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哈佛女神史蒂文斯的学术传奇

2016-9-1 10:01| 发布者: |原作者: 孙学军

摘要: 2010年,神经生物学家贝丝史蒂文斯实现鲤鱼跳龙门,从技术员变身为明星科学家,史蒂文斯39岁成为波士顿儿童医院PI哈佛大学教授。她拥有新组建的博士后研究团队,曾和许多著名学者合作在CNS杂志发表多篇重要学术论文 ...
    2010年,神经生物学家贝丝史蒂文斯实现鲤鱼跳龙门,从技术员变身为明星科学家,史蒂文斯39岁成为波士顿儿童医院PI哈佛大学教授。她拥有新组建的博士后研究团队,曾和许多著名学者合作在CNS杂志发表多篇重要学术论文。

史蒂文斯教授和许多年轻科学家一样,曾经担心自己的研究随时可能会失败。但她并没有因此选择那些安全度高的小项目,而是毅然选择了雄心勃勃的大项目。几年前,史蒂文斯在斯坦福大学博士后期间,关于大脑和免疫系统相互作用的研究奠定了后来的研究方向,这一相互作用能决定正常大脑发育和大脑疾病的发病基础。不过,现在这种研究的真正意义仍然难以预测。

史蒂文斯在斯坦福大学读博士后的导师是本巴尔教授,她和巴尔教授猜想小胶质细胞通过补体通路修剪神经突触,是神经组织正常发育的基础。这种修剪过度或不足会导致突触数量不正常,引起神经发育异常或神经退行性疾病。此后史蒂文斯斯的新发现接踵而至,补体修剪突触的故事细节也越来越清晰。2016年,她在《科学》和《自然》杂志上连续发表多篇重量级研究论文,都是关于小胶质细胞补体通路和神经系统疾病关系的研究,如和舞蹈症、老年性痴呆和西尼罗河病毒感染认知功能障碍关系。虽然有科学家认为她的这些研究不可能立刻转化为治疗方法,但补体灭活抗体治疗青光眼等神经退行性疾病的临床试验2017年就有望开展。

金色卷发喜欢运动的史蒂文斯,拥有一双纯粹蓝色的眼睛,犀利地能把玻璃杯从桌子上瞪下去。杜克大学神经科学家Cagla Eroglu曾经和史蒂文斯一起在斯坦福大学做博士后,对她的印象十分深刻。

史蒂文斯在波士顿儿童医院的实验室有14个博士后、研究生和技术员,正在开展多个研究课题。一个是正在寻找启动补体系统的分子,另一个是对小胶质细胞进行在体观察,还有一个研究为什么一些类型的突触比其它类型更容易被修剪。加州大学旧金山分校神经科学家Eric Huang说,史蒂文斯这种多方向交叉策略不仅能保持更多产出,也方便寻找到更多新研究方向。

一、生物学老师是科学引路人

1971年出生的史蒂文斯家乡在麻省小城布罗克顿,爸爸是一个公共学校校长,妈妈是小学教师,父母的朋友多数都是教师。史蒂文斯小学和初中阶段对科学并没有兴趣,高中快毕业时,她的生物学老师讲自己在临床微生物学实验室的一些有趣故事,才开始让她对科学产生了兴趣。追随生物老师为榜样,她到西北大学医院找到一份兼职工作。根据她的回忆,在这里她最出彩的一次工作是帮助寻找一例食物中毒的病原菌来源,她确定是来自一根污染了李斯特菌的香肠。史蒂文斯原希望能成为内科医生,但是她慢慢意识到自己对基础科研更有兴趣,她希望弄清楚疾病的发生机理。

二、学术人生,从技术员启航

1993年,史蒂文斯大学毕业,根据她的爱好,大学里教授建议她到NIH积累更多研究经验。正好她的新婚丈夫在华盛顿特区获得一份工作,她决定到附近马里兰NIH找工作。没有到互联网的时代,她每周都去看工作海报,广泛投递简历,几个月后终于等到一个工作机会。儿童健康和人类发育研究所著名神经科学家道格拉斯-菲尔兹给史蒂文斯打电话,给了她一个技术员工作机会。虽然她当时还是一个菜鸟,但勤奋努力使她很快成为实验室的管理员。

菲尔兹教授的研究兴趣是神经活动对基因表达的影响,其中一种基因是粘附蛋白L1,这种分子能帮助少突胶质细胞包绕神经轴突形成髓鞘。史蒂文斯的任务就是在细胞培养皿中重建轴突形成髓鞘的过程,最终她获得成功。菲尔兹教授把史蒂文斯列为2000年《科学》论文的共同作者,这是对一名技术员的崇高嘉奖。这一经历也让史蒂文斯对胶质细胞产生了浓厚兴趣,长期以来胶质细胞被科学家认为是管家细胞,给神经元提供营养,协助缓冲和清除神经兴奋释放的离子和神经递质。

史蒂文斯在菲尔兹实验室工作同时攻读了马里兰大学神经科学博士学位,博士毕业后返回菲尔兹教授实验室继续全职工作。此时史蒂文斯引起时任国家神经疾病和中风研究所所长斯托里·兰迪斯的注意。兰迪斯告诉史蒂文斯,应该继续努力成为一个独立的科学家,如果她希望去某个实验室做博士后,他愿意帮助推荐。

三、巴尔教授,名师出高徒

   斯坦福大学医学院神经生物学本巴尔教授是世界顶级胶质细胞研究学者,他邀请史蒂文斯加盟实验室,史蒂文斯无法拒绝,因为这里是她成就科学事业最理想的去处。激励他人积极工作的方法有多种,爱能激发创造力,恐惧能驱动努力,工作本身也能产生动力。巴尔教授的手段是给手下提供充足的资源,及时合理的建议和正确的科研方向,并放手让大家自己去拼搏。巴尔教授说,史蒂文斯有很好的科学天赋,她总是工作到深夜,似乎没有假期周末的概念,她也善于活跃实验室生活气氛,给每个人组织生日集会。Eroglu说 ,有些人喜欢科学是因为享受挑战,他们乐于享受科学带来的痛苦。但是史蒂文斯不一样,她是享受科学的快乐。

巴尔教授长期研究星形胶质细胞,这种大脑内的细胞能分泌影响神经元生长的化学分子。巴尔教授的博士后Karen Christopherson发现星形胶质细胞的另外一种重要功能。就是这种细胞能诱导神经元大量释放一种补体分子C1q,补体是存在于正常人和动物血清与组织液中的一组经活化后具有酶活性的蛋白质,可辅助和补充特异性抗体,介导免疫溶菌、溶血作用,故称为补体。补体是由30余种可溶性蛋白、膜结合性蛋白和补体受体组成的多分子系统。

补体的典型作用是标记抗原和受损伤的细胞,让免疫系统巨噬细胞能识别这些分子和细胞为垃圾成分。Christopherson的发现让巴尔教授和史蒂文斯提出,补体也许在大脑发育过程中发挥关键作用,标记一些新产生的多余突触,修剪多余突触,保留有功能突触,形成更理想的联系。如果补体C1q能发挥这种作用,缺乏这种蛋白的动物会出现神经发育异常。巴尔教授和史蒂文斯拿到C1q基因缺乏小鼠,对大脑深部的视觉丘脑进行观察。刚出生动物睁开眼睛前,视觉丘脑神经元会出现大规模的突触修剪,结果是留下一个整齐有序的系统,大多数细胞只接收来自左或右眼的输入信号。缺乏C1q的动物虽然没有出现明显的视觉异常,但是他们发现外侧膝状体核存在更多神经突触联系,这说明C1q是突触精准化调节的必要因素。这种蛋白在健康成年小鼠大脑内不存在说明它们只在大脑发育过程发挥作用。在一种青光眼小鼠模型中,这种疾病视网膜神经元会受损破坏。史蒂文斯研究发现动物眼睛内C1q水平比健康动物高许多。这一发现2007年在《细胞》发表,这是补体对大脑发育和功能作用的奠基性研究。

巴尔教授和史蒂文斯联合斯坦福大学神经科学家David Prince研究证明,缺乏C1q的动物大脑皮层神经连接更多,但容易发生癫痫,存在记忆力差等认知功能缺陷。史蒂文斯等对出生后小鼠大脑内的变化进行研究,史蒂文斯的博士后Axel Nimmerjahn采用一个颅骨窗口记录脑组织细胞的变化,结果发现小胶质细胞是发生最明显改变的细胞。这些小胶质细胞继续保持突起的延伸或收缩等激活特征。史蒂文斯从没有看到其它细胞如此有目的地运动。虽然她本来更喜欢星形胶质细胞,但星形细胞没有出现这种动作。

许多学者过去所以不重视小胶质细胞,是因为在神经发育过程中小胶质细胞最后阶段进入大脑。后来,纽约西奈山医学院Miriam Merad证明小胶质细胞在胚胎很早就进入大脑。小胶质细胞也是脑内唯一表达C3受体的细胞,早期进入大脑也支持这些细胞在协助突触发育的重要地位。这些研究都说明,小胶质细胞对突触等发育过程能发挥重要作用。

四、抱定方向,初创辉煌

在巴尔教授实验室完成博士后训练后,史蒂文斯从波士顿儿童医院获得教职,她致力于对小胶质细胞修剪突触的细节研究。科研独立后遇到的第一个挑战,是建立一种检测方法,确定活体大脑内小胶质细胞能吞噬突触碎片。史蒂文斯的第一个博士后是多丽谢弗,她利用巴尔教授和史蒂文斯过去研究外侧膝状体核使用的动物,这种动物来自一个眼睛的神经突触为红色,来自另一个眼睛的神经突触为蓝色,新的动物少突胶质细胞为绿色。研究就是在绿色小胶质细胞内看到红色或蓝色细胞碎片。在一个周六下午,第一个结果终于被捕捉到。

科学家早就知道,神经活动能强化突触联系,神经活动减少能弱化神经突触。史蒂文斯等预测,当神经突触联系减少后,小胶质细胞会远离突触部位。为验证假说,谢弗用药物来激活或抑制小鼠一只眼睛的神经活动。结果发现神经活动被抑制后,大量突触被小胶质细胞修剪。采用小胶质细胞补体受体缺乏的动物,发现抑制神经元活动不能减少突触数量,这种变化和C1q基因敲除的结果类似。史蒂文斯和谢弗正准备投稿时,竞争对手德国海德堡的欧洲分子生物学实验室科尼利厄斯格罗斯小组在《科学》发表了类似研究论文。格罗斯研究也证明了小胶质细胞在海马神经突触修剪中的关键作用,他们关注另外一个免疫相关分子fractalkine,这一研究将小胶质细胞从旁观者推向大脑发育的执行者地位。缺乏这种蛋白受体的小鼠,神经元突触连接成熟延迟。但是格罗斯教授小组并没有提供突触修剪的分子机制。史蒂文斯和谢弗很快在《神经元》发表了补体与突触修剪作用的研究结果。但格罗斯教授用挑衅的语气说,经典补体系统参与抗原和死亡细胞的处理,这是不言而喻的结果。

其实到今天仍然没有人明确证明小胶质细胞能在活体动物大脑内吞噬突触,所有研究都属于间接证据。从前后照片的对比可以看出小胶质细胞在突触周围游动并吞噬突触碎片。这些图片结果不能区分是小胶质细胞偶然吞噬死亡神经元碎片,还是主动修剪多余的神经突触。现在已经是麻省大学医学院助理教授谢弗博士认为,她将找到确认小胶质细胞修剪神经突触过程的研究方法。谢弗博士现在研究小鼠桶状皮层,这个部位是动物胡须的投射脑区。每个胡须都可以精确识别到脑区,这样给捕捉小胶质细胞吞噬突触的过程增加了机会。

五、从生理到病理,科研产业两不误

在早期发育过程中,补体C1q神经元突触适当形成的必要性已经被广泛接受。 现在研究发现,补体C1q与神经突触的关系在生命晚期同样发挥重要作用。巴尔教授曾经发现,在小鼠和人类老年阶段,大脑组织内C1q水平会增加300倍。史蒂文斯等研究随后证明,阻断补体活性能避免老年动物认知功能和记忆力下降。

人类神经系统疾病也存在补体介导突触丢失过程。2016年1月,哈佛大学和MIT遗传学家史提芬麦卡罗报道,C1q蛋白的下游分子补体C4A基因可能是神经突触丢失和脑组织变薄的关键,是精神分裂症的特征改变。对64000人的基因组数据进行分析后发现,精神分裂症患者有一种版本的C4A基因表达活跃,史蒂文斯和麦卡罗与哈佛大学迈克尔•卡罗尔联合,采用小鼠C4A基因敲除小鼠,证明动物出生后突触修剪减少,研究结果发表在《自然》。格罗斯教授等认为,解释精神分裂症机制的这一研究是该领域的重要进展。

2016年2月,史蒂文斯在《科学》杂志上发表的论文证明,小胶质细胞过度激活是老年性痴呆早期神经突触丢失的原因。在几种能产生淀粉样蛋白小鼠,脑内补体C1q水平和小胶质细胞数量明显增加,这引起神经突触被过度修剪,导致认知功能障碍。这些特征和人类老年性痴呆症状出现在淀粉样沉淀形成前的表现一致。最近,史蒂文斯又和华盛顿大学罗宾·克莱因合作在《自然》发表论文,证明补体系统在西尼罗河病毒感染恢复过程中,小胶质细胞大量吞噬突触。这一发现对理解为什么患者感染病毒后出现长期记忆力下降。

这些关于补体C1q和神经发育和疾病关系的研究已经引起了医药公司的兴趣。2011年,巴尔教授联合创办的南旧金山生物科学公司Annexon是这一领域的佼佼者,史蒂文斯教授也是该公司的股东。根据动物试验结果,阻断C1q活性对多种神经退行性和自身免疫性疾病有治疗作用。Annexon公司已经开发了一些可以结合和阻断补体活性的抗体药物,并计划2017年开展这些抗体药物对老年性痴呆、亨廷顿病和青光眼治疗的临床研究。最近发表在《科学转化医学》论文中,史蒂文斯教授用PET方法定量研究人脑神经突触的数量。给这种药物保护突触的治疗效果评价提供了重要技术手段。


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