全面探索细胞命运决定与人类重大疾病之间的关系

2020-08-19

自噬（Autophagy）是最近10年生物医学研究的热点之一。自噬通过形成双层膜的自噬体来包裹损伤的细胞器，聚集的蛋白质和入侵的病原体，并和溶酶体融合以降解包裹的内容物。自噬存在于所有人体细胞并起着不可缺少的重要作用。大量研究表明在哺乳动物中自噬缺失可导致致命的细菌感染、神经退化性疾病、肌肉萎缩、糖尿病等重大疾病。另一方面，癌症细胞可劫持自噬体系去维持它们的高生长和抵抗癌症药物的攻击。目前，自噬抑制剂已经在几十种癌症临床试验中验证其功效。可以说自噬在人类健康和疾病防治中起着关键作用，对其在分子和生化层面的机理研究迫在眉睫，并将对相关生物制药有重大启示。

钟清实验室致力于哺乳动物细胞自噬的功能和生化机理研究。他们独立克隆了Atg14在哺乳动物中的同源基因Barkor，现在统称为ATG14的基因，并发现其在自噬中的重要功能。它可率先结合到自噬膜前体，吸引和激活Vps34脂类磷酸激酶，从而激活自噬通路。他们还参与克隆了Rubicon，另外一个可与Beclin 1和Vps34结合的蛋白，并阐明了它在内吞体成熟中所起的负调控作用。他们还发现了在自噬体和溶酶体融合中起重要作用的TECPR1蛋白。通过与Atg12-Atg5的相互作用，TECPR1特异性的介导了自噬体和溶酶体之间的融合。

钟清团队在自噬生化机理方面有独到的见解。膜的曲度变化是自噬膜形成中最明显的标志之一。他们发现ATG14是自噬领域中的第一个膜曲度感应蛋白。通过对自噬膜前体曲度变化的感应，ATG14大量聚集并吸引Vps34脂类磷酸激酶。Vps34激酶对脂底物磷酸化修饰产生PI3P。该产物可招募PI3P结合蛋白，这些蛋白又可进一步招募一系列自噬起始相关的蛋白到膜上，从而迅速激活自噬通路。他们的另一项研究成果表明，ATG14在自噬体与溶酶体融合过程中起着意想不到的重要作用。通过完美结合体外生化重建体系和体内功能研究，他们阐明了ATG14通过桥连自噬体与溶酶体，而促进自噬体与溶酶体膜的融合。

通过对自噬底物的研究，他们对自噬的生理功能有进一步深入了解。自噬膜受体p62结合Keap1，主要的活性氧类感受蛋白，促进泛素化聚集物的自噬降解。他们的另一发现是纤毛调控蛋白OFD1 （Oral-Facial-Digital Syndrome 1）通过自噬通路降解。位于中心粒随体（Centriolar Satellites）的OFD1可抑制纤毛生成。自噬通过降解OFD1来促进纤毛生成。钟清实验室通过这一突破性的发现，将自噬和纤毛形成联系在一起。近期研究表明，纤毛形成与人体健康有着密切的关系。纤毛功能缺失可导致多囊肾、视网膜色素变性和肥胖等多种人类疾病（统称纤毛病）。纤毛缺失和肿瘤形成可能也有密切关系，因为与正常细胞相比，纤毛在大量癌症细胞中显著减少。他们发现降低OFD1表达可有效恢复乳腺癌细胞的纤毛缺失。通过这项研究他们提出一个大胆假设，也许可以通过降低OFD1在癌症细胞的表达来促进纤毛生成，从而减缓肿瘤生长以达到治疗癌症作用。

细胞命运决定包括细胞生存、增殖、分化、损伤、死亡及再生等，对许多人类重大疾病有着极其重要又复杂精妙的调控。针对细胞命运决定的研究经常会带来意想不到的疾病诊治方法，比如全反式维甲酸对细胞分化的影响和白血病治疗的革新性变化。虽然对细胞命运决定的研究持续发展，但仍有许多重大问题尚未解决。通过对自噬这一细胞命运决定的关键通路的生化解析初步探讨自噬与癌症及代谢性疾病的关系，钟清团队正以崭新科学视角研究临床问题，并提出新的机制假说。

消化道癌症包括发生在消化道及其附属器官的癌症，例如食管癌、胃癌、结直肠癌、肝癌、胰腺癌等。以往消化道癌症总体发病率和致死率非常高，但近年来得益于早期诊断和治疗手段的提高，大部分消化道癌症5年生存率趋于改善。在消化道癌症中，胰腺导管腺癌（主要的胰腺癌亚型）和胆管癌（肝癌亚型）比较特殊。这两种癌症恶性程度极高，早期难以诊断，确诊时大多已进入中、晚期，癌细胞容易侵犯到血管神经组织，可采用的治疗手段极为有限，预后非常差，中位生存期不到1年，被称为“癌症之王”。大量的临床样本分析显示，正常的胰胆管上皮细胞都有一个叫原纤毛的细胞器在细胞表面。原先认为原纤毛是用于感受管腔内的液体流动，但现在更多证据表明它与信号传导密切相关。相对于正常组织，很多癌症组织的细胞丢失了原纤毛，这一现象在胰腺导管腺癌和胆管癌中尤为明显。钟清团队大胆设想：如果能找到一种办法使胰胆管癌上皮细胞重新长出原纤毛，能不能使癌症细胞变成相对正常的细胞，或者成为癌症细胞的“绊马索”加速其死亡。

像其他纤毛相关疾病一样，在纤毛缺失的癌症组织，重新诱导纤毛生长，从而恢复纤毛相关的信号通路达到疾病治疗的目的，将是极有前景的一种治疗方式，但是如何使细胞重建纤毛是领域内一大难题，目前还没有有效的方法。钟清团队找到一种特殊的高效的纤毛重建方法——去除纤毛生长抑制因子。2013年，该团队在Nature上发表研究论文表明，OFD1是极为重要的纤毛生长抑制因子，OFD1蛋白水平下降会直接诱导纤毛生成。 这个纤毛生成机制非常有力和保守，在多种细胞里通过敲低OFD1都实现了纤毛再生。这一现象为众多纤毛缺失造成的疾病提供了可能的治疗方法。相关研究正在进行之中。

中国是肝病的高发区。慢性肝炎、脂肪肝和酒精肝等慢行肝疾病逐渐发展成肝纤维化。大致测算，中国肝纤维化的患者有1 000万左右，其中700万左右发展为肝硬化。肝硬化发展为肝癌的5年概率为6%～15%，而肝癌的5年病死率高达90%。肝纤维化是慢性肝炎、脂肪肝和酒精肝等慢性疾病发展到肝硬化的必经阶段。如何防止肝纤维化是一个重要的临床问题。现阶段普遍认为，肝纤维化形成的主要原因之一是肝星状细胞中自噬的水平，特别是脂滴自噬的水平升高后导致原本用来储存视黄醇的脂滴消失，星状细胞中视黄醇脂滴减少导致细胞被激活分化为肌成纤维细胞，肌成纤维细胞具有可收缩性、促进炎症反应和促纤维化的特点，可以分泌产生肌动蛋白和胶原蛋白，从而正反馈调节肌纤维母细胞的增殖，从而导致纤维化形成。所以研究星状细胞纤维化过程中脂滴自噬的调控机制和设计特异性的小分子药物去抑制脂滴自噬水平从而抑制星状细胞纤维化对于临床上治疗肝纤维化有着极为重要的意义和前景。

钟清团队经过10年的深入研究，对自噬体的形成与成熟有着深入及独到的理解。发表了近30篇科研论文阐述自噬的生理生化机制，尤其以自噬的生化解析和重建享誉国际。他们以脂滴自噬作为研究自噬生理功能的体内模型，在深入研究自噬的生化机理的同时，近一步阐明脂滴自噬的分子机制。脂滴是单层磷脂膜包裹的，内含疏水甘油三酯和甾醇脂的细胞器。脂滴是细胞内的能量存储器，可动态响应细胞能量代谢需求。许多代谢疾病都是因为脂滴过多而导致，比如肥胖和糖尿病；脂滴过多导致冗余的脂质还能引起炎症反应从而损伤组织。特异性阻断纤维化发生细胞的脂滴自噬成为抗纤维化治疗的一个新策略。长远来看，研究脂滴自噬会对了解人类机体代谢带来深远影响。

在临床中，器官缺血是一个非常常见的现象。比如每年约有370万男性患者和340万女患者死于冠状动脉心脏病。及时使用手术或者药物性溶血恢复动脉通畅和器官血液供应是目前临床中使用最广泛也最有效的限制器官缺血性坏死的方法。这种恢复器官血液供应的方法叫缺血后再灌。然而，临床应用中，缺血后再灌会造成不同于缺血性死亡的急性再灌型心肌细胞死亡，主要表现为细胞坏死并伴有一些细胞凋亡。再灌引起的急性心肌梗死不但降低了缺血后再灌手术的效果，而且就算是成功的再灌手术也会造成约10%的患者死亡，并且手术后患者心脏衰竭的概率会增加约25%。缺血再灌造成的坏死与过量的过氧化物产生有密切关系。种种证据表明，致死剂量的过氧化物引起的急性细胞坏死可能是一个未知的新型死亡通路，称之为“线粒体氧化应激坏死”。大部分死亡通路都通过蛋白酶来进行关键调控，如凋亡依赖于含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶（Caspase），坏死性凋亡依赖于蛋白激酶Ripk1和Ripk3。找到关键性的调控蛋白酶将是揭开“线粒体氧化应激坏死”谜底的决定性步骤。经过遗传筛选，他们找到了调控“线粒体氧化应激坏死”的新的关键蛋白激酶，这一激酶很可能起到一种传感器的作用，通过感知和控制过氧化物的产生来判断损伤细胞的刺激强度并决定细胞的命运。这一内源性过氧化物正向调控通路的发现，使得由过氧化物引起的细胞损伤性疾病的治疗靶点又多了一个潜在的非常诱人的选择。基于细胞生物学的充分证据和实验动物模型上的初步证据，他们下一步将对这一激酶介导的过氧化物调控通路机制以及在临床上的应用进行深入性的研究。

钟清团队希望从临床实践中凝练科学问题，挖掘人类重大疾病新的革新性诊断治疗方式。与临床医学工作者密切合作，联合国内外同行，凝聚共识，总结汇集与人类疾病相关的细胞死亡通路及命运决定的信号网络，绘制人类病理生理情况下的“死亡谱”，从临床问题角度开创新思维和新理论体系，为系统化透彻性理解死亡通路对人类重大疾病的作用打下坚实基础。