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    賽先生說 | 鄧宏魁:讓細(xì)胞“返老還童”

    張鈴2024-08-22 20:33

     
     

    編者按:現(xiàn)在,讓我們把聚光燈對(duì)準(zhǔn)中國(guó)基礎(chǔ)學(xué)科的研究者——數(shù)學(xué)家、化學(xué)家或者人類基因的研究者。

    我們希望能夠拋開科技報(bào)道對(duì)巨頭公司和創(chuàng)始人個(gè)人生活事無(wú)巨細(xì)的關(guān)注,回歸到科研最基本的單元:科研者。

    我們稱之為“賽先生說”,我們將以系列報(bào)道的形式展現(xiàn)他們的工作、生活和面臨的環(huán)境。

    這些研究者是誰(shuí)?在干什么?在擔(dān)憂什么?面臨什么?他們所做的事情,在世界范圍內(nèi)又處在什么樣的序列?

    這些問題的答案將構(gòu)成中國(guó)科研的底色,并成為一個(gè)龐大經(jīng)濟(jì)體未來(lái)前進(jìn)的動(dòng)力。

     
     

    經(jīng)濟(jì)觀察網(wǎng) 記者 張鈴 2024年7月底,在華人生命科學(xué)大會(huì)上,一位著名科學(xué)家正在演講,干細(xì)胞生物學(xué)家鄧宏魁坐在臺(tái)下聽著。突然,許多陌生電話打進(jìn)來(lái),鄧宏魁沒有接聽,把手機(jī)調(diào)成靜音。

    不一會(huì)兒,首都醫(yī)科大學(xué)校長(zhǎng)饒毅發(fā)來(lái)消息:“宏魁,有人找你,快去接電話。”鄧宏魁趕忙跑出會(huì)議廳。電話那頭告訴他:你將是2024未來(lái)科學(xué)大獎(jiǎng)“生命科學(xué)獎(jiǎng)”獲獎(jiǎng)人。

    接完電話,鄧宏魁在電梯上碰到方才演講的科學(xué)家,他問鄧宏魁:“我剛才演講的時(shí)候,專門提到你做的重要工作,你聽到了嗎?”錯(cuò)過分享的鄧宏魁只好回應(yīng)一個(gè)歉意的笑。

    在學(xué)界同仁眼中,鄧宏魁有一個(gè)特別的標(biāo)簽——干細(xì)胞領(lǐng)域的魔法師。過去二十年,這位中國(guó)科學(xué)家不斷在干細(xì)胞研究中取得新突破,幾次拓寬了再生醫(yī)學(xué)的研究邊界。有“中國(guó)的諾貝爾獎(jiǎng)”之譽(yù)的未來(lái)科學(xué)大獎(jiǎng)選中他,正是因?yàn)樗诟杉?xì)胞領(lǐng)域的一系列關(guān)鍵性突破。

    2024年8月16日,2024未來(lái)科學(xué)大獎(jiǎng)?wù)浇視浴`嚭昕墨@獎(jiǎng)理由是“開創(chuàng)了利用化學(xué)方法將體細(xì)胞重編程為多能干細(xì)胞,改變細(xì)胞命運(yùn)和狀態(tài)方面的杰出工作”。

    獲獎(jiǎng)原因由北京生命科學(xué)研究所所長(zhǎng)王曉東宣讀。王曉東說,每個(gè)人都是從父母的精子和卵子相遇的那一刻開始發(fā)育成長(zhǎng),直至衰老。有人類文明以來(lái),從著名的秦始皇,到現(xiàn)在的硅谷大佬們,都?jí)粝肽軐?shí)現(xiàn)返老還童,這是一個(gè)不斷前進(jìn)的過程。在這個(gè)過程中,鄧宏魁在細(xì)胞的水平上給人類提供了一個(gè)全新的思路,做了一件不可思議的事情。

    圖片1

    鄧宏魁 受訪者供圖

    科學(xué)家一直在尋找能逆轉(zhuǎn)生命時(shí)鐘的辦法。胚胎發(fā)育早期會(huì)出現(xiàn)有多能性的細(xì)胞,可以無(wú)限增殖、分化成生物體所有功能細(xì)胞類型,但其很快會(huì)分化為成體細(xì)胞,喪失“種子細(xì)胞”特性。過去幾十年,在細(xì)胞層面,科學(xué)家做到了把發(fā)育成熟的細(xì)胞從人體取出,使其重新回到原始狀態(tài),成為多能干細(xì)胞。第一個(gè)辦法是基于體細(xì)胞核移植技術(shù)的克隆,第二個(gè)辦法是基于轉(zhuǎn)錄因子的重編程策略,這兩個(gè)研究已共同獲得諾貝爾獎(jiǎng)。而第三個(gè)辦法,就是鄧宏魁發(fā)現(xiàn)的化學(xué)重編程技術(shù)。

    逆撥生命時(shí)鐘

    在大獎(jiǎng)揭曉的現(xiàn)場(chǎng)連線環(huán)節(jié),鄧宏魁回憶起做干細(xì)胞研究二十多年里最難忘的三個(gè)瞬間。

    第一個(gè)瞬間是在2013年,團(tuán)隊(duì)首次在概念上證明使用小分子處理即可將小鼠體細(xì)胞誘導(dǎo)到多能狀態(tài);第二個(gè)瞬間是在2022年,團(tuán)隊(duì)化學(xué)重編程過程中發(fā)現(xiàn)人體細(xì)胞中激活的再生基因網(wǎng)絡(luò);第三個(gè)瞬間是在2023年,團(tuán)隊(duì)將體細(xì)胞重編程的多能干細(xì)胞來(lái)源的功能細(xì)胞移植給病人,并在病人身上看到了有效性。

    在1996年克隆羊誕生后,日本科學(xué)家山中伸彌又在2006年發(fā)現(xiàn),通過四種轉(zhuǎn)錄因子可將成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化為誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(iPSC)。然而,轉(zhuǎn)錄因子過表達(dá)的方法很難精確操控重編程過程,并可能導(dǎo)致隨機(jī)的基因整合和潛在的致癌基因表達(dá),從而限制了其應(yīng)用。

    2013年,鄧宏魁團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》雜志首次報(bào)道了小鼠的化學(xué)重編程技術(shù):不依賴細(xì)胞內(nèi)源物質(zhì),僅使用外源性化學(xué)小分子就能將成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化為iPSC的方法。這一研究開辟了全新的細(xì)胞命運(yùn)調(diào)控途徑。

    小鼠實(shí)驗(yàn)成功那晚,當(dāng)鄧宏魁透過熒光顯微鏡看到標(biāo)志著成功的綠色熒光時(shí),他無(wú)法抑制情緒,獨(dú)自在樓道里反復(fù)踱步。全新的研究途徑意味著全然的未知,為了這個(gè)瞬間,他已經(jīng)探索了十多年。

    圖片2

    標(biāo)志物散發(fā)出綠色的熒光 受訪者供圖

    鄧宏魁記得,研究一經(jīng)發(fā)表,整個(gè)再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域都被震動(dòng)——科學(xué)界沒想到用這么簡(jiǎn)單的方式就可以實(shí)現(xiàn)重編程。

    在歡呼聲之外,質(zhì)疑聲也隨之而來(lái)。由于小分子具有很強(qiáng)的靈活性,進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)時(shí)可變因素很多,一些科學(xué)團(tuán)隊(duì)難以將實(shí)驗(yàn)成功重復(fù)。

    鄧宏魁沒有過多理會(huì)這些質(zhì)疑,繼續(xù)探索如何實(shí)現(xiàn)人體細(xì)胞化學(xué)重編程,因?yàn)槟遣耪嬲哂袘?yīng)用價(jià)值。與此同時(shí),團(tuán)隊(duì)也發(fā)表了一些工作成果,把小鼠重編程的效率提高了1000倍。質(zhì)疑聲慢慢消散了。

    “一個(gè)顛覆性的新生事物,要用十年甚至更長(zhǎng)時(shí)間來(lái)體現(xiàn)它的價(jià)值,短期的噪音不用太理會(huì)。”鄧宏魁對(duì)經(jīng)濟(jì)觀察報(bào)說。

    9年后,鄧宏魁團(tuán)隊(duì)的新科研成果再次震驚科學(xué)界。2022年4月,團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次報(bào)道了人體細(xì)胞化學(xué)重編程的工作,將化學(xué)重編程技術(shù)從小鼠多能干細(xì)胞制備成功應(yīng)用于人多能干細(xì)胞的制備,并獲得人多能干細(xì)胞。相比傳統(tǒng)方法,化學(xué)小分子操作簡(jiǎn)便靈活,時(shí)空調(diào)控性強(qiáng)、作用可逆,可以對(duì)細(xì)胞重編程過程進(jìn)行精確操控。

    “通過簡(jiǎn)單的化學(xué)小分子組合,是能夠逆轉(zhuǎn)生命的。”鄧宏魁解釋,通過化學(xué)重編程技術(shù),一方面可以把人體成熟細(xì)胞在體外“返老還童”為種子細(xì)胞,一方面可以激活人體細(xì)胞的再生潛能,用以修復(fù)損傷、病變、衰老的細(xì)胞。

    這一次,鄧宏魁團(tuán)隊(duì)吸收了小鼠重編程研究的經(jīng)驗(yàn),成果發(fā)表后,他們立即開始優(yōu)化方法,在2023年就公布了效率更高的方法,并且研發(fā)了一款試劑盒供同行使用。

    把不可能變?yōu)榭赡?/strong>

    從小鼠細(xì)胞重編程到人體細(xì)胞重編程,鄧宏魁團(tuán)隊(duì)原以為很快就可以實(shí)現(xiàn),因?yàn)樵硎窍嗨频摹]想到,這一步的跨越,一走就是9年。

    人體細(xì)胞的穩(wěn)定性更強(qiáng),調(diào)控機(jī)制更復(fù)雜。鄧宏魁打比方說,如同跳高,要從1.6米提高到1.8米,看似只增高了20厘米,難度的變化卻是指數(shù)級(jí)上升的。為了克服人體細(xì)胞的穩(wěn)態(tài),在最初六年,鄧宏魁團(tuán)隊(duì)篩選了多種可能性,但所有策略都失敗了。當(dāng)時(shí),業(yè)內(nèi)也普遍認(rèn)為,人類成體細(xì)胞的表觀遺傳限制極其嚴(yán)格,很可能無(wú)法通過化學(xué)重編程激發(fā)人類成體細(xì)胞獲得多潛能性。

    一種低等生物給了鄧宏魁啟發(fā)——蠑螈。

    蠑螈是再生生物學(xué)領(lǐng)域常用的動(dòng)物模型之一。在肢體截?cái)嘀蠹s一個(gè)星期,蠑螈就能在截肢末端長(zhǎng)出一團(tuán)芽基組織,最后長(zhǎng)出新肢體。這是因?yàn)橄旙⒃谑軗p傷后,體細(xì)胞會(huì)自發(fā)改變特性,在去分化的過程中獲得可塑性,借助可塑的中間狀態(tài)實(shí)現(xiàn)肢體再生。

    相比低等生物,人類在進(jìn)化過程中喪失了這種很強(qiáng)的再生能力。鄧宏魁團(tuán)隊(duì)猜測(cè),模擬低等生物,讓人類成體細(xì)胞重新建立可塑狀態(tài),或許是突破的關(guān)鍵。

    沿著這個(gè)思路,鄧宏魁團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),高度分化的人成體細(xì)胞在特定化學(xué)小分子組合作用下,可以發(fā)生類似低等動(dòng)物的去分化現(xiàn)象,并獲得有一定可塑性的中間狀態(tài)。

    這是一個(gè)巨大的驚喜。“原來(lái)不同的生命現(xiàn)象是相通的,造物主還隱藏了一條可行的路。”鄧宏魁說,克服這第一步的障礙后,團(tuán)隊(duì)以此為基礎(chǔ)繼續(xù)研究,最終實(shí)現(xiàn)了人CiPS細(xì)胞的成功誘導(dǎo)。

    做科研時(shí),鄧宏魁喜歡設(shè)定一個(gè)看似不可能的目標(biāo),在一個(gè)從無(wú)到有的旅程中,發(fā)現(xiàn)源頭創(chuàng)新。這樣的工作不必太擔(dān)心別人走在前面,有大把時(shí)間去試錯(cuò),但也需要耐心和長(zhǎng)期堅(jiān)持。

    2001年,鄧宏魁回國(guó),開始在北京大學(xué)從事干細(xì)胞研究工作。剛開始研究化學(xué)重編程技術(shù)時(shí),不僅外界不看好,團(tuán)隊(duì)成員也覺得這是不可能的事。從回國(guó)到小鼠重編程的成功,鄧宏魁走了12年,團(tuán)隊(duì)里有畢業(yè)要求的學(xué)生難免著急。

    鄧宏魁的辦法是把目標(biāo)拆解,直至拆解成不可拆解的小目標(biāo)為止。可執(zhí)行的小目標(biāo)會(huì)一個(gè)個(gè)實(shí)現(xiàn),增加學(xué)生們的信心。當(dāng)小目標(biāo)一個(gè)個(gè)實(shí)現(xiàn),離總目標(biāo)越來(lái)越近的時(shí)候,學(xué)生們的迫切感就會(huì)越來(lái)越強(qiáng)烈。2013年,成功實(shí)現(xiàn)小鼠重編程后,所有人都開始相信,自己可以“把不可能變?yōu)榭赡?rdquo;。

    不與多數(shù)人擠在一條路上

    在博士和博士后期間,鄧宏魁研究的并非再生醫(yī)學(xué),而是免疫學(xué)與病毒學(xué)。加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)的博士導(dǎo)師Eli Sercarz和紐約大學(xué)的博士后導(dǎo)師Dan R. Littman,是科研生涯里對(duì)鄧宏魁影響最大的兩個(gè)人。

    在UCLA期間,鄧宏魁的研究方向是自身免疫病。Eli Sercarz就患有自身免疫病,鄧宏魁問他:“你研究這么多年自身免疫病,你要怎么治自己的病?”

    “宏魁,就像每臺(tái)電視機(jī)都?jí)脑诓煌牡胤剑赡軟]法修,最好買個(gè)新的。” 導(dǎo)師回答他:“只有重建免疫系統(tǒng)才能真正解決問題。”

    這個(gè)對(duì)話給了鄧宏魁很大啟發(fā),他隱約感覺到自己應(yīng)該研究再生問題。

    Eli Sercarz幽默熱情,會(huì)用他能想到最好的詞匯鼓勵(lì)鄧宏魁,在科研方向上給他最大自由度。Dan R. Littman則是個(gè)嚴(yán)師。鄧宏魁初來(lái)乍到時(shí),Dan R. Littman就對(duì)他說,有個(gè)重要課題,研究組已經(jīng)做了十幾年,都沒有做出來(lái),你敢不敢去挑戰(zhàn)?

    鄧宏魁接受了挑戰(zhàn)——去尋找艾滋病病毒的受體。最終,他發(fā)現(xiàn)了HIV入侵T細(xì)胞的主要輔助受體CCR5,這是艾滋病的主要“幫兇”,有了它,艾滋病病毒才能破壞免疫系統(tǒng)。1996年,這一艾滋病研究領(lǐng)域的里程碑式進(jìn)展在《自然》雜志上發(fā)表。

    這次成功后,雖然導(dǎo)師沒怎么夸獎(jiǎng)自己,但鄧宏魁的信心還是一下子提升了起來(lái),此后遇到更有挑戰(zhàn)的課題時(shí),他不再畏難。許多年后,當(dāng)鄧宏魁在化學(xué)重編程技術(shù)上取得重大突破時(shí),Dan R. Littman終于向他發(fā)來(lái)祝賀:“You are so lucky!”

    完成博士后工作后,鄧宏魁連續(xù)見證了干細(xì)胞和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的兩個(gè)重大突破。一個(gè)是1997年轟動(dòng)全球的多利羊的誕生,這證明成熟分化狀態(tài)的細(xì)胞可以被逆轉(zhuǎn)回原始發(fā)育狀態(tài),還具有產(chǎn)生一個(gè)新個(gè)體的能力;一個(gè)是1998年人胚胎干細(xì)胞系的建立,再生醫(yī)學(xué)的大門由此打開。

    鄧宏魁意識(shí)到:“這就是我未來(lái)想做的事,我應(yīng)該進(jìn)入新的賽道。”

    圖片3

    鄧宏魁在實(shí)驗(yàn)室 受訪者供圖

    鄧宏魁不跟多數(shù)人擠在一條路上。對(duì)于年輕科研人員來(lái)說,沿著導(dǎo)師的路徑繼續(xù)走相對(duì)容易,但實(shí)現(xiàn)超越的唯一辦法是走到新領(lǐng)域去,長(zhǎng)成一棵新樹。

    博士后工作結(jié)束后,鄧宏魁在美國(guó)一家生物技術(shù)公司工作了四年,積累了如何將基礎(chǔ)研究轉(zhuǎn)化到應(yīng)用上的經(jīng)驗(yàn)后,他選擇回國(guó),到北京大學(xué)從頭組建實(shí)驗(yàn)室,從頭開展研究。

    二十多年后,鄧宏魁團(tuán)隊(duì)把化學(xué)重編程概念技術(shù)方法初步建了起來(lái),下一步,他們希望把它做成一個(gè)廣泛可用的技術(shù),還要探索用這個(gè)技術(shù)制備特定的功能細(xì)胞,用來(lái)治療特定的疾病。

    鄧宏魁也沒有脫離學(xué)生時(shí)代的研究。進(jìn)入再生醫(yī)學(xué)賽道后,他暗下決心:將來(lái)實(shí)現(xiàn)再生夢(mèng)想時(shí),要以此為工具繼續(xù)免疫學(xué)和病毒學(xué)研究。

    2019年,鄧宏魁和合作者報(bào)道了全球首例利用第三代基因編輯技術(shù)CRISPR-Cas9,在造血干細(xì)胞上編輯他博士后時(shí)期發(fā)現(xiàn)的CCR5基因,并成功移植給一名同時(shí)患有HIV和白血病患者的案例。研究結(jié)果顯示,基因編輯后的造血干細(xì)胞移植治療使患者的白血病完全緩解,攜帶CCR5突變的供體細(xì)胞能夠在受體體內(nèi)長(zhǎng)期存活已達(dá)19個(gè)月,初步探索了該方法的可行性和安全性。基于這項(xiàng)研究,鄧宏魁成為入選那一年《自然》年度人物的唯一一位中國(guó)學(xué)者。

    在北京大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室里,鄧宏魁懸掛過一張照片,那是阿姆斯特朗在月球表面踩下的第一個(gè)人類腳印。登月是人類的一大步,歷史會(huì)永遠(yuǎn)記住它,鄧宏魁也希望做出在歷史上留下腳印的工作。

    許多年過去,鄧宏魁覺得在他的科研生涯中,也有了值得被記住的畫面——11年前的一天,在培養(yǎng)皿一堆中間狀態(tài)的小鼠細(xì)胞里,多能干細(xì)胞長(zhǎng)了出來(lái),標(biāo)志物散發(fā)出綠色的熒光。那一刻,不可能的事變成了可能。

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