专访卢煜明:寻找科学宝藏,不可一叶障目

【字体: www.ebiotrade.com 时间:2015年9月30日 来源:生物通

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  卢煜教授最新成果准确地定位出一位孕妇的异常情况,这个患者如果按照原来的无创诊断流程有可能会被误认为胎儿不正常,但是事实并非如此,结果诊断确定是母体本身患有癌症。所以该项技术用于无创诊断,不仅可以诊断胎儿的基因组是否异常,而且可以检测出母亲本身是否有恶性肿瘤……

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   “在我的科研工作中,我体会到科学宝藏有很多时候是放于最显眼、但却看似不可能的地方!其中一个例子就是孕妇血浆内有百分之十五是胎儿的DNA,”无创产前诊断奠基人,香港中文大学的卢煜明(Dennis Lo)教授说。

   卢教授早在1987年就萌生了一种想法:胎儿细胞物质可能混杂在母亲的血液中,从而可用于无创产前诊断,这在当时的主流学说看来是一种不可能的想法,但卢教授花了十年的时间证明孕妇外周血中存在漂流的胎儿DNA,再花了十年时间又将这一理论转化应用到了临床,发展出了一套可以准确分析和度量母亲血浆内胎儿DNA的新技术。

   这一理论基础不仅开创了无创产前诊断的新纪元,而且也对其它生命科学研究领域产生了重要的影响,比如说肿瘤循环DNA研究。近期卢教授研究组就研发出了一种新的无创检测方法,可以通过全基因组甲基化测序绘制DNA组织图谱,从而利用血浆中游离的DNA来检测基因组突变的组织来源,这种液体活检的方法能减少诊断的创伤性,用于癌症诊断检测,无创产前诊断,以及移植后的监测。

全身DNA扫描仪

   1977年科学家们在癌症患者体内发现了循环DNA的存在,17年之后,大家才发现这些DNA含有癌症的标志性突变,说明它们来自于肿瘤。最开始这一概念还是被卢煜明教授应用到了产前诊断领域,随着近年来研究证明,循环DNA含量在多种人类疾病中均显著升高,因此具有一定的临床诊断意义和预后判断价值。

   并且由于血细胞在凝血过程中会非特异性释放DNA,血清循环DNA的平均水平比血浆高许多倍,因此血浆游离DNA(circulating cell-free DNA,cfDNA)更能反映机体循环DNA的真实水平。

   “血浆DNA近年成为了热门的研究项目。不过,我们还未完全明白这些DNA是身体内那些器官所释放出来的,”卢教授说。为此其研究组展开了调查分析。他们比对了孕妇,肝癌患者,骨髓移植和肝脏移植患者的血浆DNA样品,“利用各器官组织不同的甲基化图谱,我们发现了血浆DNA的来源——血细胞肝脏及胎盘是血浆DNA的重要源头。”

   卢教授解释道,“血浆DNA本质上是一种来源于各个组织的DNA混合物,因此甲基化水平也是来源于其它各种组织DNA的甲基化水平正向迭加的结果。利用生物信息分析手段,以及某些特定基因组区域在各个组织中的甲基化水平的变化模式和血浆DNA对应的甲基化水平,可以逆向推断出各种组织在血浆中的百分比浓度。

   用一个简单的例子来说明:假设一个基因组区域在肝脏中的甲基化水平是80%,其他组织甲基化是0%,假设检测到血浆DNA的甲基化水平是20%。因为血浆甲基化水平20%是肝脏和其它组织的混合结果,所以我们就推测出肝脏贡献25%。但是由于生物系统中检测噪音的普遍存在,我们解决实际问题远远比原理本身要复杂。因此,为了解决多种组织在血浆中的DNA贡献,我们从十四种不同组织(包括肝脏,血細胞,胎盘等等)的甲基化组数据中挖掘出5,820个带有足够组织信息的甲基化生物标记,其对应于5,820元方程组,然后利用二次规划法分析多维的方程组,求出关于各个组织在血浆中贡献的最优解。这就是生物信息学重迭解析处理(bioinformatics deconvolution process)方法。”

   利用这种方法,就能在“发现血浆DNA内含有可能来自癌细胞的突变”的基础上,进一步“找到肿瘤的所在地”,“我们的这一新技术就是告诉我们,肿瘤最有可能出现的器官。从而我们可以计划下一步的检查”,卢教授将这一新技术生动的比喻成“一台全身的DNA扫描仪”。

多样化的临床应用

   可以说卢教授是分子生物学的临床应用专家,他的无创产前诊断技术为全球众多孕妇带来了福音,而这一新技术同样也将具有十分大的临床应用潜力。

   “我觉得(这一技术)在无创产前诊断、癌症诊断、器官移植等领域都有很多应用。 在无创产前诊断上,我们已经在一名患有癌症的孕妇血浆中,利用该项技术准确地定位出在血浆出现的拷贝数变异是来源于B细胞淋巴癌。

   这个患者如果按照一般原来的无创诊断流程有可能会被误认为胎儿不正常,但是事实并非如此,结果诊断确定是母体本身患有癌症。所以该项技术用于无创诊断,不仅可以诊断胎儿的基因组是否异常,而且可以检测出母亲本身是否有恶性肿瘤。当然,我们还有很多工作要做才能让该项技术应用于临床上。目前,主要工作是更多的样品研究,以增强技术的准确性,”卢教授说。

   这项新技术突破性的追踪到了癌症的组织来源,“这是以前的技术所不能做到的”,不过卢教授也表示,“目前的测序成本还相对较高,希望将来的测序成本会再一步下降。一些比较新的测序技术,如nanopore测序更有可能进一步将甲基化测序简化。”

一叶障目不见科学宝藏

   说到多年来科研工作的心得,卢教授颇为感慨的说,“在我的科研工作中,我体会到科学宝藏有很多时候是放于最显眼、但却看似不可能的地方!其中一个例子就是孕妇血浆内有百分之十五是胎儿的DNA。”

   当年卢教授冲破主流学说的束缚,提出了这样一个具有里程碑意义的观点,在我们今天看来无疑意义重大,据说这其中还有一个小故事,当时卢教授在思考胎儿基因组与孕妇基因组这两个“拼图”,在这个时候他去看了《哈利波特与混血王子》的3D电影,当时他突然就想到,哈利波特Logo上的H字母的“两条腿”就像两个同源染色体,由此意识到要将胎儿分别继承的父亲和母亲的一半分开来解决。

   要找到摒除障目之叶的方法有很多,卢教授用的是好奇心和求知欲,“我觉得很大程度上可能是由于我个性上对事物总是充满了巨大的好奇心和求知欲,对科学研究的热爱以及对克服现有传统诊断的弊端,让更多患者受益的渴望。

   产前诊断和癌症检测在本质上很多理论,技术手段分析方法都有很大的相同之处。同时研究两个领域中,反而彼此相得益彰。此外,能够把脑中的科学慨念变成实实在在的临床技术,是作为一个医学硏究人员的荣幸。”

小花絮:卢教授推荐的诺奖成果

在采访的最后,当被问到“您认为哪些生命科学领域的成果值得成为诺贝尔奖的候选呢?”,卢教授也耐心的解答道,“我个人觉得诺贝尔奖的候选可能会在基因编辑(CRISPR/Cas9),肿瘤免疫治疗,及massively parallel sequencing等突破有机会问鼎诺贝尔奖。”

作者简介:

卢煜明(LO Yuk Ming Dennis),分子生物学临床应用专家,尤其致力于研究人体内血浆的DNA和RNA。现为香港中文大学李嘉诚健康科学研究所所长、李嘉诚医学讲座教授兼化学病理学讲座教授。

卢煜明教授屡获国际殊荣,包括2005年国家自然科学奖、2006年国际临床化学和实验室医学联合会─分子诊断学杰出贡献奖、2006年美国国家临床生物化学学院(NACB)杰出科学家奖、2006年裘槎基金会优秀医学科研者奖、2007年美国临床化学协会(AACC)SigiZiering奖、2012年AACC-NACB临床化学杰出贡献奖、2009年富布赖特香港杰出学者奖,以及2014年费萨尔国王国际医学奖。卢教授亦于2011年被选为英国皇家学会院士,在2013年被选为美国国家科学院外籍院士。2015年获美国临床化学协会(AACC)颁授年度Wallace H. Coulter讲学奖,是全世界首位获奖的华人学者。

生物通:王蕾)

原文摘要:
Plasma DNA tissue mapping by genome-wide methylation sequencing for noninvasive prenatal, cancer, and transplantation assessments
Plasma consists of DNA released from multiple tissues within the body. Using genome-wide bisulfite sequencing of plasma DNA and deconvolution of the sequencing data with reference to methylation profiles of different tissues, we developed a general approach for studying the major tissue contributors to the circulating DNA pool. We tested this method in pregnant women, patients with hepatocellular carcinoma, and subjects following bone marrow and liver transplantation. In most subjects, white blood cells were the predominant contributors to the circulating DNA pool. The placental contributions in the plasma of pregnant women correlated with the proportional contributions as revealed by fetal-specific genetic markers. The graft-derived contributions to the plasma in the transplant recipients correlated with those determined using donor-specific genetic markers. Patients with hepatocellular carcinoma showed elevated plasma DNA contributions from the liver, which correlated with measurements made using tumor-associated copy number aberrations. In hepatocellular carcinoma patients and in pregnant women exhibiting copy number aberrations in plasma, comparison of methylation deconvolution results using genomic regions with different copy number status pinpointed the tissue type responsible for the aberrations. In a pregnant woman diagnosed as having follicular lymphoma during pregnancy, methylation deconvolution indicated a grossly elevated contribution from B cells into the plasma DNA pool and localized B cells as the origin of the copy number aberrations observed in plasma. This method may serve as a powerful tool for assessing a wide range of physiological and pathological conditions based on the identification of perturbed proportional contributions of different tissues into plasma.

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