破译人类疾病的密码——记上海“千人计划”专家、复旦大学生命科学学院特聘教授钟涛

本刊记者　黄 健

破译人类疾病的密码
——记上海“千人计划”专家、复旦大学生命科学学院特聘教授钟涛

本刊记者黄 健

2014年8月31日国际著名细胞生物学杂志《自然·细胞生物学》发表了复旦大学生命科学学院和遗传工程国家重点实验室钟涛教授的最新研究成果——前列腺素信号通路能够调控细胞纤毛生长和心脏左右不对称发育。

科学家告诉我们：当beta细胞无法正常分泌胰岛素时，我们会得糖尿病；当癌细胞停止与其相邻细胞进行沟通时，它们忘记了停止分裂，因而导致肿瘤的形成；当神经细胞停止沟通时，我们会得神经退行性疾病……

细胞对周边环境的感知和回应，以及与其他细胞之间的沟通，与我们的生命息息相关。因为我们人体内的细胞无时无刻都在沟通，所以当某一个沟通过程出错时，身体就会出现病症。细胞研究意义重大，故而，2013诺贝尔生理学或医学奖颁布给了研究细胞“囊泡运输”的三位科学家。

对细胞的研究，是分析细胞对健康和疾病影响关系的基础，在这一片神秘的科学领域，无数科学家为之心驰神往，复旦大学生命科学学院遗传工程国家重点实验室的钟涛教授也在享受这个发现的过程，并且乐此不疲。

揭示细胞纤毛的秘密

2014年8月31日，国际著名细胞生物学杂志《自然·细胞生物学》在线刊发了钟涛研究团队在心脏发育和细胞纤毛研究领域的重要发现：纤毛生长发育异常能够引起人类多种相关疾病，如先天性心脏病、多囊肾、男性不育、纤毛不动综合征等。

钟涛在采访中向记者解释说，纤毛是以细胞微管为主体伸向细胞外能运动的突起，能自由摆动，广泛分布于人体多种组织和器官的上皮细胞表面。纤毛在细胞生命活动的各个方面发挥着多种关键作用，不仅参与早期发育过程中胚胎与器官的不对称性发育，还参与调控人体重要的生理功能及细胞内重要信号通路的转导。因而，深入地探索纤毛的生成及调控机理对基础生物学理论的发展和人类纤毛相关疾病的攻克有重要意义，有关的纤毛的研究也成为目前研究的热点领域。

钟涛研究团队应用遗传学、发育生物学和细胞生物学等现代生物学技术，阐明了前列腺素信号调控心脏发育和纤毛生长的重要作用——前列腺素信号通路能够调控细胞纤毛生长和心脏左右不对称发育。这不仅揭示了在胚胎形成和器官发育中前列腺素信号的重要性，而且有助于解密先天性心脏病和人类其他疾病的细胞分子病因。

这一发现，再次引起国内外生命科学界科学家们的惊叹。钟涛说，这项成果的取得是他们科研一以贯之的结果。

从2011年钟涛回国在复旦大学组建了这支团队开始，就以斑马鱼和人类细胞为模型进行这方面的研究。通过分析斑马鱼遗传突变体leakytail，他们发现，斑马鱼leakytail（lkt）突变体显示纤毛发生缺陷，lkt基因编码了一种ATP结合盒转运蛋白（ABCC4）。他们证实了Lkt/ABCC4定位到细胞膜上，负责输出前列腺素E2（PGE2）， Lkt/ ABCC4的T804M突变则可破坏这一功能。研究团队进一步发现，环氧合酶-1（cyclooxygenase-1）所合成的PGE2的G蛋白偶联受体EP4定位在纤毛上，EP4经PGE2激活了环磷酸腺苷（Cyclic-AMP，cAMP）介导的信号级联反应，这是纤毛形成和伸长的必要条件。装配和维护纤毛都需要重要的转运蛋白——细胞纤毛内转运蛋白IFT。IFT具有正向转运和逆向转运功能，如果IFT蛋白发生缺陷，将会导致产生许多与纤毛相关的疾病。重要的是，在哺乳动物细胞中PGE2信号提高了IFT的顺行而非逆行的速度，促进了纤毛发生，并最终调节心脏左右不对称发育。

根据这些研究结果，钟涛研究组提出，Lkt/ABCC4介导的PGE2信号通过纤毛上的G蛋白偶联受体EP4来发挥作用，上调了cAMP合成，增加了顺行IFT，由此促进了纤毛的发生。而LKT/ABCC4转运蛋白缺失会造成心脏和其他内脏器官随机性偏侧等异常表型，证明了这些异常表型主要是由于胚胎发育时期细胞表面纤毛生长缺陷所引起。

前列腺素是一种具有多种生理作用的活性物质，能够参与机体的炎症反应、血管平滑肌舒张和收缩、肿瘤发展等多种生理和病理过程。他们在之前的研究中发现，前列腺素信号通过调控IFT蛋白影响了纤毛形成。这项最新成果首次把前列腺素信号通路与纤毛生长及器官发育相联系。

钟涛表示：“这是我们在基础研究方面的成果，今后，我们课题组将在人类遗传学领域和医院心血管方面的医生一起做相关研究，希望能有更大的突破。”

“心”路历程

在国外求学和工作期间，钟涛的科研一直瞄准模式生物发育和遗传学研究，致力于心血管发育和器官发生的信号通路与生物学机制的研究，并有了很多独创性的发现。

在血管研究方面，他揭示了动脉和静脉内皮细胞分化的分子机理，并形成了动脉和静脉分化的理论。这一基础理论被美国经典大学教科书《Developmental Biology》（Scott Gilbert编著，2010年第九版）所采用。

2011年回国后，他率先发现诱导心肌细胞增殖更新的具有新型结构的先导化合物，并提出Wnt信号选择性诱导心肌干细胞增殖的学说。作为首席科学家，钟涛主持了科技部2013年国家重大科学研究计划“心肌细胞分化增殖与心脏发育的调控机制”研究 。

在钟涛看来，发育过程中器官发生和生长的调控机理是生命科学研究领域的基本科学问题，主要涉及从受精卵形成到器官生长发育的整个过程，包括精确的信号传导和转录调控。同时，心脏是最早形成并发挥功能的重要器官，心脏正常发育与生长是保证心脏功能的重要基础。其中，心肌细胞分化增殖是心脏生长发育的核心问题。

如果有信号分子的诱导，中胚层细胞就会向心脏祖细胞特化，随后进一步分化为心肌细胞和内皮细胞；经过形态重塑和生长，形成具有特定形态、大小、功能的心脏。心脏发育异常往往导致胚胎死亡或先天性心脏病，这是世界范围内婴儿非感染性死亡的主要原因之一。另一方面，成人心肌肥厚、扩张及梗死等引起的各类心脏疾病，严重威胁人类生命健康。而心肌细胞增殖更新困难是导致上述心脏疾病难以治愈的关键障碍。因此，了解心肌细胞分化增殖的调控机制，不仅为揭示先心病致病机制提供理论基础，而且为突破人类心肌细胞难以增殖再生的瓶颈提供线索，为发展心脏疾病防治策略做出贡献。

钟涛团队取得的研究成果，可以显著加深我们对心脏发育再生作用机理的理解和认识，推动我国心脏发育生物学和心脏再生科学的研究跻身世界前沿，为提高人类健康水平，促进心脏疾病治疗策略的转化应用奠定理论。

从冷泉港实验室起步

上世纪90年代初，我国在基础科学研究上与国外相比，有一定差距。想在学成后在科学上有所贡献，当时的大学毕业生都会选择去国外深造。1987年，从上海医科大学（现复旦大学上海医学院）毕业的钟涛也不例外，选择了出国深造这条路。

很幸运的是，1990年，钟涛到了当时位于美国纽约的冷泉港实验室，而当时实验室主任是诺贝尔奖获得者和DNA双螺旋结构发现者沃森博士，他是分子遗传学的奠基人。

美丽的冷泉港实验室名列世界上影响最大的十大研究学院榜首，被称为世界生命科学的圣地与分子生物学的摇篮，钟涛的科学人生由此起步。钟涛当时读的是酵母遗传学，“那段时间很努力，很辛苦，没有休息时间。”那段求学经历对钟涛的影响很大，“不仅在基础研究上得到锻炼，而且因为那里也是国际上科学会议中心，能接触到科学前沿”，每年暑假几乎每周，都会在那里召开各种科学会议，邀请很多知名专家参加，实验室对研究生很重视，会议都对他们开放。钟涛直言，这种千载难逢的机会，让他不仅可以了解前沿生物科学，而且还有机会与科学大家交流。

“做科研，不仅要自己努力，而且要方向正确，有生物学意义，才能在一定时间内取得成果。”钟涛说自己很幸运，不仅在科学研究上打下坚实的基础，更重要的是，科研视野也得到了拓宽。这段时期，不仅让他能在课题上做深、有新意，而且对其他领域的基础研究也有所涉猎。扎实的科学素养和基础，让他初尝了成功的喜悦，钟涛的第一篇博士论文发表在国际生物学顶级杂志《细胞》上，阐明了热休克蛋白在细胞翻译和细胞周期中的作用。这让他坚定了在科学的道路上走下去的决心。

博士毕业后的钟涛马不停蹄地又赶往了他的下一站——美国哈佛医学院心血管研究中心，开始了博士后研究。在这里，他从事斑马鱼心血管发育研究，开始走过从无脊椎动物到哺乳动物的桥梁。在这期间钟涛用遗传突变的科学手段发现了主动脉发育缺陷Gridlock（Grl）突变体，用定位克隆方法解密了Grl/Hey2基因，发现Grl/Hey2基因编码一个新的bHLH蛋白；并证明Grl/Hey2在血液循环开始之前就表达于动脉内皮细胞而非静脉细胞。从分子水平上证明动静脉内皮细胞在血液循环建立之前就具有不同的生物特征，填补了血管研究领域的一项空白，发表在国际一流杂志《科学》上。钟涛进一步应用细胞谱系跟踪技术证明，动静脉细胞特性在动静脉形成之前已经获得，并证明Notch/Grl信号调控动静脉分化和稳态维持，发表在国际顶尖杂志《自然》上。此发现为洞悉人类心脑血管疾病易发生于动脉提供了理论基础。

接着，钟涛在范德堡（Vanderbilt）大学组建了自己的实验室，带领研究小组继续从事心血管发育和功能的研究。胚胎发育过程中，器官通过细胞数量增加和细胞体积增大而达到最终的尺寸大小，但是，调控器官生长的潜在机理及与心脏发育相关疾病机制的关联仍不清楚。钟涛研究小组发现Grl/Hey2转录抑制因子和Gata5转录激活因子相互拮抗能够精确控制心肌细胞增殖，从而调控心肌细胞数量和心脏大小。此研究成果为研究心肌肥大和房室间隔缺损等心脏疾病提供重要启示。2010年，钟涛研究小组发现在Hedgehog信号缺陷突变体中，血管内皮干细胞不能形成动脉祖细胞，而静脉祖细胞成比例增加。这表明动脉祖细胞的发生和分化是通过Hedgehog信号压制静脉祖细胞的分化而实现。

建设科研孵化基地

从1990年赴美国纽约州立大学和纽约冷泉港研究所攻读遗传学博士，完成学业直至参加工作，钟涛在国外待了20多年。“虽然科学无国界，可科学家有自己的国家，我从没忘记自己是中国人”，浓厚的中国情结召唤了大批在基础科研领域卓有所成的优秀科学家，回国贡献自己的智慧。乘“千人计划”的东风，钟涛回到自己的母校复旦大学，希望在这里贡献自己的力量。

早在2002年钟涛还只是复旦大学特聘讲座教授时，学校在心脏发育和功能方面的研究几乎为零，他就开始引进了国外的先进技术，建立起斑马鱼养殖设备。这些前期的铺垫和准备为他日后回国发展奠定了坚实的硬件基础。

2011年，钟涛正式回国后一鼓作气，组建团队，建设实验室。“我的这支团队，全部是我带的博士后和博士研究生。”钟涛在培养指导学生上倾注了很大精力。他告诉记者，生命科学实验往往周期长，难度高，现在的学生往往沉不下心来踏踏实实做科研。所以，钟涛不仅是科研中的导师，还充当了学生们思想上的辅导员。“我要让研究生们对现在的研究课题和未来的工作充满信心。”

在国外一流科研机构学习工作过的钟涛有着与众不同的培养方式。他认为，只有对生命科学有足够的认识和沉淀，才能把握好自己的研究和前进方向。“很多学生刚开始研究生命科学，甫一接触，很难提出正确的科学问题。需要经过一定时期训练和知识积累才能提出问题和预测科学前沿。”他常常告诉学生，必须要站在前人肩膀上，仔细阅读科学文献。在研究中，钟涛会事无巨细地观察和指导每个学生的实验设计和结果，直到学生有一定实验成果。

因此，经过短短三年多的努力工作，钟涛研究团队就发现了调节细胞纤毛生长和心脏不对称发育的一条新的信号分子通路和细胞生物学机制，《自然·细胞生物学》发表专题评论，认为“这项研究工作是前列腺素生理信号在发育领域的一个意想不到的重大发现”。

人人都希望自己健康常驻，在漫长的人类历史中，这个问题只是一个广义的社会学范畴的问题，人们很难将它当作一个医学问题来看待。但在今天，生命科学的发展使之成为一个医学问题，钟涛耕耘在这片科研的沃土，也在为这个梦想而努力。“未来，我希望基础研究的成果能应用到医学临床上，为人类疾病诊疗策略的转化应用提供新思路。”科