专访朱小平:巧思突破障碍 开创研究新天地

【字体: 时间:2011年12月16日 来源:生物通

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  将一个好的idea用于实验研究,并获得一项重要的成果,无疑是科研工作者们所追求之幸事,而将一个好的idea用于多项研究,获得多个重要的成果,开创研究新天地,这不得不说是科研人员一生的幸事了。来自美国马里兰大学的华裔科学家朱小平在今年就取得了这样一份成果……

  

生物通报道:将一个好的idea用于实验研究,并获得一项重要的成果,无疑是科研工作者们所追求之幸事,而将一个好的idea用于多项研究,获得多个重要的成果,开创研究新天地,这不得不说是科研人员一生的幸事了。来自美国马里兰大学的华裔科学家朱小平在今年就取得了这样一份成果——他带领其实验室成员,成功构建了一种新型的融合蛋白,解决了疫苗关键运输问题,并陆续在多种病毒的研究中得到了验证,包括疱疹病毒,艾滋病病毒等,相关成果公布在Nature Biotechnology,PNAS,Journal of Virology杂志上。

   为了更深入的了解这一技术,以及相关的研究成果,生物通特联系了朱小平老师,就读者感兴趣的问题请教了他。

创新性构想

   大部分病原体都是通过呼吸道,胃肠道,或者泌尿生殖系统的粘膜表层进入人体的,因此可以说粘膜是大多病原体进入人体的主要门户,也是哺乳动物免疫系统的重要组成成分。而这种免疫系统应答又不同于肌肉注射和皮下疫苗接种方式,激活粘膜免疫应答这一针对病原病毒,细菌和真菌的第一防线,对于阻断病原体侵入人体具有重要意义,因此也受到了科学家们的广泛关注。但是由于缺乏安全有效的传导运输方法,粘膜方面的疫苗研究未能得到进一步的发展。

   朱小平研究组想到利用一种称为新生儿Fc受体(Neonatal Fc receptor, FcRn)的因子,构建融合蛋白,通过IgG传递的天然途径,突破了上皮细胞屏障,简化了粘膜疫苗的制备,分配及传递过程。这一巧妙的构思最初由研究组对极化上皮细胞中FcRn介导的IgG传递,以及体内粘膜屏障的生理功能这些基础研究开始的。

   FcRn虽然被称为新生儿Fc受体,但是实际上在人体中一生都存在,这一作用因子在调控人体和动物的免疫应答中扮演了多重重要的角色,首先FcRn能帮助胎儿免疫系统未发育完全之前,保护胎儿免受病毒侵害,这一关键的作用主要是通过FcRn传递母亲的免疫IgG抗体——FcRn能帮助IgG穿过胎盘屏障。

   其次FcRn能延长IgG这种关键免疫作用因子的半衰期,IgG是血清中最丰富的蛋白之一,不同的抗体IgG有不同的半衰期,FcRn能保护IgG免受降解,从而延长IgG的半衰期,也延长了针对传染疾病的保护时间。朱小平表示,“我们发表的这些文章揭示出FcRn不仅能保护新生儿,而且还能保护成人,下一步我们将更多的利用这种天然的IgG传递途径。”

在多种病毒研究中的应用

   在发现了FcRn-IgG途径的重要性后,研究组开始了实际应用,首先他们将一种单纯疱疹病毒(herpes simplex virus,HSV)抗原的外结构域与IgG的Fc片段融合,构建一种融合蛋白,形成一种内置传递系统,可以帮助抗原穿过呼吸道上皮细胞,并通过小鼠实验证明,利用这种融合蛋白,并配合CpG佐剂,能促进细胞和体液的应答,增强对抗HSV,而且这一免疫作用即使是在6个月以后还是有效。进一步实验发现,小鼠如果缺失了FcRn,抗原,或者融合了Fc片段的抗原,其粘膜免疫系统将不能保护机体免受病原体的侵害。

   之后研究人员又在流感病毒研究中,发现一种流感血凝素特异性单克隆抗体:Y8-10C2(Y8)的作用活性需要利用新生儿Fc受体FcRn,通过FcRn的协同作用,Y8就能进入被感染的细胞内,关闭病毒的复制。这提出了抗体对抗细胞内病毒的一种新方法:借助FcRn,抗体能进入被感染的细胞发挥作用。

   近期这一研究组又利用FcRn-IgG途径构建了一种融合蛋白,用于预防艾滋病,这种新型疫苗能突破上皮细胞的屏障,保护小鼠免受艾滋病病毒的侵害,这也许在未来能用于开发人类艾滋病疫苗。

   I型艾滋病病毒感染主要是通过生殖器或者其它粘膜传染,从这里,这些病毒会快速的传播到远程粘膜处,以及全身淋巴组织中,因此当艾滋病I型病毒存在于粘膜中的时候是理想的靶标时间,可以防止其传播。但是粘膜上皮细胞的物理结构限制了疫苗蛋白,使之无法与免疫受体细胞,比如T细胞,B细胞等相互作用。

   在这项研究中,研究人员将IgG Fc结合片段与HIV抗原融合在一个蛋白中,然后通过FcRn来传递穿过粘膜上皮细胞,到达抗原细胞。通过实验证明,HIV Gage上的p24蛋白与IgG Fc重链融合在一起的融合蛋白:Gag-Fc能有效穿过鼻,肺部,以及气管的上皮细胞,而对照组(FcRn被敲除的小鼠)则不能穿过,并且这种蛋白能诱发高强度的FcRn介导的B细胞和T细胞应答。

   研究还证实这种免疫作用不仅能在感染部位发生作用,在远程细胞中也能引发免疫反应,而且还具有长期持久的免疫作用。如果能将这一成果应用到人类,这将是人类对抗艾滋病的一大利器。

   当谈到这些成果在临床上应用的时候,朱小平表示,“之前的研究主要聚焦于粘膜IgA的功能,一般认为IgG在血液中是被动传递的,我们的研究纠正了这一观点,这些研究证明IgG不仅能阻断细胞外的病原感染,还能对抗细胞内的感染病毒,这一新功能延伸了IgG和FcRn的作用,利用这种作用,我们能设计更好的疫苗,以及被动免疫治疗。”

成功的关键

   这一系列研究从最基础的分析机理开始,一步步走来,从机理研究发展到应用研究,未来更加是前景广阔。做到这一点,这个研究组成功的关键是什么呢?

   朱小平表示首先是注意力集中,他们只关注于科学研究,不被其它事情干扰,全身心付之于科研。其次是吸纳杰出和勤奋的学生和研究人员,通过更深入的研究,获得了更多的成果,也获得了更多的问题——问题总是多于答案。

   除此之外,热爱自己所从事的事业,并投入大量的热情也是关键所在,他说,“即使目前从事生命科学研究很辛苦,竞争力也大,但是我们也享受着,通过阅读大量的文献和听学术讲座,在自己的实验中获得更多出乎意料的发现这一过程。”

(生物通:王蕾)

参考文献:
November 8, 2011 PNAS: Bai Y, Ye L, Tesar DB, Song H, Zhao D, Björkman PJ, Roopenian DC, Zhu X. Intracellular neutralization of viral infection by IgG in polarized epithelial cells is dependent on FcRn-mediated IgG transport. 2011. Proc. Natl. Acad. Sci. (USA). 108:18406-18411.

Lu L, Palaniyandi S, Zeng R, Bai Y, Liu X, Wang Y, Pauza CD, Roopenian DC, Zhu X. 2011. A neonatal Fc receptor-targeted mucosal vaccine strategy effectively induces HIV-1 antigen-specific immunity to genital infection. J Virol 85:10542-53. PMID: 21849464.

Ye L, Zeng R, Bai Y, Roopenian DC, Zhu X. 2011. Efficient mucosal vaccination mediated by the neonatal Fc receptor. Nat Biotechnol 29:158-63. PMID: 21240266.

Li Z, Palaniyandi S, Zeng R, Tuo W, Roopenian DC, Zhu X. 2011. From the Cover: ¬¬Transfer of immunoglobulin G in the female genital tract by a MHC class I-related neonatal Fc receptor confers protective immunity to vaginal infections. Proc. Natl. Acad. Sci. (USA). 108:4388-4393. PMID:21368166

Lim A, Amini A, D'Orsogna LJ, Rajasuriar R, Kramski M, Lewin SR, Purcell DF, Price P, French MA. Antibody and B-cell responses may control circulating lipopolysaccharide in patients with HIV infection. AIDS. 2011 Jul 17;25(11):1379-83.

Pejchal R, Doores KJ, Walker LM, Khayat R, Huang PS, Wang SK, Stanfield RL, Julien JP, Ramos A, Crispin M, Depetris R, Katpally U, Marozsan A, Cupo A, Maloveste S, Liu Y, McBride R, Ito Y, Sanders RW, Ogohara C, Paulson JC, Feizi T, Scanlan CN, Wong CH, Moore JP, Olson WC, Ward AB, Poignard P, Schief WR, Burton DR, Wilson IA. A potent and broad neutralizing antibody recognizes and penetrates the HIV glycan shield. Science. 2011 Nov 25;334(6059):1097-103. Epub 2011 Oct 13.

McLellan JS, Pancera M, Carrico C, Gorman J, Julien JP, Khayat R, Louder R, Pejchal R, Sastry M, Dai K, O'Dell S, Patel N, Shahzad-Ul-Hussan S, Yang Y, Zhang B, Zhou T, Zhu J, Boyington JC, Chuang GY, Diwanji D, Georgiev I, Do Kwon Y, Lee D, Louder MK, Moquin S, Schmidt SD, Yang ZY, Bonsignori M, Crump JA, Kapiga SH, Sam NE, Haynes BF, Burton DR, Koff WC, Walker LM, Phogat S, Wyatt R, Orwenyo J, Wang LX, Arthos J, Bewley CA, Mascola JR, Nabel GJ, Schief WR, Ward AB, Wilson IA, Kwong PD. Structure of HIV-1 gp120 V1/V2 domain with broadly neutralizing antibody PG9. Nature. 2011 Nov 23. doi: 10.1038/nature10696.

Walker LM, Sok D, Nishimura Y, Donau O, Sadjadpour R, Gautam R, Shingai M, Pejchal R, Ramos A, Simek MD, Geng Y, Wilson IA, Poignard P, Martin MA, Burton DR. Rapid development of glycan-specific, broad, and potent anti-HIV-1 gp120 neutralizing antibodies in an R5 SIV/HIV chimeric virus infected macaque. Proc Natl Acad Sci U S A. 2011 Nov 28. [Epub ahead of print]


朱小平简介:


Associate Professor of Immunology

EDUCATION/TRAINING
Ningxia University, Yinchuan, China D.V.M. 1984 Veterinary Medicine
China Agricultural University, Beijing, China M.S. 1987 Pathology
University of Wisconsin-Madison, WI, USA Ph.D. 1997 Virology
Harvard Medical School, Boston, MA, USA Postdoctoral 1997-2000 Immunology
Harvard Medical School, Boston, MA, USA Instructor 2000-2003 Immunology

Positions and Employment
1984-1987 Research Assistant, College of Veterinary Medicine, Beijing Agricultural University, Beijing
1987-1988 Veterinary Pathologists, Veterinary Diagnostic Laboratory, Beijing Agricultural University, Beijing
1987-1989 Assistant Lecturer, College of Veterinary Medicine, Beijing Agricultural University, Beijing
1989-1991 Lecturer, College of Veterinary Medicine, Beijing Agricultural University, Beijing, China
1991-1997 Research Assistant, Department of Animal Health and Biomedical Sciences, University of Wisconsin-Madison, Madison, WI, USA
1997-1998 Research Fellow, Brigham and Women’s Hospital, Harvard Medical School, Boston, MA, USA
1998-2000 Research Associate, Brigham and Women’s Hospital, Harvard Medical School, Boston, MA, USA
2000-2003 Instructor in Medicine (Junior Faculty), Harvard Medical School, Boston, MA, USA, USA
2000-2003 Staff Scientist, Brigham & Women’s Hospital, Boston, MA, USA
2003-2008 Assistant Professor of Immunology (Tenure-track), VA-MD Regional College of Veterinary Medicine, The University of Maryland, College Park, MD, USA
2004- Faculty Member, the Graduate Program in Molecular and Cell Biology (MOCB), University of Maryland, College Park, MD, USA
2007- Faculty Member, the Maryland Pathogen Research Institute (MPRI), University of Maryland, College Park, MD, USA
2008- Associate Professor of Immunology (Tenured), VA-MD Regional College of Veterinary Medicine, University of Maryland, College Park, MD, USA
2011- Faculty Member, the Virology training program, University of Maryland, College Park, MD, USA
 

 

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