沃尔夫奖得主何川再发重磅研究：破译一个致癌关键突变
学术
科学
2024-10-30 08:00
上海
2023年，美国芝加哥大学教授何川因其在“RNA表观遗传学领域”的开创性贡献，与来自日本东京大学的Hiroaki Suga以及来自美国斯克利普斯研究所的Jeffery W. Kelly分享了该年度沃尔夫化学奖。由此，他也成为第9位获得沃尔夫奖的华人。
据何川讲，他进入遗传学领域是“半路出家”，并在突然之间对科研“开窍”了，在38岁那年，他提出了“RNA表观遗传学”，这也是生命科学前沿领域中为数不多的由华人科学家发现并引领的研究方向。
如今，何川团队在“RNA表观遗传学”研究基础上，首次从分子层面上解释了一个长期存在的谜题，即为什么很多癌症和其他疾病涉及TET2相关突变，并提出了一组新的治疗靶点。
2024年10月2日，芝加哥大学何川团队与得克萨斯大学圣安东尼奥健康科学中心徐明江团队合作，在Nature期刊发表了重磅研究论文，首次从分子层面上解释了一个长期存在的谜题，即为什么很多癌症和其他疾病涉及TET2相关突变，并提出了一组新的治疗靶点。民间有一句谚语，“龙生九子，个个不同”。众所周知，个体差异是由基因携带的遗传信息决定的。人体就像是一台精妙的机器，体内的细胞在不断分裂，遗传信息也在不断复制。1958年，DNA双螺旋的发现者之一——弗朗西斯·克里克（Francis Crick）提出了著名的“中心法则”，为遗传信息的传递构建了一个基本流程：DNA→RNA→蛋白质。根据这一法则，DNA作为基因模板，转录生成RNA，RNA再翻译为蛋白质。1970年，美国遗传学家、病毒学家Howard Temin和生物学家David Baltimore在一些病毒中发现了逆转录酶，并因此与意大利裔美国病毒学家Renato Dulbecco分享了1975年诺贝尔生理学或医学奖。这种酶可以将RNA逆转录成DNA，这为中心法则做出了重要补充，揭示了遗传信息并不只是单向流动，也可以从RNA→DNA进行逆向流动。细胞核内的DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA再经过包装、折叠打包成染色质，这一繁杂的工程中，勤恳的细胞就像流水线上的工人一样井然有序，倘若稍有差池，便会使得机体出现异常，某些异常就是我们口中的癌症。目前，临床上并无针对大多数癌症的特异性治疗方法，也无法给出很多癌症患者明确的病因。化疗药物如顺铂、紫杉醇，能够通过抑制肿瘤细胞正常分裂和增殖，最终使得肿瘤细胞凋亡，从而在临床一线得到广泛使用，但是从分子层面来说，很多化疗药物具体作用通路并不清晰。何川团队的这项最新研究，在分子层面找到了一类白血病的“闸门”，并明确了药物靶点，这有可能深刻改变临床上血液病肿瘤和其它相关疾病的治疗。
何川的研究涵盖了化学生物学、核酸化学、表观遗传学和RNA生物学，可谓是一个不折不扣的“跨界高手”。他先是1994年毕业于有着“千人一院士，百人一杰青”美誉的中国科学技术大学化学专业，接着前往麻省理工学院，师从Stephen J. Lippard从事无机化学研究。在无机化学领域待了一段时间后，何川觉得并不适合自己，于是便“浅尝辄止”。然后他转头到哈佛大学从事生物化学领域的相关研究，横冲直撞一番后，“一直没有找到真正有意义的研究方向”，最后在遗传学领域“半路出家”，成为提出“RNA表观遗传学”第一人。何川在遗传学领域“半路出家”，成为提出“RNA表观遗传学”第一人。 丨来源：Jason Smith/University of Chicago
“我刚转到生物化学领域的时候什么也不会，生物相关实验不会做，需要虚心请教他人。20世纪末当时跨专业的人比较少，现在跨领域的科研工作者很多。我觉得研究者的独立思考能力比研究者精通某一个领域的专业知识有时候更重要，你需要成为一个independent thinker。”何川向《返朴》表达了自己对“跨专业”的看法，“我是学化学出身，对分子层面的理解比较深刻，所以在生物领域里面研究化学修饰，还是比较有优势的。”在何川提出“RNA表观遗传学”概念之前，根据中心法则，许多科学家认为mRNA只不过是一个传递者，将细胞核中编码的遗传信息送往细胞质中的蛋白质工厂。学界普遍认为，DNA和组蛋白上的化学修饰可以调控细胞的基因表达。虽然RNA上有各种各样的化学修饰，但是囿于当时的技术条件，研究工具和思维定势，大家并不确定这些化学修饰可以起什么重要作用。2011年，何川团队发现，除了DNA和蛋白质的修饰，RNA的修饰也可能控制基因的表达。从那时起，何川团队意识到RNA甲基化修饰在打开和关闭基因的过程中起着根本性作用。紧接着，团队证实了这种新机制，即在一种酶的作用下，RNA甲基化是可逆的，这表明，基于RNA的基因调控系统确实存在。这一结论，开启了对基因表达的新认知。
明确RNA的修饰可以调控基因表达之后，何川团队将注意力转向了一个叫做TET2的基因。因为学界以往已经证实，15%-60%的不同白血病中能发现TET2或TET2相关基因IDH （突变抑制TET2）发生突变，但问题是没有人知道其中的机制——这极大地阻碍了寻找治疗方法。TET（ten-eleven-translocation protein，TET）家族，包括TET1、TET2、TET3，是调节DNA甲基化和去甲基化的重要酶类。多年来，研究人员一直在研究TET2对DNA的影响。2018年哥伦比亚大学王建龙团队的研究表明，染色质相关调控RNA（carRNA）上的N6-甲基腺苷（m6A）修饰作为RNA标记，在小鼠胚胎干细胞中调控逆转座子RNA稳定性和表达。何川意识到，原来大家一直找错了地方：TET2实际上可能通过影响RNA产生关键调控作用。已知TET2能够与RNA结合，并介导RNA的5-甲基胞嘧啶（m5C）的氧化。因此，研究团队推测，TET2可能通过影响car RNA上的m5C，通过与此前何川实验室发现的m6A类似的方式影响染色质开放性和基因表达。通过一系列实验，何川团队发现，TET2控制car RNA上的m5C的修饰，这种修饰会吸引一种叫做MBD6的蛋白质，而MBD6又会控制染色质的包装。当机体处于婴幼儿状态时，这个“闸门”是打开的，以便细胞内染色质更容易表达生长需要的基因，干细胞可以分化成其他类别的细胞。机体成年之后，TET2的作用部分关闭“闸门”。但如果这种约束力量消失，MBD6就会无约束促进基因表达，最终灾难会接踵而至。“如果TET2突变，就意味着这条通往癌症的通路被打开——尤其是在血液和脑细胞中，因为这条通路看起来与血液和大脑中的肿瘤关系非常密切”，何川说。研究团队进一步构建了TET2 KO（Knockout，敲除TET2基因）的K-562（慢性髓性白血病）和THP-1（急性单核细胞白血病）模型，并且在体外和小鼠模型中分别验证了MBD6敲低能够对TET2 KO细胞造成更明显的生长抑制。同样的，在白血病细胞系中，TET2缺失会导致carRNA中逆转座子表达变高，此效果同样会被MBD6敲低逆转。作为最终确认，该团队在培养皿中测试了人类白血病细胞。当研究小组去除细胞产生MBD6的能力时，仿佛拉动了约束的缰绳，TET2突变的白血病细胞生长被抑制。对于癌症研究人员来说，这一发现最令人兴奋的部分是它提供了一套全新的药物靶点。“我们希望能够从中研制出一个靶向的药物，选择性地摆脱癌细胞，”何川表示，他正在与芝加哥大学的波尔斯基创业与创新中心（Polsky Center for Entrepreneurship and Innovation）合作，成立一家初创公司来创造这种药物。
基于TET2的调控作用，何川团队未来要推进三个方面的工作：第一，根据白血病中由TET2调控的这条通路，接下来要协助工业界尽快把药物研发出来。药物研发有两个思路。TET2突变的后果分为早期和晚期，机体在早期并没有发生癌变，但是心脏病、中风、糖尿病和其他炎症性疾病的风险增加，70岁以上的成年人尤其高发，这种情况称为CHIP。此时患者没有表现出癌症，就无法也不需要用针对肿瘤的化疗，这时的思路是想办法消除这些突变细胞，防止继续发展成癌症。晚期已明确癌变之后，这时的思路是对这些决堤而出的癌细胞进行大面积消杀和抑制。第二，这一发现使科学家对染色质的理解发生了根本性的变化。以前我们只知道m6A的RNA甲基化形式会通过调控染色质构象影响基因表达，但是现在如果m5C的工作机制也是这样，则表明这是控制染色质和基因表达的一般机制，有第二个，就可以能有第三个、第四个、第五个RNA修饰。对此研究方向，何川充满信心。第三，一些实体肿瘤比如脑瘤，和TET2也脱不了干系，但是它可能是通过抑制TET2表达或TET2活性起作用的。“无论怎么样，就是把这道闸门搞坏了，这一块实体瘤的研究是比较有意思的，在医学上的意义也非常大。”对于青年人如何做好科研，何川结合自身经历现身说法，“无论是学生还是博后，做科研一是要讲求专注，只有专注才能把一件事做下来。欲速则不达，科研从来不是一蹴而就的事情。我花了很多年才找到自己适合的研究方向，你要做适合自己的研究，而不是做别人交代给你的研究。二是专注不等于埋头苦干，你也要保持思想开放，有很多其他挺有意思的东西，不是说你一定得去做，但是你得去了解。现代社会瞬息万变，一些新理念新技术不断涌现，我们需要保持开放的心态，去大胆尝试，学科与学科之间有很多奇妙的交叉点。”[1] https://mp.weixin.qq.com/s/nrGJCFuAqKFT7HUBt2NCLg
[2] https://www.nature.com/articles/s41586-024-07969-x[3] https://news.uchicago.edu/story/uchicago-scientists-decode-key-mutation-many-cancers
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