破譯人類疾病的密碼
——記上海“千人計劃”專家、復旦大學生命科學學院特聘教授鐘濤

本刊記者　黃 健

破譯人類疾病的密碼
——記上海“千人計劃”專家、復旦大學生命科學學院特聘教授鐘濤

本刊記者黃 健

2014年8月31日國際著名細胞生物學雜志《自然·細胞生物學》發表了復旦大學生命科學學院和遺傳工程國家重點實驗室鐘濤教授的最新研究成果——前列腺素信號通路能夠調控細胞纖毛生長和心臟左右不對稱發育。

科學家告訴我們：當beta細胞無法正常分泌胰島素時，我們會得糖尿病；當癌細胞停止與其相鄰細胞進行溝通時，它們忘記了停止分裂，因而導致腫瘤的形成；當神經細胞停止溝通時，我們會得神經退行性疾病……

細胞對周邊環境的感知和回應，以及與其他細胞之間的溝通，與我們的生命息息相關。因為我們人體內的細胞無時無刻都在溝通，所以當某一個溝通過程出錯時，身體就會出現病癥。細胞研究意義重大，故而，2013諾貝爾生理學或醫學獎頒布給了研究細胞“囊泡運輸”的三位科學家。

對細胞的研究，是分析細胞對健康和疾病影響關系的基礎，在這一片神秘的科學領域，無數科學家為之心馳神往，復旦大學生命科學學院遺傳工程國家重點實驗室的鐘濤教授也在享受這個發現的過程，并且樂此不疲。

揭示細胞纖毛的秘密

2014年8月31日，國際著名細胞生物學雜志《自然·細胞生物學》在線刊發了鐘濤研究團隊在心臟發育和細胞纖毛研究領域的重要發現：纖毛生長發育異常能夠引起人類多種相關疾病，如先天性心臟病、多囊腎、男性不育、纖毛不動綜合征等。

鐘濤在采訪中向記者解釋說，纖毛是以細胞微管為主體伸向細胞外能運動的突起，能自由擺動，廣泛分布于人體多種組織和器官的上皮細胞表面。纖毛在細胞生命活動的各個方面發揮著多種關鍵作用，不僅參與早期發育過程中胚胎與器官的不對稱性發育，還參與調控人體重要的生理功能及細胞內重要信號通路的轉導。因而，深入地探索纖毛的生成及調控機理對基礎生物學理論的發展和人類纖毛相關疾病的攻克有重要意義，有關的纖毛的研究也成為目前研究的熱點領域。

鐘濤研究團隊應用遺傳學、發育生物學和細胞生物學等現代生物學技術，闡明了前列腺素信號調控心臟發育和纖毛生長的重要作用——前列腺素信號通路能夠調控細胞纖毛生長和心臟左右不對稱發育。這不僅揭示了在胚胎形成和器官發育中前列腺素信號的重要性，而且有助于解密先天性心臟病和人類其他疾病的細胞分子病因。

這一發現，再次引起國內外生命科學界科學家們的驚嘆。鐘濤說，這項成果的取得是他們科研一以貫之的結果。

從2011年鐘濤回國在復旦大學組建了這支團隊開始，就以斑馬魚和人類細胞為模型進行這方面的研究。通過分析斑馬魚遺傳突變體leakytail，他們發現，斑馬魚leakytail（lkt）突變體顯示纖毛發生缺陷，lkt基因編碼了一種ATP結合盒轉運蛋白（ABCC4）。他們證實了Lkt/ABCC4定位到細胞膜上，負責輸出前列腺素E2（PGE2）， Lkt/ ABCC4的T804M突變則可破壞這一功能。研究團隊進一步發現，環氧合酶-1（cyclooxygenase-1）所合成的PGE2的G蛋白偶聯受體EP4定位在纖毛上，EP4經PGE2激活了環磷酸腺苷（Cyclic-AMP，cAMP）介導的信號級聯反應，這是纖毛形成和伸長的必要條件。裝配和維護纖毛都需要重要的轉運蛋白——細胞纖毛內轉運蛋白IFT。IFT具有正向轉運和逆向轉運功能，如果IFT蛋白發生缺陷，將會導致產生許多與纖毛相關的疾病。重要的是，在哺乳動物細胞中PGE2信號提高了IFT的順行而非逆行的速度，促進了纖毛發生，并最終調節心臟左右不對稱發育。

根據這些研究結果，鐘濤研究組提出，Lkt/ABCC4介導的PGE2信號通過纖毛上的G蛋白偶聯受體EP4來發揮作用，上調了cAMP合成，增加了順行IFT，由此促進了纖毛的發生。而LKT/ABCC4轉運蛋白缺失會造成心臟和其他內臟器官隨機性偏側等異常表型，證明了這些異常表型主要是由于胚胎發育時期細胞表面纖毛生長缺陷所引起。

前列腺素是一種具有多種生理作用的活性物質，能夠參與機體的炎癥反應、血管平滑肌舒張和收縮、腫瘤發展等多種生理和病理過程。他們在之前的研究中發現，前列腺素信號通過調控IFT蛋白影響了纖毛形成。這項最新成果首次把前列腺素信號通路與纖毛生長及器官發育相聯系。

鐘濤表示：“這是我們在基礎研究方面的成果，今后，我們課題組將在人類遺傳學領域和醫院心血管方面的醫生一起做相關研究，希望能有更大的突破。”

“心”路歷程

在國外求學和工作期間，鐘濤的科研一直瞄準模式生物發育和遺傳學研究，致力于心血管發育和器官發生的信號通路與生物學機制的研究，并有了很多獨創性的發現。

在血管研究方面，他揭示了動脈和靜脈內皮細胞分化的分子機理，并形成了動脈和靜脈分化的理論。這一基礎理論被美國經典大學教科書《Developmental Biology》（Scott Gilbert編著，2010年第九版）所采用。

2011年回國后，他率先發現誘導心肌細胞增殖更新的具有新型結構的先導化合物，并提出Wnt信號選擇性誘導心肌干細胞增殖的學說。作為首席科學家，鐘濤主持了科技部2013年國家重大科學研究計劃“心肌細胞分化增殖與心臟發育的調控機制”研究 。

在鐘濤看來，發育過程中器官發生和生長的調控機理是生命科學研究領域的基本科學問題，主要涉及從受精卵形成到器官生長發育的整個過程，包括精確的信號傳導和轉錄調控。同時，心臟是最早形成并發揮功能的重要器官，心臟正常發育與生長是保證心臟功能的重要基礎。其中，心肌細胞分化增殖是心臟生長發育的核心問題。

如果有信號分子的誘導，中胚層細胞就會向心臟祖細胞特化，隨后進一步分化為心肌細胞和內皮細胞；經過形態重塑和生長，形成具有特定形態、大小、功能的心臟。心臟發育異常往往導致胚胎死亡或先天性心臟病，這是世界范圍內嬰兒非感染性死亡的主要原因之一。另一方面，成人心肌肥厚、擴張及梗死等引起的各類心臟疾病，嚴重威脅人類生命健康。而心肌細胞增殖更新困難是導致上述心臟疾病難以治愈的關鍵障礙。因此，了解心肌細胞分化增殖的調控機制，不僅為揭示先心病致病機制提供理論基礎，而且為突破人類心肌細胞難以增殖再生的瓶頸提供線索，為發展心臟疾病防治策略做出貢獻。

鐘濤團隊取得的研究成果，可以顯著加深我們對心臟發育再生作用機理的理解和認識，推動我國心臟發育生物學和心臟再生科學的研究躋身世界前沿，為提高人類健康水平，促進心臟疾病治療策略的轉化應用奠定理論。

從冷泉港實驗室起步

上世紀90年代初，我國在基礎科學研究上與國外相比，有一定差距。想在學成后在科學上有所貢獻，當時的大學畢業生都會選擇去國外深造。1987年，從上海醫科大學（現復旦大學上海醫學院）畢業的鐘濤也不例外，選擇了出國深造這條路。

很幸運的是，1990年，鐘濤到了當時位于美國紐約的冷泉港實驗室，而當時實驗室主任是諾貝爾獎獲得者和DNA雙螺旋結構發現者沃森博士，他是分子遺傳學的奠基人。

美麗的冷泉港實驗室名列世界上影響最大的十大研究學院榜首，被稱為世界生命科學的圣地與分子生物學的搖籃，鐘濤的科學人生由此起步。鐘濤當時讀的是酵母遺傳學，“那段時間很努力，很辛苦，沒有休息時間。”那段求學經歷對鐘濤的影響很大，“不僅在基礎研究上得到鍛煉，而且因為那里也是國際上科學會議中心，能接觸到科學前沿”，每年暑假幾乎每周，都會在那里召開各種科學會議，邀請很多知名專家參加，實驗室對研究生很重視，會議都對他們開放。鐘濤直言，這種千載難逢的機會，讓他不僅可以了解前沿生物科學，而且還有機會與科學大家交流。

“做科研，不僅要自己努力，而且要方向正確，有生物學意義，才能在一定時間內取得成果。”鐘濤說自己很幸運，不僅在科學研究上打下堅實的基礎，更重要的是，科研視野也得到了拓寬。這段時期，不僅讓他能在課題上做深、有新意，而且對其他領域的基礎研究也有所涉獵。扎實的科學素養和基礎，讓他初嘗了成功的喜悅，鐘濤的第一篇博士論文發表在國際生物學頂級雜志《細胞》上，闡明了熱休克蛋白在細胞翻譯和細胞周期中的作用。這讓他堅定了在科學的道路上走下去的決心。

博士畢業后的鐘濤馬不停蹄地又趕往了他的下一站——美國哈佛醫學院心血管研究中心，開始了博士后研究。在這里，他從事斑馬魚心血管發育研究，開始走過從無脊椎動物到哺乳動物的橋梁。在這期間鐘濤用遺傳突變的科學手段發現了主動脈發育缺陷Gridlock（Grl）突變體，用定位克隆方法解密了Grl/Hey2基因，發現Grl/Hey2基因編碼一個新的bHLH蛋白；并證明Grl/Hey2在血液循環開始之前就表達于動脈內皮細胞而非靜脈細胞。從分子水平上證明動靜脈內皮細胞在血液循環建立之前就具有不同的生物特征，填補了血管研究領域的一項空白，發表在國際一流雜志《科學》上。鐘濤進一步應用細胞譜系跟蹤技術證明，動靜脈細胞特性在動靜脈形成之前已經獲得，并證明Notch/Grl信號調控動靜脈分化和穩態維持，發表在國際頂尖雜志《自然》上。此發現為洞悉人類心腦血管疾病易發生于動脈提供了理論基礎。

接著，鐘濤在范德堡（Vanderbilt）大學組建了自己的實驗室，帶領研究小組繼續從事心血管發育和功能的研究。胚胎發育過程中，器官通過細胞數量增加和細胞體積增大而達到最終的尺寸大小，但是，調控器官生長的潛在機理及與心臟發育相關疾病機制的關聯仍不清楚。鐘濤研究小組發現Grl/Hey2轉錄抑制因子和Gata5轉錄激活因子相互拮抗能夠精確控制心肌細胞增殖，從而調控心肌細胞數量和心臟大小。此研究成果為研究心肌肥大和房室間隔缺損等心臟疾病提供重要啟示。2010年，鐘濤研究小組發現在Hedgehog信號缺陷突變體中，血管內皮干細胞不能形成動脈祖細胞，而靜脈祖細胞成比例增加。這表明動脈祖細胞的發生和分化是通過Hedgehog信號壓制靜脈祖細胞的分化而實現。

建設科研孵化基地

從1990年赴美國紐約州立大學和紐約冷泉港研究所攻讀遺傳學博士，完成學業直至參加工作，鐘濤在國外待了20多年。“雖然科學無國界，可科學家有自己的國家，我從沒忘記自己是中國人”，濃厚的中國情結召喚了大批在基礎科研領域卓有所成的優秀科學家，回國貢獻自己的智慧。乘“千人計劃”的東風，鐘濤回到自己的母校復旦大學，希望在這里貢獻自己的力量。

早在2002年鐘濤還只是復旦大學特聘講座教授時，學校在心臟發育和功能方面的研究幾乎為零，他就開始引進了國外的先進技術，建立起斑馬魚養殖設備。這些前期的鋪墊和準備為他日后回國發展奠定了堅實的硬件基礎。

2011年，鐘濤正式回國后一鼓作氣，組建團隊，建設實驗室。“我的這支團隊，全部是我帶的博士后和博士研究生。”鐘濤在培養指導學生上傾注了很大精力。他告訴記者，生命科學實驗往往周期長，難度高，現在的學生往往沉不下心來踏踏實實做科研。所以，鐘濤不僅是科研中的導師，還充當了學生們思想上的輔導員。“我要讓研究生們對現在的研究課題和未來的工作充滿信心。”

在國外一流科研機構學習工作過的鐘濤有著與眾不同的培養方式。他認為，只有對生命科學有足夠的認識和沉淀，才能把握好自己的研究和前進方向。“很多學生剛開始研究生命科學，甫一接觸，很難提出正確的科學問題。需要經過一定時期訓練和知識積累才能提出問題和預測科學前沿。”他常常告訴學生，必須要站在前人肩膀上，仔細閱讀科學文獻。在研究中，鐘濤會事無巨細地觀察和指導每個學生的實驗設計和結果，直到學生有一定實驗成果。

因此，經過短短三年多的努力工作，鐘濤研究團隊就發現了調節細胞纖毛生長和心臟不對稱發育的一條新的信號分子通路和細胞生物學機制，《自然·細胞生物學》發表專題評論，認為“這項研究工作是前列腺素生理信號在發育領域的一個意想不到的重大發現”。

人人都希望自己健康常駐，在漫長的人類歷史中，這個問題只是一個廣義的社會學范疇的問題，人們很難將它當作一個醫學問題來看待。但在今天，生命科學的發展使之成為一個醫學問題，鐘濤耕耘在這片科研的沃土，也在為這個夢想而努力。“未來，我希望基礎研究的成果能應用到醫學臨床上，為人類疾病診療策略的轉化應用提供新思路。”科