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黄超兰:为达人类健康终极目标 构建精准医疗新路径

2021-4-27 10:31

  分析测试百科网讯 新冠疫情肆虐下的全球,无数科学家正在努力破解COVID-19致病和诊疗的难题。2020年11月17日,黄超兰教授课题组和高福院士合作的课题在《自然.通讯》上发表[1],从蛋白质组学的角度揭示了新冠病毒感染后轻及普通症的免疫抑制和到重症的“双阶段”现象,并发现了疾病变化阶段的一系列标志物。这是黄超兰教授到北京大学医学部精准医疗多组学研究中心(CPMMR)履任后的又一个新成果。中学移民香港再到美国John Yates实验室多年然后回国,黄超兰教授本人与众不同的成长经历塑造了她独特的思维方式和个性。近日,分析测试百科网采访了黄超兰教授,她在2015年就提出的Med Map:开发生物标志物的新路径,有可能为多组学真正转化为临床可用的精准医疗打开新思路,希望对所有关心多组学和精准医疗的研究者们有启发。

北京大学医学部精准医疗多组学研究中心主任 黄超兰 教授

  深厚背景 解决挑战性问题的高手

  黄超兰教授习惯别人叫她Catherine 或Cathy。她的背景可能很多人已了解,香港大学攻读物理化学博士,用电-磁扇形质谱研究氨基酸和短肽离子在气相中的裂解机理,随后到美国John Yates实验室用质谱研究蛋白质组学,开发各种方法如:Shotgun定性、定量、蛋白相互作用、翻译后修饰等。去除所有的个性化色彩,Cathy谈到自己的特点:“我喜欢解决有挑战性的问题,很多合作正是由此而来。有机会创造一个新方法,解决问题,从而得到新的发现是我最感兴趣的。”

  Cathy非常感谢自己的求学经历中的机遇和遇到过的几位导师。包括在港大打下的物理化学、质谱机理的根基、在John Yates组多年的实战等,对多种质谱仪器的原理和应用的深度专业,使她在解决问题时,比一般组学同行能更好地针对课题,选择合适的仪器和方法,更得心应手。解决问题更快、有更多灵感正是Cathy作为“组学医生”的特点,她提到了在美国的第一个难忘经历,“那时我刚刚到Yates Lab,宾夕法尼亚大学的合作者Anna Kashina,要我们帮她用质谱鉴定一个精氨酸化的翻译后修饰。这是一个特别的修饰,作用于ATE1下,氨基酸R会被加到肽段的N端(尾端)。之前的实验室同事已经做了一段时间毫无发现,开始怀疑修饰的真实性。John说,Catherine要不你试试?(大概因为我是新来的)。我先仔细看了她们生物学的各种证据觉得那shift得很明显的条带不像是假的。然后我再想,精氨酸非常碱性,加到肽段N端后,根据裂解机理,二级谱图一定会有明显的b离子特征。于是我很肯定我一定能做成。后来果然就成功鉴定到了这个真实的修饰, 2006年就发表到了Science[2]。从此打开了这个研究领域的新“大门”。后面我们看到这个修饰在微血管生成上有重要的功能,能解析心脑血管的疾病机制。”

  “蛋白组学本质上是一个“forgiving”的技术,特别是近年来几大公司的推动下,质谱仪器变得越来越powerful,更加拉低了组学入门的门槛。只要有钱买几台高性能质谱,接受一些培训,拿一套固定的前处理,色谱、质谱、搜库的条件参数,一个普通的技术员基本都能得到一套不错的组学数据。但要如何能在蛋白组学技术上有真正的突破和创新,并促进生命科学中的新发现,那还只有很少人能做到。” Cathy 说。

  文化碰撞时 换位思考和沟通很重要

  谈到个性,一定会让人想起Cathy的飙车和紫、绿的染发。她说:“因为从小接受西方文化体制的教育,我养成了实事求是,独立自主的价值观。”

  既然这么“西方”,回国后是否会处处碰壁呢? “开始肯定有cultural shock,后来学会了设身处地、换位思考理解的沟通方式”。Cathy很感谢帮助过她的朋友和前辈。他们让她学会了如何顺应体制的不同而改变沟通方式。“只要以尊重为前提,以做成事情为目标,其它都不是问题了。” Cathy 说。

  回国前,黄超兰教授在美国Scripps研究所任长聘资深科学家,2011年被邀请回国参加东方论坛,并以专家身份对国家将投资建设的大科学设施——蛋白质科学中心(上海)提供了质谱仪器采购的建议。随后中心的几位负责领导,包括前生化细胞所所长林安宁、雷鸣等几番到圣地亚哥动员黄超兰回国,建设中心的质谱平台。黄超兰在美国时就从零开始创建了Scripps的蛋白质组学中心 (CPP),并参与酵母资源中心(YRC)多年,在建设多学科交叉合作中心方面,的确是最合适的人选。“YRC是个运行了至少35年的center grant,John是发起者之一,还有现在很有名的David Baker。当年每个月要去西雅图的华盛顿大学开一次YRC会议,对David的印象一直就是非常聪明和帅气。” Cathy 回忆说。 “国家投了那么多个亿,一定不能被浪费。”就为了这唯一一个单纯的想法,黄超兰带着刚出生的孩子回国,从毛坯房开始,一手一脚地亲手建立了国家蛋白质科学中心(上海)的质谱平台,并于2015年4月顺利完成国家发改委的验收。

  虽然大科学设施主要定位于服务平台,黄超兰也一直坚持研发,她说“如果没有R&D,如果不紧贴国际前沿技术发展,平台一定会越做越差。” 2015-2017两年间,中心的质谱系统助力生物学家发表了30多篇高水平的文章。比如助力中科院院士、西湖大学校长施一公团队在Science上发表了两篇有重大科学意义的论文[3-4],利用高分辨质谱技术对剪接体复合物的成分进行准确鉴定,和利用交联质谱技术对剪接体复合物组成蛋白的分子间相互作用进行预定位分析,为酵母剪接体结构解析提供了除冷冻电镜之外最直接有效的数据。

  黄超兰教授还和当时的同事,中科院生化细胞所许琛琦教授合作,先开发了基于质谱的绝对定量蛋白质组新方法,用以观察 T细胞受体-共受体(TCR-CD3)复合物络氨酸在不同抗原刺激下的动态磷酸化修饰全貌。他们根据实验结果发现了一条亚基CD3ε的单磷酸化新功能,此功能在CAR-T免疫治疗上有很好的效果,有望应用在临床上对于肿瘤的CAR-T免疫治疗有新的提高。这一研究2020年8月发表在《Cell》上 [5]

  在上海蛋白质中心期间,黄超兰教授还联手浙江大学方群教授一起攻关单细胞蛋白质组学,这是蛋白质组学领域的圣杯。把微流控芯片体系融合进蛋白质组流程中,在真正意义上的单细胞蛋白质组领域中,成为了第一个开创者。第一代芯片成果发表在《Analytical Chemistry》上[6]。这里还有一个小插曲,当时学生优化的方法被同组的师兄偷偷带到美国换了另外一个名称“挪用”了。Cathy 说,“某人偷走了我们的原创概念和优化条件到美国换了另一个名字让人家以为是他的原创,这种现象在科研界不少见,我觉得我们‘正名’的方式是,要做得更加超越他。目前我们的技术已经进行到了第三代,在真正的单个细胞,不用booster等方法下,鉴定的蛋白量领跑着单细胞蛋白质组学的国际水平。“

  实现理想的舞台:精准医疗多组学研究中心

  “上海中心验收后,我觉得我的阶段性使命也完成了”,Cathy 说,“转变是在2015年,精准医疗开始在中国走红。其实2000年美国就开始做‘基因-蛋白组’和‘系统生物学’这件事了。当时大家一提精准医疗,就直接把它和基因测序画了等号。大概因为我是做蛋白组的,就感到有点不服,人体里面大小那么多不同的分子,凭什么就只提基因?必须是‘多组学’啊。所以2015年我就开始向厂家及后来引进我到北大医学的柯扬校长、詹启敏主任提多组学的概念。”到底怎样才能做好精准医疗?经过大半年深入的思考,黄超兰终于得出了一个新的计划和蓝图,于是决定毅然离开上海北上,加入北京大学医学部这个中国著名的国家队医学院,实现她精准医疗新范式的规划。她得到北医领导的多方支持,2018年在北大医学部成立了精准医疗多组学研究中心的新体制二级实体机构。

  对于当今流行的“AI大数据”,黄超兰也有自己的独特看法:“我们从IBM 的Dr Watson 为什么失败,DeepMind 的Alpha 系列为什么成功,大概就能看到对AI大数据来说,什么是最重要的了。”就临床数据来说,就算再多再大,如果不知道数据背后隐含的意义,那也不会得到最终想要的结果,甚至是错误的答案。“当时我们实验室有个同事就是MD Anderson数据团队成员,听完他说的整个和IBM合作的过程,就觉得Dr Watson那时注定会失败。当你完全不了解医疗、临床的数据的性质和meaning,即使有最好的算法团队也不行。

  阐述COVID-19发病机制

  11月17日,黄超兰课题组和高福院士合作的课题在《自然.通讯》上发表,从蛋白质组学的角度揭示了COVID-19感染后从轻症到重症的转化机制,并发现了转化阶段的一系列标志物。同流感相比,新冠住院者的死亡率平均是流感的3倍,新冠病毒非常“狡猾”、病人测核酸时有时无。该研究发现:早期的新冠感染患者存在着显著的免疫抑制,并首次提出COVID-19的发病机制或存在“两阶段”模式:第一阶段涉及免疫系统抑制、紧密连接受损以及大规模的代谢紊乱;第二阶段涉及部分免疫应答激活,可能进一步导致细胞因子风暴和器官损伤的发生。

新冠病毒感染的“两阶段”机制

  研究发现新冠的一个很重要特点是发病早期的免疫并没有很多同SARS、MERS类似的细胞因子风暴,而是处在抑制的状态,因此刚开始使用针对白介素细胞因子的妥珠单抗往往无效。而提高病人的免疫力,观测体征对症(如咳嗽)治疗,防止肺内液体堵塞,对病人进行很好的照顾,早期服用中药、锌铁补充剂、营养品增强免疫力,往往奏效。

  质谱发挥的作用和未来趋势

  《自然.通讯》这篇文章使用的质谱是布鲁克公司的timsTOF Pro。黄超兰谈到了同布鲁克合作的历史以及该质谱的特点。

基于DIA-PASEF方法的定量蛋白质组学分析流程

  “那是全中国第一台 timsTOF Pro 的仪器呢。”Cathy 骄傲地说。读化学的人都会知道布鲁克,因为每个化学系都有核磁(NMR),现在只有极少数公司生产NMR, 绝大部分由布鲁克提供,而且布鲁克还制造质谱的终极仪器FTICR-MS。 “2019年布鲁克总裁Frank Laukien来到我们中心参观,我们就质谱及其它高端仪器在多组学上的应用和发展前景进行了深入的探讨。”

黄超兰教授和布鲁克总裁Frank Laukien

  “目前,timsTOF Pro已经成为了我们中心的主力军,它们新颖的PASEF采集模式大幅提升duty cycle(占空比)至100%,在灵敏度上飞跃式的进步,4D-DIA方法,都使得我对这台仪器刮目相看!”

北京大学医学部精准医疗多组学研究中心质谱实验室

  “轨道阱Orbitrap和Q-TOF仪器的很大的一个本质区别是它们属于两种不同的“分析器串联”的方式,前者是时间串联,后者是空间串联,这首先会对二级谱造成最大的影响。”Cathy 用她的专业画龙点睛了两款超高分辨质谱仪,也做了个形象比喻,“如果把二级谱鉴定的蛋白比作珍珠,Orbitrap给你的是非常清晰的5颗珍珠,几乎没有杂草;timsTOF能给你8颗珍珠,但混在杂草里。有些人因为简单更喜欢5颗不带杂草的珍珠,有些人想要更多的珍珠,愿意去杂草里挑选,并且在挑选的过程中还会有意想不到的发现。” 由于非常专业和客观,在美国时黄超兰是知名质谱公司推出新产品前很好的测试者,她会到厂家对关键性能进行测试,比如有一次就测出产品的一个bug,厂家虽为此推迟了上市时间,但最终推向市场的是一台更完美的仪器。

  对于布鲁克的其它几款产品,黄超兰表示:自己日后有钱的话会买一台scimaX FTICR质谱仪;timsTOF系列的质谱也有技术更新,新推出的timsTOF fleX相比timsTOF Pro就增加了MALDI功能,使用了非常前沿的激光器,如果要做影像组学会非常有用。

  作为质谱的“超级玩家”,黄超兰也回顾自身经历中质谱技术的变化。最初自己用磁质谱,当时用EI和FAB(快原子轰击)离子源,测定化合物小分子。第一个变化是从小分子到大分子,比如后来实验室购置了两台离子阱液质。第二个变化是软件大幅提升了体验,尤其是更简单地获得结果。对于质谱未来的期望,黄超兰希望是:更灵敏、更快!而对于组学来说分辨率不是最重要的考虑。“通量是当前的瓶颈。”黄超兰说,“基因测序的特点是能够扩增获得大量样本,大幅提高通量。 质谱由于是起源于物理技术的测量工具,目标物不能扩增,必须一个一个测定,通量就受到限制。期待某天质谱仪会有一个根本性的突破。”

  终极目标

  黄超兰认为,此前蛋白质组学发现的各种生物标志物,真正用到精准医疗的路径尚未打通。目前临床质谱应用中主要还是小分子,蛋白标志物方面未建立很好的方法。“在Cell那篇文章[4]中,我尝试发展一套绝对定量的质谱方法。相比抗体和Elisa试剂盒方法,质谱灵敏度更高、特异性强、并可进行多标志物定量,是未来发展的方向。”近年来,随着贺福初院士等科学家推动的PDPM,人们对精准医学中蛋白质组的作用了解更多也更重视。

  尽管黄超兰发表了很多好的论文,但这并不是她的终极目标,黄超兰做了一个比喻:马斯克的终极目标是把人类送上火星,特斯拉、回收火箭,都是实现目标路上的副产品。“我的目标是:通过Med Map的理念,能真正把成果贡献于人类的健康!”

  参考文献:

  1.Immune suppression in the early stage of COVID-19 disease. Nature Communications volume 11, Article number: 5859 (2020)

  2.Arginylation of β-Actin Regulates Actin Cytoskeleton and Cell Motility, August 2006 Science 313(5784):192-6.

  3.Structure of a yeast spliceosome at 3.6-angstrom resolution. Science, 2015, 349(6253), 1182-1191

  4.The 3.8 Å structure of the U4/U6.U5 tri-snRNP: Insights into spliceosome assembly and catalysis. Science, 2016, 351(6272), 466-475

  5.Multiple signaling roles of CD3ε and its application in CAR-T cell therapy. Cell, 2020, 182(4): 855-871.e23

  6.Nanoliter-Scale Oil-Air-Droplet Chip-Based Single Cell Proteomic Analysis. Anal. Chem. 2018, 90, 8, 5430–5438