

⑷外显子组测序/罕见疾病基因：对于研究因单一有缺陷基因导致罕见遗传性疾病的研究人员而言，仅对某一基因组中的外显子（即基因组中担当蛋白质编码的极小部分）进行测序，就能发现特殊的、至少造成 12 种疾病的基因突变。

⑸分子动力学模拟：模拟蛋白质在折叠时产出的旋转始终是一个组合噩梦。如今，借助世界上强大的计算机能力，研究人员能跟踪微小的正在折叠的蛋白质中原子运动，跟踪时间比过去任何方法都要长 100 倍。

⑹下一代基因组学：更快速更廉价的测序技术使人们能够以极大的规模研究古代和现代核糖核酸。以“千人基因组计划”为例，其发现了众多导致我们人类独一无二的基因组变异，而其他正在进行中的计划将揭示更多的基因组功能。

⑺核糖核酸重编程：重新编程细胞（即将细胞的发育时钟回拨，使其表现如同胚胎中的非特化“干细胞”）已经成为一种研究疾病和发展的标准实验室技术。今年，研究人员找到了用合成核糖核酸实现细胞重编程的方法。与以往的方法相比，新技术的速度要快 2 倍，功效要高 100 倍，并在治疗应用上可望更为安全。

⑻大鼠的回归：小鼠在实验室动物世界占有统治地位。然而鉴于许多的用途，研究人员更愿意用大鼠。因为大鼠更容易用来做实验，且从解剖学的角度上讲与人类更加相似。不过，大鼠存在着重大缺陷，用以制造“基因剔除小鼠”（即通过精确地关闭特定基因而专门用于研究的小鼠）的方法在大鼠中无效。然而，今年有一系列的研究承诺会给实验室带来大批“基因剔除大鼠”。

在以上八项突破中，中国“华大基因”参与了其中两项工作，足以说明中国的生命科学研究已跻入世界前沿，下面主要介绍一下我国 2010 年下半年生命科学与生物技术研究进展。

⑴我科学家发现“蛋白尿促进肾小管细胞凋亡”机制 ——致肾小管细胞死亡的“凶手”有望被降伏

蛋白激酶 C-delta 是一种与恶性肿瘤转移相关的蛋白质。它的功能就像“司令官”一样，可以调控下游蛋白质作用机制的发挥。武汉大学中南医院肾病内科医师李晓宁团队研究发现，蛋白激酶 C-delta 在蛋白尿中表达升高，是尿蛋白诱导肾小管细胞死亡的“凶手”。如果抑制住蛋白激酶C-delta 在蛋白尿动物肾脏中的表达，就可以成功抑制蛋白尿诱导的肾小管损伤。

李晓宁以第一作者撰写的论文《蛋白激酶 C-delta 促进蛋白尿相关的肾小管细胞凋亡》于 2010 年 7 月 1 日在国际肾脏学界最权威的学术刊物《美国肾脏病学会杂志》上发表，该杂志还专门配发了近 2000 字的综述。

过去医学界认为，蛋白尿是肾脏病变产生的结果；而后由于发现蛋白尿患者肾脏纤维化加速，医学界又据此怀疑尿蛋白不仅是肾脏病变的结果，还有可能是肾脏病变的“元凶”，但一直未能找到直接证据。

李晓宁及其研究小组发现，肾病水平的蛋白尿可以在体内和体外诱导肾小管细胞凋亡，并发现了细胞凋亡的早、晚期特征性事件等，从而分别从细胞水平、亚细胞水平、DNA水平和蛋白质水平证实了白蛋白对肾小管细胞的直接毒性作用。研究小组还发现蛋白激酶 C-delta 在蛋白尿实验模型中表达升高会促进白蛋白诱导肾小管细胞死亡，表明蛋白激酶 C-delta 是诱导肾小管细胞死亡的“凶手”之一。为了找到治疗手段，李晓宁等研究人员分别用化学药物和基因转染的方法，成功抑制了蛋白尿诱导的肾小管损伤。

专家表示，这一研究发现为肾脏疾病的临床治疗和药物开发提供了靶点。

⑵细胞中“宅男宅女”是传递“信号”大使——我科学家揭示生物系统内全新的信息传递机制

一直被科学家当做“宅男宅女”的 miRNA，最近却在研究中发现它们被赋予了比传统激素、细胞因子等信号蛋白更加高效、强劲的信息传递功能，即 miRNA 能够被一种细胞分泌出来后，经血液循环被运输到另外一种受体细胞内，通过降低其相应靶基因的翻译，从而调节受体细胞的功能。在 2010 年 7 月 9 日出版的《分子细胞》期刊上，南京大学发表的一篇研究论文将帮助人类更好地理解生物系统内信息传递的本质规律，揭示疾病发生发展的新机制，并发展出新的治疗策略与方法。

miRNA 是一类动植物细胞内自然产生的非编码小RNA。以前，科学家一直认为 miRNA 是一类喜欢“宅”的分子，从“出生”起，一辈子就在一个细胞中活动。可是，南京大学生命科学院教授张辰宇、曾科和同事们却在研究一种编号为 miRNA150 的微小 RNA 时，发现免疫系统中的单核/巨噬细胞在受到某种刺激后，会增加制造出miRNA150，并释放到循环的血液里，顺血流钻入内皮细胞中，刺激内皮细胞迁移。

以激素/细胞因子—受体及抗原—抗体等为代表的已知传统的细胞间信号传递方式，通常发生在特定种类的细胞，并且一般只有一个或数个分子直接作用。因而，这种通信方式是“单通道”的。而所有类型的细胞都具有分泌与接受miRNA 的能力，并且在特定的生理与病理生理条件下，细胞可一次性分泌多种 miRNA，在靶细胞中更能调节多个基因的翻译，所以，miRNA 的信号传递方式是“双通道”或“多通道”的。

张辰宇说，糖尿病、红斑狼疮等在目前看来发生机制尚不明确的病症，在将来却有可能通过切断细胞间信号传递通道等方式进行防治。

⑶我国学者发现长寿基因——可望解开“长命百岁”之谜

北京大学分子医学研究所人类群体遗传研究室田小利教授与北京大学国家发展研究院健康老龄与发展研究中心曾毅教授联合研究组发现，名为 FOXO1A 和 FOXO3A 的两个基因与长寿相关，其中前者与我国女性的长寿相关，后者则没有性别差异。

健康长寿是每一个人的梦想，但影响健康长寿的因素很多，包括性别、生活习惯、生活环境和遗传及其相互作用等。在年龄大于 85 岁的人群中女性约占 70% ～ 85%，而男性仅为 15% ～ 30%。尽管女性的长寿优势可见于已经报道的所有人种，但原因尚不明确。田小利和曾毅联合研究组首次发现 FOXO1A 基因与女性的长寿相关，而与男性关系不显著，将有助于解释女性长寿之谜。FOXO3A 基因曾报道与其他的人群（如日本人、美国人、德国人和意大利人等）的长寿相关。FOXO1A 和 FOXO3A 是胰岛素或胰岛素样生长因子介导的下游信号通路分子，与细胞周期、生长、凋亡以及血管新生等有密切关系。在代谢方面，它们的主要功能是平衡胰岛素的敏感性和抗性，参与癌症、自身免疫病以及心血管疾病如缺血性心脏病、心肌肥大等。

田小利等推测 FOXO3A 可能通过调节胰岛素抗性和长寿相关，而 FOXO1A 则除调节胰岛素抗性外可能还通过与女性生殖系统的相互作用而影响人的寿命。研究人员通过比较分析了 1000 个百岁老人和 1000 多个年轻人的FOXO1A 及 FOXO3A 基因型，得出了这两个基因与长寿相关的结论。

⑷我科学家发现两个食管癌易感基因

我国科学家发现了两个食管癌易感基因，由此形成的科研成果为食管癌高危人群预警和个体化防治开辟了新的研究方向。这一食管癌全基因组关联分析研究成果，2010 年 8月 23 日在国际学术期刊《自然—遗传学》上在线发表。

河南省新乡医学院癌症研究中心主任、特聘教授王立东领衔的由 17 个省市 50 家科研机构 268 位学者组成的科研团队，在人类的第 10 号和第 20 号染色体上首次发现了这两个易感基因，即 PLCE1（磷脂酶 Ce1）和 C20orf54（核黄素转运基因），可以极大地提高高危人群的检出率。

肉类和蔬菜等膳食中所蕴含的核黄素，本来可以维护人类表皮的完整性，调控细胞的增生。但是在食管癌患者中，由于环境和遗传等原因，导致一些基因的“大门”被关闭，核黄素从细胞外转入细胞内的渠道不通，致使一些患者虽然同样大量进食含核黄素的食物或药物，但不能有效地转入细胞内，也就无法起到治疗作用。针对这一情况，王立东和他的研究团队设计了一个有利于基因表达的产物蛋白质，来抑制另外一个蛋白质的表达，并与它中和，这一过程可以借助胃镜下进行瘤体注射来完成。这就是基因治疗。

王立东说，基因诊断更便捷，对于患者，检查成本也将十分低廉。只需在人的身上抽一滴血，用事先设置在常规医疗设备磁珠上的食管癌易感基因进行检测，如果导致这些易感基因的颜色发生改变，就证明这个人很可能是食管癌易感者或高发者，其发病几率是正常人的 50 倍。采用此法检验后，可用目前常用的食管镜、CT、320π 等手段进一步确诊。

⑸我科学家发现人体内导致肝癌的易感基因

中科院院士贺福初领衔的蛋白质组学国家重点实验室在肝癌研究领域又有重大发现。该实验室功能基因组学课题组在周钢桥研究员的带领下，与国内多家单位合作，在人类染色体的特殊位置发现了一个容易导致肝癌的易感基因区域。这一重大发现不但有助于科学家们深入解析肝癌的发病机制，而且为肝癌的风险预测、早期预防和个体化治疗以及新型高效药物的筛选提供了理论依据和生物靶标。《自然•遗传学》在线发表了这一原创性研究成果。

我国是肝癌高发国家，每年新发病例 30 万。为找到并确认容易导致肝癌的遗传易感基因，周钢桥课题组联合南京医科大学、中国医学科学院肿瘤研究所、复旦大学、中山大学肿瘤医院、广西肿瘤医院等 10 多家单位的 100 余位科研人员，在国内 5 个肝癌高发区收集了 4500 多名肝癌病例和对照个体，运用全基因组关联分析方法，在全基因组范围内进行了系统的筛选和实验验证。经过潜心研究，他们在人体第 1 号染色体的一个特殊位置发现了一个由多个基因组成的区域，这个区域是容易导致肝癌的“罪魁祸首”。据课题组成员、军事医学科学院放射与辐射医学研究所博士张红星介绍，如果该区域的基因发生了变异，人类患有肝癌的风险系数就会大大增加。

贺福初介绍说，该研究是国际上首次基于大规模人群和全基因组水平的肝癌易感基因的筛查研究，所使用的全基因组关联研究技术是目前全球科学界公认的行之有效的拉网式搜寻重大疾病易感基因的研究方法。蛋白质组学国家重点实验室长期致力于包括肝癌在内的多种肝病的易感基因及其致病机制的研究，过去 10 年间已经在乙型肝炎病毒感染的慢性化和重症化等关键环节找到了易感基因。

⑹我科学家发现三个反常性痤疮致病基因

《科学》杂志发表了中国医学科学院张学、沈岩和王宝玺 3 人合作的科研成果。他们发现，伽马—分泌酶亚单位的 PSEN1、PSENEN 和 NCSTN 3 个基因发生突变，都会导致常染色体显性家族性反常性痤疮。这一重大发现阐明了反常性痤疮的遗传基础，揭示了该病发生的分子机制，同时也表明看似不相关联的早发家族性老年性痴呆（Alzheimer）和家族性反常性痤疮，可由同一基因的不同类型突变引起。

同期《科学》还发了哈佛医学院两位 Alzheimer 病专家撰写的专题评论。专家们特别关注张学等的发现对Alzheimer 病发病分子机制、Alzheimer 病动物模型建立以及伽马—分泌酶抑制剂治疗 Alzheimer 病临床试验中的副作用等问题的影响。

反常性痤疮是严重的皮肤病之一。2004 年开始，时任北京协和医院皮肤科主任的王宝玺先后与中国医学科学院基础医学研究所的沈岩院士、张学教授合作，利用 2 个大家系定位了 1 个新的反常性痤疮致病基因位点，将关键区域限定；再采用基因测序等分子遗传学方法在 6 个反常性痤疮家系中都找到了致病突变。除 2 个大家系中有PSENEN 基因突变外，1 个家系中发生 PSEN1 基因突变，3 个家系含 NCSTN 基因突变。其中 PSEN1 就是早发家族性 Alzheimer 病的主要致病基因。非常有趣的是，导致反常性痤疮的基因突变，都是移码突变或无义突变或剪接突变等引起基因功能丢失的改变；而改变单个氨基酸的错义突变，则是早发家族性 Alzheimer 病的主要致病突变。伽马—分泌酶亚单位基因突变的发现，揭示了家族性反常性痤疮发病的分子路径，也为研发有效治疗药物提供了正确的靶点。

⑺我学者首次揭示心房颤动发生新“奥秘”——为心脏领域的生物医药创新研发奠定基础

由哈尔滨医科大学“重大心脏疾病基础研究”973 项目首席科学家杨宝峰院士领衔的科研团队，于 2010 年 12 月在国际上首次发现临床最为常见的心律失常类型——心房颤动发生的新机制及微小核苷酸-328 调控心房颤动的发生。这一发现发表在国际心血管领域权威杂志《循环》上。

课题组发现心房颤动的患者微小核苷酸-328 显著升高，且升高程度与发病程度密切相关。为揭开微小核苷酸-328 在房颤中的“奥秘”，杨宝峰及课题组成员联手攻关，在国际上首次建立起心脏特定微小核苷酸（1，26，28 亚型）过表达转基因鼠和微小核苷酸功能敲减小鼠（328 亚型），发现微小核苷酸-328 的过表达能诱发出小鼠的心房颤动，而微小核苷酸-328 功能敲减小鼠或给予腺病毒转染的微小核苷酸-328 反义寡核苷酸，则可减轻房颤的发生。

为进一步揭秘微小核苷酸-328 升高诱发心房颤动的靶点，课题组运用多种实验证明，微小核苷酸-328 使编码钙通道的两个基因 CACNA1C 和 CACNB1 蛋白表达，且 L型钙电流大小也随之显著降低。相反，抑制微小核苷酸-328可减少房颤的发生。课题组通过大量离体、在体动物的实验和临床观察，最终确定微小核苷酸-328 为心房颤动发生的关键调控分子，首次从微小核苷酸领域这一分子水平上解读心房颤动的发生机制，由此锁定了一个可以治疗房颤的新靶点，对心房颤动的诊治有着重大意义，为心脏疾病领域的生物医药产业的创新研发奠定了基础。

综上所述，可以看出我国生命科学、生物技术研究成果与日俱增，这将为人类疾病诊断、治疗方法奠定很好基础，为新药研发开辟了广阔前景。