|
1997 年，從高中考上北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院以來,，26 年間陳強(qiáng)始終在和生命科學(xué)打交道,。從北大博士畢業(yè)之后，他來到哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院做了 6 年的博士后研究,。2013 年,，陳強(qiáng)回國(guó)加入四川大學(xué)生物治療國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任研究員至今,。
▲圖 | 陳強(qiáng)（來源：陳強(qiáng)）
就在前不久,，他和團(tuán)隊(duì)在 Nature 子刊發(fā)了一篇論文。對(duì)于他來說,，這是一項(xiàng)“絕唱”型研究,。因?yàn)樽源艘院螅麑氐住稗D(zhuǎn)戰(zhàn)”微生物免疫領(lǐng)域,。
在 Nature 子刊這篇論文中,，他和團(tuán)隊(duì)探索了神經(jīng)元自我識(shí)別的機(jī)制，能夠加深人們對(duì)于神經(jīng)發(fā)育的理解,。雖然距離實(shí)際應(yīng)用還比較遠(yuǎn),，但會(huì)給神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療帶來潛在幫助。
針對(duì)從昆蟲 Dscam 到脊椎動(dòng)物 cPcdh 進(jìn)化上的巨大差距,，這項(xiàng)成果補(bǔ)上了缺失的一環(huán),，填補(bǔ)了神經(jīng)元表面識(shí)別分子領(lǐng)域的一個(gè)重要空白，為理解神經(jīng)元細(xì)胞自我識(shí)別的分子機(jī)制做出了重要貢獻(xiàn),。研究中所使用的活細(xì)胞信號(hào)記錄方法,，獲得了評(píng)審專家的高度評(píng)價(jià)。
（來源：Nature Communications）
此前,，學(xué)界在在研究細(xì)胞表面受體的順式作用時(shí),，都是先把細(xì)胞裂解然后再進(jìn)行檢測(cè)，這有可能會(huì)產(chǎn)生非特異性作用,，從而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性,。
“相比之下，我們開發(fā)的這種方法可以在活細(xì)胞狀態(tài)下檢測(cè)順式作用信號(hào)。如果細(xì)胞表面發(fā)生了順式作用,，這個(gè)信號(hào)就會(huì)被酪氨酸磷酸化記錄下來,。這時(shí)，將細(xì)胞裂解并檢測(cè)磷酸化水平,，這樣一來順式作用信號(hào)的記錄先于細(xì)胞的裂解,，從而讓實(shí)驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確?！?a data-miniprogram-appid="wx99cc64e6169731cc" data-miniprogram-path="pages/professor-detail/index?personage_id=115961" data-miniprogram-nickname="絡(luò)繹科學(xué)" data-miniprogram-type="text" data-miniprogram-servicetype="">陳強(qiáng)說,。
另外，研究中他們嘗試引入數(shù)學(xué)模型,，來解釋神經(jīng)元的自我身份識(shí)別,。“但是審稿人認(rèn)為我們的假設(shè)沒有實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ),。事實(shí)上,，在復(fù)雜的生命體系中引入數(shù)學(xué)模型做一些假設(shè)，我覺得是不可避免的,。在第一次修改中,，我們完善了數(shù)學(xué)模型，并提供了更加詳細(xì)的解釋,，可惜并沒有說服審稿人,。第二次修改時(shí)，我們不得不刪掉這部分內(nèi)容,，感覺審稿人有點(diǎn)苛刻了,，讓我們這篇論文少了一個(gè)亮點(diǎn)?！?a data-miniprogram-appid="wx99cc64e6169731cc" data-miniprogram-path="pages/professor-detail/index?personage_id=115961" data-miniprogram-nickname="絡(luò)繹科學(xué)" data-miniprogram-type="text" data-miniprogram-servicetype="">陳強(qiáng)說,。
（來源：Nature Communications）
果蠅 Dscam 和人類 cPcdh 之間的“鴻溝”
而本次研究要從 2013 年說起，那時(shí)剛回到國(guó)內(nèi)的陳強(qiáng)對(duì)大腦和神經(jīng)系統(tǒng)的研究十分感興趣,。他覺得這是生命科學(xué)中最復(fù)雜,、也是最有挑戰(zhàn)性的課題組之一。
一個(gè)成年人的大腦大約有 1011 個(gè)神經(jīng)元,，而每個(gè)神經(jīng)元又由 1 千到 1 萬個(gè)靶細(xì)胞建立連接,，最終形成一個(gè)猶如森林般復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。為了實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的神經(jīng)突觸連接,，神經(jīng)元細(xì)胞必須能夠識(shí)別“自我”與“非我”,。
對(duì)于一些細(xì)胞表面受體蛋白來說，它們通過表達(dá)高度多樣化的異構(gòu)體,，賦予神經(jīng)元以獨(dú)特的細(xì)胞身份,，這樣一來神經(jīng)元就有了“身份證”,，從而實(shí)現(xiàn)不同神經(jīng)元之間的特異性識(shí)別。
在這種細(xì)胞表面受體中,，包含果蠅的 Dscam,、以及哺乳動(dòng)物的 cPcdh 等。果蠅的 Dscam 有 3 萬多種異構(gòu)體,，而人類的 cPcdh 只有 52 種異構(gòu)體,，盡管二者在異構(gòu)體數(shù)目上有著巨大差距，但卻行使著類似的生理功能,，這讓學(xué)界一直感到非常不解,。陳強(qiáng)也覺得，似乎有一道“鴻溝”橫亙?cè)诙咧g,。
2016 年,，他和團(tuán)隊(duì)在 Science Advances 上發(fā)表一篇關(guān)于果蠅 Dscam 的論文。研究中,，課題組針對(duì)分子自我識(shí)別的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)加以詳細(xì)解釋,，并指出此前一篇 Nature 論文中的兩處錯(cuò)誤，同時(shí)還提出一個(gè)普遍適用于蛋白質(zhì)相互作用的“整體約束”機(jī)制,。
同年,，浙大團(tuán)隊(duì)揭示了螯肢動(dòng)物中的一種縮短型 Dscam，稱為 sDscam,。果蠅 Dscam 有 16 個(gè)結(jié)構(gòu)域,，而 sDscam 只有 6 個(gè)結(jié)構(gòu)域,。陳強(qiáng)發(fā)現(xiàn),，縮短的 sDscam 恰好保留了與其信號(hào)分子 Netrin 相互作用的結(jié)構(gòu)域。
這說明在進(jìn)化過程中,，至關(guān)重要的功能結(jié)構(gòu)域會(huì)被保留下來,。盡管 sDscam 的蛋白構(gòu)成與果蠅 Dscam 相似，但是基因的組織排列方式卻與脊椎動(dòng)物 cPcdh 相近,。而 sDscam 的異構(gòu)體數(shù)目,，則介于果蠅 Dscam 與脊椎動(dòng)物 cPcdh 之間，呈現(xiàn)一種過渡狀態(tài),。
這意味著,，對(duì)于研究神經(jīng)元細(xì)胞表面識(shí)別分子的進(jìn)化來說，sDscam 能夠提供獨(dú)特的樣本,?！拔冶救吮容^擅長(zhǎng)做結(jié)構(gòu)研究，于是我們課題組就從結(jié)構(gòu)入手,，解析了十幾個(gè) sDscam 的晶體結(jié)構(gòu),?！?a data-miniprogram-appid="wx99cc64e6169731cc" data-miniprogram-path="pages/professor-detail/index?personage_id=115961" data-miniprogram-nickname="絡(luò)繹科學(xué)" data-miniprogram-type="text" data-miniprogram-servicetype="">陳強(qiáng)表示。
（來源：Nature Communications）
結(jié)合功能實(shí)驗(yàn)結(jié)果他們揭示了如下規(guī)律：在不同細(xì)胞之間,，sDscam 的相互作用方式與果蠅 Dscam 是相同的,；而在同一個(gè)細(xì)胞表面，sDscam 的作用方式又與脊椎動(dòng)物 cPcdh 呈現(xiàn)相似性,。
該團(tuán)隊(duì)由此指出：sDscam 在細(xì)胞表面會(huì)形成拉鏈?zhǔn)降慕Y(jié)構(gòu),，這種機(jī)制可以使用較少的異構(gòu)體數(shù)目，從而為數(shù)目龐大的神經(jīng)元細(xì)胞提供身份識(shí)別,，進(jìn)而幫助人們理解神經(jīng)元細(xì)胞表面識(shí)別分子的多樣性進(jìn)化,。
AlphaFold 問世，為停滯課題帶來轉(zhuǎn)機(jī)
最初,，陳強(qiáng)認(rèn)為 sDscam 比果蠅的 Dscam 短很多,，因此希望能夠解析整個(gè)胞外結(jié)構(gòu)域的完整結(jié)構(gòu)，甚至想要得到 sDscam 胞外全長(zhǎng)與信號(hào)分子 Netrin 的復(fù)合物結(jié)構(gòu),，這樣就能對(duì) sDscam 介導(dǎo)的自我識(shí)別和軸突導(dǎo)向產(chǎn)生更完整,、更清晰的了解。
然而很遺憾的是,，螯肢動(dòng)物的 Netrin 蛋白很難被表達(dá),。在針對(duì)胞外全長(zhǎng) sDscam 的研究中，雖然課題組成果獲得了晶體,，但是由于衍射能力弱和各向異性的原因,，導(dǎo)致他們無法收集到能被使用的衍射數(shù)據(jù)。
在此之后,，他們把 sDscam 分成幾個(gè)片段來做,，雖然收獲了幾套衍射數(shù)據(jù)，但是一直無法解決相位信息,，自然也就無法解析出來對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu),。
程婕同學(xué)主要負(fù)責(zé)本次課題，她從碩士開始做起,，直到臨近博士畢業(yè)才算完成,。陳強(qiáng)說：“因?yàn)橹虚g遇到困難，有一年半左右就擱置了,。不過我一直惦記著這個(gè)課題,，有了新想法和新技術(shù)之后，我們把它撿了起來,?！?/section>
即便如此，課題的推進(jìn)依舊艱難,。那時(shí),，臨近博士畢業(yè)的程婕感到十分焦慮,，作為導(dǎo)師的陳強(qiáng)也是壓力山大。
那段時(shí)間,，師生二人一直在尋找突破口,。直到 AlphaFold 問世，研究終于迎來轉(zhuǎn)機(jī),。該團(tuán)隊(duì)借此預(yù)測(cè)了蛋白結(jié)構(gòu)模型,，并以此作為初始相位信息。在反復(fù)嘗試之后,，他們通過分子置換的方法,，終于解析了 sDscam 的晶體結(jié)構(gòu)。
（來源：Nature Communications）
而在進(jìn)行功能實(shí)驗(yàn)時(shí),，課題組也遇到了一些困難,。其中，最大的困難是在檢測(cè) sDscam 的順式相互作用時(shí),，采取傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法會(huì)導(dǎo)致非特異性太高,，進(jìn)而致使實(shí)驗(yàn)結(jié)果不夠準(zhǔn)確。
為解決這一問題,，他們將 sDscam 與一個(gè)酪氨酸激酶進(jìn)行融合,。如此一來在活細(xì)胞狀態(tài)下如果發(fā)生順式作用，這個(gè)信號(hào)就會(huì)以磷酸化的形式被固定下來,，從而避免受到后續(xù)實(shí)驗(yàn)步驟的影響,。
▲圖 | 相關(guān)論文（來源：Nature Communications）
“雖然過程比較艱辛,，但是最后也算是一個(gè) Happy Ending,。程婕順利獲得博士學(xué)位，目前在我課題組做博士后,，而且很快就要做媽媽了,。我一直秉持的理念是，做科研和做人一樣最重要的是開心（笑）,。我希望大家能夠愉快地做科研,，我也一直在課題組內(nèi)營(yíng)造這樣的氣氛?！?a data-miniprogram-appid="wx99cc64e6169731cc" data-miniprogram-path="pages/professor-detail/index?personage_id=115961" data-miniprogram-nickname="絡(luò)繹科學(xué)" data-miniprogram-type="text" data-miniprogram-servicetype="">陳強(qiáng)說,。
研究微觀世界的“戰(zhàn)爭(zhēng)”,，從武器庫中發(fā)現(xiàn)寶藏
如前所述，本次研究并沒有后續(xù)計(jì)劃,。陳強(qiáng)表示當(dāng)初回國(guó)時(shí)自己想做神經(jīng)發(fā)育的研究,，但是很快就發(fā)現(xiàn)根本做不下去，主要原因是經(jīng)費(fèi)不夠,。
“之后我和其他老師合作,，開始做藥物靶點(diǎn)和小分子藥物復(fù)合物的結(jié)構(gòu)研究，以用于藥物優(yōu)化和探究藥物作用機(jī)制,，后來也發(fā)了不少論文,。值得一提的是，我們生物治療國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在藥物研究方面頗具特色,，而且也很有實(shí)力,。”陳強(qiáng)說,。
但是,，很快他發(fā)就現(xiàn)這樣的合作方式，會(huì)讓自己的研究方向過于分散,。他還是希望自己能在某個(gè)領(lǐng)域做深入的系統(tǒng)性研究,。
考慮到基因編輯工具 CRISPR-Cas9，正是從細(xì)菌的獲得性免疫系統(tǒng)中被發(fā)現(xiàn)的,，因此陳強(qiáng)轉(zhuǎn)為研究微生物免疫,，即研究細(xì)菌和噬菌體的“戰(zhàn)爭(zhēng)”，希望從它們的“武器庫”中發(fā)現(xiàn)一些寶藏,。
另一個(gè)重要原因在于實(shí)驗(yàn)費(fèi)用比較低,。“我在這里想吐槽一下,，生命科學(xué)研究有一個(gè)很大的缺點(diǎn),，就是對(duì)科研經(jīng)費(fèi)的依賴性太強(qiáng)。做實(shí)驗(yàn)要花很多錢,，科研儀器也很貴,，即便你有很好的想法，沒有經(jīng)費(fèi)也很難做出東西來,?！?a data-miniprogram-appid="wx99cc64e6169731cc" data-miniprogram-path="pages/professor-detail/index?personage_id=115961" data-miniprogram-nickname="絡(luò)繹科學(xué)" data-miniprogram-type="text" data-miniprogram-servicetype="">陳強(qiáng)說。
那么,，研究微觀世界的“戰(zhàn)爭(zhēng)”,，到底有哪些意義？他表示,，在漫長(zhǎng)的進(jìn)化過程中,，細(xì)菌與噬菌體激烈的“軍備”,，競(jìng)賽讓細(xì)菌產(chǎn)生了多種多樣的防御系統(tǒng)。
從這些防御系統(tǒng)中,，學(xué)界已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了限制性內(nèi)切酶和 Cas9 等生物工具,，也為分子生物學(xué)研究和疾病治療帶來了革命性變化。
這個(gè)領(lǐng)域的迷人之處在于細(xì)菌的種類非常豐富,，各種防御系統(tǒng)之中蘊(yùn)藏著無盡可能,，有些蛋白的結(jié)構(gòu)和功能是人們見所未見、聞所未聞的,。因此,，陳強(qiáng)覺得這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展非常令人期待
|
