_细胞_研究发现新技术有望阻断线粒体遗传病_

·科研快讯·《自然》：研究揭示老年痴呆症致病蛋白结构清华大学施一公教授研究组在世界上首次揭示了与阿尔茨海默症（Alzheimer'sDisease，AD）发病直接相关的人源γ分泌酶复合物（γ-secretase）的精细三维结构，为理解γ分泌酶复合物的工作机制以及阿尔茨海默症的发病机理提供了重要线索，在人类对该病的研究历史上迈出了关键的一步，填补了空白。该成果以长文的形式由英国《自然》杂志于6月29日在线发。施一公教授研究组获得人源γ分泌酶复合物（γ-secretase）的精细三维结构之后，立即受到世界科学界的关注，在该成果发表之前已多次受邀在世界顶尖国际会议上做，引起国际学术界的"震惊"，《细胞》、《科学》等期刊罕见地主动邀请施一公教授投稿。阿尔茨海默症又称老年痴呆症，是一类神经退行性疾病，临床表现为脑组织切片中出现淀粉样斑块，神经元逐渐死亡，认知和记忆能力受损，大脑功能逐渐丧失，病人逐渐丧失独立生活能力，最后脑功能严重受损直至死亡。美国前总统里根和英国前首相撒切尔夫人都罹患该疾病。据不完全统计，我国目前大约有500万阿尔茨海默症患者，占世界发病总数的四分之一。由于缺乏特效药物，该疾病不但给病人及家属造成极大痛苦，也同时带来沉重的社会负担。此前的研究表明，阿尔茨海默症的发生和大脑中淀粉样斑块的形成密切相关。淀粉样斑块是由膜整合蛋白酶复合物γ-secretase异常切割"淀粉样前体蛋白"APP（amyloidprecursorprotein）而产生过量易聚集的Aβ42肽段所致。γ-secretase分泌酶复合物可以理解成细胞膜上的一个蛋白酶体，或者更通俗地形容为垃圾粉碎机。它的主要作用是降解细胞膜上的一些废物蛋白，把它降解成小的片段，让人体再吸收、再利用。γ-sec-retase分泌酶复合物是由四个膜整合蛋白组成的包含19次跨膜螺旋的复合体，包括Presenilin（PS1），Aph-1，Pen-2和Nicastrin四个亚基，其中早老素Presenilin是执行酶活功能的膜整合蛋白酶（intramembraneprotease）活性亚基。目前已经在早老素Presenilin上鉴定出150多个与阿尔茨海默症有关联的氨基酸突变。因此，解析γ-secretase的三维结构，并在此基础上理解其正常工作及致病机理，不仅具有重大科学意义，也将对阿尔茨海默症的药物研发起到重要的指导作用。获得γ分泌酶复合物（γ-secretase）的三维结构是目前世界生命科学领域最热门的研究课题之一，世界上多达几十个实验室都在进行科研攻关，但十几年来都未有收获。膜蛋白的结构生物学研究极具挑战性。要进行结构鉴定，最关键的一步是获得纯度高、化学性质均一稳定、有活性的γ-secretase复合物。施一公教授在清华大学建立实验室之后立即针对这个难题启动攻坚。经过大量系统的尝试，以及对表达和纯化方法的不断改造和优化，他们历经数年最终利用瞬时转染技术在哺乳动物细胞中成功过量表达并纯化出纯度好、性质均一、有活性的γ-secretase复合体。通过与英国MRC分子生物学实验室合作，对获得的复合物样品进行了冷冻电镜（Cryo-EM）和数据收集，最终获得了分辨率达到4.5埃的γ-secre-tase复合物三维结构。这项研究成果让人类第一次看到了γ-secretase的真实形状、组成和几乎所有的蛋白质二级结构（α-螺旋和β-折叠）。该结构显示，γ-secretase膜内部分呈马蹄型，全部19个跨膜螺旋清晰可辨。在胞外区有一个分子量较大、分辨率相对更高的结构域，即负责底物识别的Nicastrin亚基的胞外结构域，其原子结构模型得到构建，并初步显示出底物结合的可能位点。施一公教授组之所以能在阿尔茨海默症研究的世界竞争中胜出，源于他领导的实验室的长期积累、实验室严密的科学训练以及合作者的支持。十年磨一剑，在过去10年的时间里，施一公教授研究组引领着整个蛋白质受控膜内水解（RegulatedIntramembraneProteolysis，RIP）结构生物学研究领域的发展。膜整合蛋白酶主要负责蛋白质受控膜内水解这一重要生理过程，即跨膜肽链在磷脂双分子层中被膜整合蛋白酶水解剪切的反应。这是二十年前被发现的一个重要的细胞信号转导过程，在从细菌到人类的各种生物体内广泛存在，并参与了生物体发育、胆固醇代谢、胁迫反应等生命活动。膜整合蛋白酶包括三大类蛋白，即丝氨酸蛋白酶Rhomboid，金属蛋白酶S2P以及天冬氨酸蛋白酶Presenilin和SPP。他们从细菌研究入手，先后解析了细菌Rhomboid同源蛋白GlpG，古细菌S2P同源蛋白，以及古细菌Presenilin同源蛋白的晶体结构并揭示了这些膜整合蛋白酶的工作机理。2007年底全职回到清华后，施一公领导的实验室将该研究作为最重要的课题，最终获得了人源γ-secretase复合物的三维结构，将该领域研究又向前推进了重要的一步。依据该三维结构，世界科学界对阿尔茨海默症的研究将向前跨出一大步，开启一个新的研究篇章。施一公教授研究组也将继续加深研究领域，进一步提高γ分泌酶复合物的分辨率，捕捉γ-Secretase的完整的工作过程。"将来我们拿到了更高分辨率γ分泌酶复合物的结构，我们可以非常精细地解释，任何一个引起老年痴呆症突变的氨基酸突变是如何导致γ分泌酶复合物切割Aβ42的肽段，这样，我们就可以根据结构来药物分子，这是一种愿景吧"。施一公说。第一作者卢培龙是生命学院博士研究生。共同第一作者白晓晨博士曾经师从生命学院隋森芳院士，先后获得清华大学学士和博士学位后在剑桥MRC分子生物学实验室SjorsH.W.Sheres课题组从事博士后研究。共同第一作者马丹也是生命学院博士研究生。此外，清华大学生命学院在读博士研究生谢田、闫创业、孙林峰、杨光辉、赵艳雨和周瑞也对本研究做出重要贡献。研究获得了科技部、国家自然科学基金委、清华-北大生命科学联合中心的经费支持。Nature,2014,doi:10.1038/nature13567《细胞》：研究发现新技术有望阻断线粒体遗传病复旦大学近日宣布，该校医学神经生物学国家重点实验室沙红英、朱剑虹课题组，联合安徽医科大学曹云霞教授团队等，在探索遗传性线粒体疾病治疗研究方面取得突破性进展。相关研究论文日前发表于《细胞》。据专家介绍，线粒体是为细胞提供能量的细胞器，它具有自身的一套DNA（mtDNA），通过母亲的卵子传递给下一代。发生在卵子中的线粒体突变可能引起母系家族性疾病。这种突变会导致严重的问题，受影响的大多数是能量需求高的器官，例如大脑、肌肉、心脏，涉及到一系列广泛的母源性遗传病，目前的治疗方案极为有限，患者只能靠药物短期缓解症状，无法治愈。此外，由于线粒体DNA是通过卵胞质以母源性遗传的方式Ⅰ进入下一代，故通常具有一定量线粒体DNA突变的携带者医生不建议生育。因此，该病给家庭带来痛苦和不幸。极体是卵子在减数分裂过程中排出卵包膜外的"小细胞"。沙红英等研究人员以极体的生物学特性为理论基础和出发点，用极体中的遗传物质代替胞浆内的遗传物质，在两种不同线粒体遗传背景的小鼠之间进行线粒体置换研究。研究结果显示第一极体置换产生的子一代小鼠及其衍生的子二代小鼠体内仅含卵胞浆供体小鼠的线粒体，在最大程度上避免了异质线粒体DNA。同时，研究人员在小鼠上将极体移植、原核移植、纺锤体复合物移植在同一尺度进行比较，证明了极体的优越性及潜在的临床应用价值，有望能主动和彻底地预防线粒体母源性遗传疾病的发生。沙红英表示：尽管在动物模型上已经取得令人振奋的结果，但仍须进一步研究极体基因组置换技术在人类卵子／胚胎上的结局，并将这种置换的人胚胎与正常IVF胚胎进行详细的、长期的比较，从而为临床试验提供合适的证据。Cell,2014,19,157(7):1591-604.doi:10.1016/j.cell.2014.04.042.《自然-通讯》：研究用冷冻睾丸组织培育出小鼠后代近期出版的英国《自然-通讯》中，报道了日本科学家首次使用超低温保存的睾丸组织，培育出了活的小鼠后代。这项成果表明，超低温保存睾丸组织可能是一种现实的、保存生育能力的重要措施。据该论文描述，不孕不育可以是某些癌症治疗的不良反应之一。而随着儿童癌症治愈率的增加，保存生育能力已经成为病人及其家属很关心的一个问题。由于精液冷冻保存仅适用于青春期发育后的病人，更加年轻的患者需要其他的替代措施。医学界多年前就在讨论一种可能性，即按照冷冻保存程序来留取未成熟睾丸组织，并使冷冻后组织能恢复生精过程。以往的实验观察中，新生小鼠睾丸组织在冷冻保存一段时间后再移植，其表现与新鲜睾丸组织移植相同，未成熟的生精细胞可以在受体中继续生长发育，并完成整个生精过程进而发育为精子。但科学家们还不曾培育出活的实验小鼠后代。日本横浜市立大学医学部小川毅彦与他的研究团队，以前曾经开发出一个器官培养系统，其可以诱导小鼠从睾丸产生精子的完整过程。在最新这项研究中，他们通过缓慢冷冻或者玻璃化（冷冻生物学中一项简单、快速、有效保存有生命的细胞、组织和器官的方法，此过程中细胞结构不会受到破坏从而细胞得以存活），超低温保存了新生小鼠的睾丸组织。解冻后再对这些组织进行了培养。研究显示，这些组织分化成精子的能力，和对照组中没有经过冷冻的组织一样有效。团队研究者随后对未成熟的卵细胞进行了微授精，直接放入了精子。这些精子来自于超低温保存了4个月的睾丸组织，总共获得8个后代。这些后代们可以健康地成长并能够繁殖。此项研究结果提供了一种保存生育能力的潜在办法，在包括保存雄性生殖细胞、帮助癌症患者保存生殖能力以及保存濒危物种等方面，提供了一个切实可靠的实验依据。但是团队人员同时坦承，还需要更多的研究才可以将成果转化到人类中去。NatCommun,2014,1,5:4320.doi:10.1038/ncomms5320.《科学》：科学家发现冠状动脉新起源国际著名学术期刊《科学》在线发表了中国科学院上海生命科学研究院营养科学研究所周斌研究组关于冠状动脉起源的最新研究成果。该研究首次利用遗传谱系示踪技术揭示了冠状动脉血管的新起源--心内膜。这一重大发现为临床心肌梗死血管再生治疗和体外人工心脏血管生成研究奠定了理论基础。Science杂志的编委和评审专家高度评价此项工作的开创性意义，他们认为这项研究工作是心血管领域的一项重大突破，对发育和再生领域的其他研究工作具有指导意义。杂志将这一研究成果作为亮点文章进行了专题评论。美国哈佛大学著名发育学家Burns教授评价：该研究是目前在寻找冠状动脉起源中的突破性研究成果，并指出研究为降低心梗后心衰引起的发病率和死亡率的再生医学研究带来了新的希望。此项研究发现出生后心脏生成新的冠状动脉血管的能力，有助于心血管再生治疗的研究。冠心病引起的心肌梗死是全世界因疾病死亡的首要原因。冠状动脉是如何发育的，这是一个对于人类健康和疾病具有重要意义的基础生物学问题，将为先天性心脏病和成年心血管疾病再生医学治疗提供重要信息。关于冠状动脉的起源，以往的研究大多集中在妊娠中期，即冠状动脉血管在心脏上最初形成的时期，普遍认为出生后的冠状动脉血管就是来源于这些胚胎期已经形成的冠状动脉血管，但这种假设并没有严格地论证过。胚胎期冠状动脉血管最初形成血管丛覆盖在心脏外表面。心肌组织由致密心肌层和心肌小梁两部分组成。外侧的致密心肌层形成游离心室壁，而内侧的心肌小梁向心室腔内形成指状凸起。致密心肌层中发育形成心肌内冠状动脉血管，而心肌小梁因缺乏心肌内冠状动脉血管，直接与心室腔内的血液进行氧气和营养物质交换。然而，在出生后心脏内侧的心肌小梁经过致密化过程，与外侧致密心肌层融合；心脏内侧新形成的致密心肌层得到了冠状动脉血管丰富的血液供应；但对于出生后新形成的致密心肌层发生血管化的发育过程并不清楚。据周斌研究员介绍，这项研究工作利用转基因小鼠结合谱系示踪技术，对冠状动脉的起源和发育机制进行了研究。研究发现，心脏中的一部分冠状动脉是在出生后新生成的，而不是由胚胎期已经形成的血管扩增而来的。心室壁外侧的冠状动脉血管来源于胚胎发育早期生成的血管。位于室间隔中的冠状动脉血管是在胚胎发育中期形成的。而心室壁内侧的冠状动脉血管是在出生后新生成的。"该研究重新定义了冠状动脉的生长方式及血管新生概念。"周斌等依据冠状动脉血管发育在时间和空间上的差异，首次提出冠状动脉血管的起源可以划分为两个血管群：即位于心室壁外侧的第一冠状动脉血管群，和心脏内部（包括心室壁内侧和室间隔）的第二冠状动脉血管群。定量分析表明第二冠状动脉血管群为心脏的大部分心肌供应血流，对出生后心脏自身的血液供应具有重要意义。同时，研究还发现来源于两个血管群的冠状动脉血管是通过不同的发育机制形成的，而且在出生后仍然保持在空间上的分隔。第一冠状动脉血管群来源于胚胎心脏最初的冠状动脉血管丛产生的心外膜下祖细胞。心内膜是第二冠状动脉血管群的起源。心内膜不仅仅是内衬于心肌小梁的一层膜，心内膜干/祖细胞可以分化为成纤维细胞、间充质细胞、平滑肌细胞和血管内皮细胞等。心内膜干/祖细胞作为冠状动脉血管内皮细胞库，在心肌小梁融合的过程中发生迁移并分化为血管内皮细胞，是出生后冠状动脉血管迅速增多的有效方式，从而提供充足的血流灌溉为增强泵功能而迅速增厚的心肌层。Ⅱ