专访赵玉琪教授:科学家的使命感是厚积薄发的动力

【字体: 时间:2017年02月24日 来源:生物通

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  这项研究不仅从大量寨卡病毒流行病调查结果中脱颖而出,分析了寨卡病毒的基因组蛋白的功能,提出了寨卡病毒致病的有力证据,而且也为今时今日新病毒愈发肆掠的全球健康问题提供了一种重要的病毒研究手段与途径。

  

   虽然前两年曾掀起“血雨腥风”的寨卡病毒(Zika virus)似乎已经从公众媒体中淡出了,但是在科学界由于其特殊的病毒地位,依然是许多实验室的研究重点,2016年Nature杂志也将寨卡病毒传播列为了最具影响力的科学事件。来自马里兰大学医学院的赵玉琪 (Richard Y. Zhao)教授是世界上利用裂殖酵母模型研究病毒基因组的第一人,他的研究组在发表于《美国国家科学院院刊》PNAS杂志上的一篇论文中,首次确定了寨卡病毒中的七种关键蛋白,这些蛋白功能可能是这些症状背后的罪魁祸首,这是第一次全面描述寨卡病毒基因组。

   这项研究不仅从大量寨卡病毒流行病调查结果中脱颖而出,分析了寨卡病毒的基因组蛋白的功能,提出了寨卡病毒致病的有力证据,而且也为今时今日新病毒愈发肆掠的全球健康问题提供了一种重要的病毒研究手段与途径。

   赵教授表示:“寨卡病毒的作用机制一直都是个未解之谜。这些研究结果能帮助我们了解寨卡病毒如何影响细胞,从而为未来的研究提供了一些真正有价值的线索。”赵教授1994年来到美国西北大学任职,并在其筹建的实验室中开始利用裂殖酵母模型研究病毒基因组,曾将这一模型应用到艾滋病等病毒研究中,是这一研究领域的权威科学家。他现为美国马里兰大学医学院病理系,微生物-免疫学系及人类病毒研究所终身教授,重点研究领域为寨卡病毒、艾滋病、抗肿瘤和抗艾滋病药物及个性化基因诊断在精准医疗中的应用。为了更进一步了解这项重要成果,生物通特联系了赵教授,就读者感兴趣的内容请教了他。

寨卡病毒与裂殖酵母模型

   寨卡病毒已经感染了全球上十万人群,其中大多在美洲。据报道,美国的寨卡病毒患者至今已经报告了超过38,000例寨卡病例,目前尚没有能预防或治疗由于寨卡病毒感染造成症状的疫苗或治疗方法。 从近两年开始,全球各地的科学家们开始认识到这种病毒可能导致一系列危险的健康问题,包括出生缺陷(如小头畸形)和神经系统疾病(Guillian-Barre综合征),但是迄今为止,他们仍不清楚是哪个寨卡蛋白或哪些蛋白造成了这些伤害,以及这些蛋白如何造成伤害的。

   为了分析这一病毒,赵教授研究组采用了裂殖酵母模型,裂殖酵母近年来已经成为检测病原体如何影响细胞的一种相对常见的模型生物。这种酵母最初用于酿造啤酒,尤其是在它起源的非洲(学名是粟酒裂殖酵母Schizosaccharomyces pombe),经过几十年来的发展,裂殖酵母已经被科学家们用于研究细胞机制和行为。

   “它的前生就是在上个世纪50年代,一个英国科学家叫做Paul Nurse开始利用裂殖酵母研究人的细胞周期调控与癌症学,2001年他与另外两位学者因为周期调控研究荣获了诺贝尔生理学或医学奖,这就证明裂殖酵母是一种很好的模型。当时我是在哥伦比亚大学做博士后,在那儿我也学了同样的一套技术,也是利用裂殖酵母研究细胞周期调控与癌症学,但是我自己有了实验室之后,我就琢磨着用这一系统来研究艾滋病,从那开始我越来越深入的探索这一系统的多方面应用。目前也取得了一系列的成果,除了这项最新成果,我们实验室也与中科院和其它国际院校的研究组合作,即将发表多个成果,”赵教授说。

   寨卡病毒是赵教授的裂殖酵母模型系统研究的第三个病毒——此前他已经应用到了HIV和大麦黄矮病毒(每年在世界各地造成数十亿美元作物损失的植物病原菌) 的研究中,在2015年底巴西开始流行寨卡病毒之后,赵教授也将目光转移到了这种对人体健康有重大威胁的疾病病毒。

寨卡病毒研究从流行病学到基因组学

   寨卡病毒是1947年第一次从非洲乌干达一个叫寨卡的森林里分离出来的,之后1950年,1951年,1971年的数篇文章奠基了寨卡病毒的毒性作用。这些研究都是在小鼠中进行的实验,比如1971年拜耳的研究论文就是把寨卡病毒注射到新生小鼠中,小鼠很快就死亡了,同时这篇论文也观察到感染后的细胞要比正常细胞大得多,同时染色体也有一些异常变化,而且病毒都集中在ER(内质网)这个细胞器上,因此作者将ER称为寨卡病毒的生产工厂。

   这个时期的研究大都是表观描述性的观察,而且都是在动物上进行的实验,因此自此之后大家都忽视了这个病毒,认为它不会对人体产生很重要的影响。但是2015年寨卡病毒从巴西开始蔓延,引发了社会各界的关注,甚至恐慌。全球各地的科学家们都着手于这一病毒研究,一年之内PubMed上就出现了近3000篇文章,但大多是流行病调查结果,“在2015年6月之前,虽然各大媒体都报道成寨卡病毒很可能就是引发新生儿小头症的原因,但这只是猜测,尚无确凿证据。6月之后霍普金斯大学的明国丽教授、中科院和其它同行实验室的三篇论文确定了寨卡病毒与小头症之间的因果关系,寨卡病毒确实就是小头症的原罪,”赵教授解释道。

   然而寨卡病毒里有很多蛋白,加起来共有14个,那么是哪一个蛋白,或者哪一些蛋白引发的毒性效应呢,还是一个谜。

   赵教授研究组就回答这个问题,他们利用裂殖酵母一个个分析了这14个蛋白,让酵母细胞接触这14种蛋白中的每一种,观察细胞如何做出反应。 检测这些蛋白是否影响细胞生长和细胞周期,或者对细胞大小是否有影响。结果发现7个蛋白中有一些是在核膜上,一些是在ER上,这与1971年拜耳的发现也是一致的。“当时我们在显微镜下看到了ER上的病毒,那种感觉无与伦比,这也是科学家的福利之一,”赵教授感慨道。

   之后研究人员进一步分析了这7种蛋白对基本细胞功能的影响,看看它们是否会影响酵母细胞的生长,形态和周期调控,结果证明它们都具有这些作用,但是各自作用不一样,其中一些会对细胞产生更严重的影响,或者几种蛋白需要一起作用才会造成症状。 比如一个蛋白会对细胞周期G2有影响,三个对G1有影响。未来如果要解析出哪一个蛋白最重要,最致病,那么就可以采用还原实验,或者反证实验来进一步找到靶点。目前赵教授正在与霍普金斯大学的明国丽教授、马里兰大学的神经外科教授J. Marc Simard和Robert Gallo(世界上第一个发现艾滋病的科学家)等人合作,研究病毒如何与大鼠和人类细胞相互作用的。

科学使命感

   2015年年底寨卡病毒爆发,赵教授查阅了有关寨卡病毒的文章,结果检索到了300多篇文章,但是其中大多数性是描述性的,有实质性原理研究进展的也就是上述的几篇。“作为科学家,一旦发现出现了这种对人类产生威胁的病毒,我们都会去开始关注并思考如何应对,问问自己可以为之做些什么。这也就是科学家的使命感,”赵教授颇有感触的谈到。

   “虽然大家都知道了寨卡病毒会引起小头症,但是其中的致病机理依然不清楚,只有知道了致病机理,了解了靶点,才能设计出有效的药物和疫苗,当时我想了一下,传统的方法进行相关研究可能时间周期长,而且成本高,而我们的体系可以让我们在最短的时间里,很快的克隆出整个病毒的基因组,就等于我把它‘程序化’了,这样我们可获得两方面的重要发现,一是找到引起细胞毒性的元凶,另外一个是看它们在细胞内的哪个位置上,了解了它们的位置和它们的功能,就能像‘找到敌军’一样,研发靶向药物了。”

   “如果用人脑神经细胞进行研究,花费的时间长,我们这套体系既便宜又快,最后的事实也证明了我当时的决策是正确的,分析寨卡病毒,我们需要与时间竞赛,利用我们的体系很快发现了寨卡病毒的毒性蛋白,抢在了前面。”

   未来的道路还很长,这不仅是因为关于寨卡病毒我们还有待更深入的研究,而且随着世界环境的变化,出现了越来越多的新病毒,我们需要面对更多新的问题,但从寨卡病毒研究中积累下来的经验有助于更多新兴病毒的研究,未来我们期待赵教授的研究组更深入的剖析寨卡病毒,也期待看到更多病毒研究的新突破。

作者简介:

赵玉琪 (Richard Y. Zhao)

赵玉琪博士现为美国马里兰大学医学院病理系,微生物-免疫学系及人类病毒研究所终身教授,同时兼任马里兰大学医学院病理系分子病理部主任,医学院转化基因组中心实验室创始主任及马里兰大学医疗系统分子诊断实验室主任。硕士生导师及博士生导师。曾获博纳么肯 (Bernard L. Mirkin, Ph.D./M.D.Research Scholar Endowed Chair) 讲座荣誉学者称号。

赵玉琪博士为文革后首批经高考进入大学的77级大学生,中美建交后中国向美国派出的第一批计划内留学生。自1996年以来应联合国艾滋病规划署,世界健康基金会,中国自然科学基金委,中国工程院,中国军事医学科学院,中华医学会,中国桥基金会及国家教育部“春晖计划”等单位的赞助及邀请他多次回国讲学并进行学术交流活动。赵玉琪教授1999年被卫生部邀请为21 世纪高新技术专家评审委员会评委,2003年为科技部专家评审委员会评委,2014年国家科技973计划项目评委,2014年国务院侨务办公室国外专家,咨询委员。赵玉琪教授现为中国预防性病爱滋病基金会顾问,中国军事医学科学院客座研究员, 中国预防医学科学院病毒研究所客座教授,南开大学“973 项目“顾问,山东医科院盖勒病毒研究所客座教授和名誉所长及中山大学,中南大学,山东大学等院校客座教授。

多年来,赵玉琪教授与洪涛院士,曾毅院士等中国著名科学家合作并在中国协和医学院,北京交大,和中国军事医学科学院等单位联合培养多名博士和硕士研究生。目前,在中国驻美国大使馆科技及教育部门的大力支持下,赵玉琪教授代表马里兰大学在积极促进美中间的科技合作与交流包括联合教学,研究生培养与专业人员培训,科研与开发,生物药物和诊断试剂的临床研究与试验以及精准医疗等项目。

原文摘要:

Characterization of cytopathic factors through genome-wide analysis of the Zika viral proteins in fission yeast

The Zika virus (ZIKV) causes microcephaly and the Guillain-Barré syndrome. Little is known about how ZIKV causes these conditions or which ZIKV viral protein(s) is responsible for the associated ZIKV-induced cytopathic effects, including cell hypertrophy, growth restriction, cell-cycle dysregulation, and cell death. We used fission yeast for the rapid, global functional analysis of the ZIKV genome. All 14 proteins or small peptides were produced under an inducible promoter, and we measured the intracellular localization and the specific effects on ZIKV-associated cytopathic activities of each protein. The subcellular localization of each ZIKV protein was in overall agreement with its predicted protein structure. Five structural and two nonstructural ZIKV proteins showed various levels of cytopathic effects. The expression of these ZIKV proteins restricted cell proliferation, induced hypertrophy, or triggered cellular oxidative stress leading to cell death. The expression of premembrane protein (prM) resulted in cell-cycle G1 accumulation, whereas membrane-anchored capsid (anaC), membrane protein (M), envelope protein (E), and nonstructural protein 4A (NS4A) caused cell-cycle G2/M accumulation. A mechanistic study revealed that NS4A-induced cellular hypertrophy and growth restriction were mediated specifically through the target of rapamycin (TOR) cellular stress pathway involving Tor1 and type 2A phosphatase activator Tip41. These findings should provide a reference for future research on the prevention and treatment of ZIKV diseases.

 

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