科學家跨領域合作，藥物治療白內障破題

《詩經?碩人》有云：「巧笑倩兮，美目盼兮」，中國人很早就有對眼睛之美的文藝描述。《紅樓夢》中賈寶玉說：「女孩兒未出嫁，是顆無價之寶珠；出了嫁，不知怎麼就變出許多不好的毛病來，雖是顆珠子，卻沒有光彩寶色，是顆死珠了；再老了，更變得不是珠子，竟是魚眼睛了。」 從「美目」到「魚眼」，人的眼睛究竟發生了什麼變化呢？

從科學的維度來看，其中一個重要因素就是眼睛的渾濁，這在大部分時候暗示了眼睛的病變，最典型的要數白內障。它在50歲以上的人群中發病率隨著年齡增長呈現近乎指數增長。導致白內障發生的因素很多，而目前最清楚的是遺傳突變和衰老。先天性白內障的發生率大約在萬分之一，其中約四分之一是由遺傳突變所導致。

面對這種看似無奈的眼部病變，科學家們有辦法使其逆轉嗎？

撰文/薛芳

近日，國內外多個研究組共同在《Nature》發表論文?，發現羊毛甾醇可以逆轉白內障中的晶狀體蛋白聚集，也就是「死魚眼」可以變成「美目」。《Nature》將該項重大發現列為「Nature Hot Topic」文章，並在當期的「News and Views」對這項進行了高度評價。同一天發表的《Science》評述中，MIT長期研究晶狀體蛋白的Jonathan King教授對這項研究給與了高度評價「This is a really comprehensive and compelling paper—the strongest I"ve seen of its kind in a decade」 （這是我在近十年中看過的這個領域中最系統和最令人信服的研究）。

晶狀體：明目的靶點

「眼睛是心靈的窗戶」。幾個世紀以來，人們對「心靈窗戶」的生理和病理研究一直保持著很高的興趣。高等動物的晶狀體是眼球屈光系統的重要組成部分，也是唯一具有調節能力的屈光器官。晶狀體的透明度、折射率和彈性是維持正常視力的重要保障。

十九世紀生理學大發展的時候人們就開始對晶狀體的獨特性質進行深入研究，並陸續闡明了晶狀體這一生物學「可變透鏡」的細胞和分子基礎：為了實現晶狀體的光學特性，高度分化的晶狀體沒有血管，成熟的晶狀體纖維細胞沒有細胞器，晶狀體也是高等動物體內含水最少、蛋白質濃度最高的組織之一。

晶狀體細胞內最主要的可溶蛋白組分是α-和β/γ-晶狀體蛋白家族的十幾種蛋白。這些晶狀體蛋白具有幾百毫克/毫升的高溶解度、高穩定性和對紫外輻射快速淬滅的能力。晶狀體蛋白在纖維細胞中的有序排列和分布保證晶狀體具有足夠的折射率和彈性。由於成熟的晶狀體纖維細胞中沒有蛋白質代謝相關的機器，這些晶狀體蛋白一旦生成將伴隨人的一生。

換句話說，如果透明的晶狀體內產生了阻礙可見光傳播的顆粒或沉澱，就會導致白內障的發生。

該項研究的通訊作者之一閆永彬說：「近幾十年，關於白內障分子機制的研究有幾個重要節點：1963年鑒定出了第一個與白內障相關的遺傳改變在基因組上的定位區域；1974年克隆出了第一個晶狀體蛋白基因；1996年才鑒定出了第一個導致先天性白內障的晶狀體蛋白基因致病突變。」

「從1996年開始，人們已經發現了至少50多個基因的突變與白內障相關，其中約有一半的突變發生在晶狀體蛋白上。晶狀體蛋白是晶狀體中最主要的可溶蛋白組分。經過長期研究，人們認為高度可溶的晶狀體蛋白聚集是白內障發生的一個關鍵因素。我們過去多年的研究表明，各種白內障相關的物理、化學和遺傳因素引起晶狀體蛋白失穩的分子機制可能非常複雜和多樣化，但最終都會導致晶狀體蛋白的聚集。」閆永彬闡述。

白內障是人類最早認識的蛋白質聚集相關的疾病，早在1000多年前就有相關文字記載。18世紀中葉法國的Jacques Daviel開創了白內障手術摘除的現代方法，在近幾十年來，白內障的手術治療方法獲得了極大的發展。現代白內障手術主要是利用各種微創技術取出白內障的晶狀體，並植入人工晶體，我國的許多眼科醫生也在白內障的手術治療方案和人工晶體發展領域做出了很多貢獻。

蛋白質聚集除了與白內障密切相關以外，也與許多重大疾病相關。由於在熱力學上，蛋白質聚集的過程是一個近乎不可逆的過程，與蛋白質聚集相關的疾病現在都還沒有開發出特別好的臨床防治藥物。與其它眾多的蛋白質聚集相關疾病類似，尋找白內障防治的可靠藥物長期是一個難題。

逆轉：羊毛甾醇合成酶的發現

閆永彬研究組隸屬於膜生物學國家重點實驗室，一直從事蛋白質摺疊、錯誤摺疊和聚集的機制研究。在過去8年中，通過與國內外許多眼科醫生和科學家合作，他們已經合作鑒定了多個新的白內障相關遺傳突變，並對這些遺傳突變導致白內障的分子機制進行了系統研究。終於，在和張康教授的實驗室合作中，大家有了突破性的發現：羊毛甾醇可以使得動物渾濁的眼睛晶體體變得透明。

張康教授是美國著名的眼科醫生和科學家，他在哈佛大學和麻省理工學院獲得醫學博士和遺傳學博士，是美國加州大學聖地亞哥分校（UCSD） 基因組醫學研究所第一任所長，眼科學和人類遺傳學終身教授，他的研究領域包括遺傳學和幹細胞療法。他也是國家「千人計劃」入選者，是四川大學和北京大學的客座教授，長期與國內許多研究機構保持著密切的合作和學術交流。2006年，張康教授的研究組在《Science》發布文章，報道了黃斑變性的主要易感基因HTRA1，該發現入選了2006年《Science》的年度十大進展。

幾年前，張康教授的實驗室發現兩個先天性白內障的遺傳家系的致病突變都發生在羊毛甾醇合成酶（lanosterol synthase，LSS）上。LSS是膽固醇合成途徑中的一個關鍵限速酶，其產物羊毛甾醇是膽固醇合成中第一個環化的中間代謝產物。研究人員在這兩個遺傳家系中鑒定出了兩個發生在羊毛甾醇合成酶上的錯義突變W581R和G588S。

「發現LSS的這兩個錯義突變與白內障有關是非常重要的一步。已經鑒定的跟白內障有關的遺傳突變非常多，染色體上可能有五六十個區域都跟遺傳性性白內障的發生有關。發現新的基因與白內障的發生有關不僅對深入探索白內障的發生機制有意義，而且有助於理解這些基因在晶狀體結構和功能維持中的作用，從而有可能為發展白內障的防治策略提供新的思路。」閆永彬說。

張康教授實驗室的人類遺傳學分析很清晰地說明了LSS的兩個突變是這兩個家系先天性白內障的致病突變，但LSS的這兩個錯義突變是如何導致白內障的發生呢？膽固醇是細胞膜的固有成分，可以調節細胞膜的通透性和流動性，那麼這兩個突變是不是通過影響了膽固醇的合成從而改變了細胞膜的性質呢？研究人員利用生化、生物物理和細胞生物學實驗來探尋其背後的分子機制。

實驗結果顯示LSS的兩個遺傳突變都會極大降低它的酶活性，但並沒有導致LSS在細胞內形成聚集體，顯示白內障的發生不是來源於LSS本身的聚集。那麼，LSS突變是否會影響晶狀體蛋白的聚集過程呢？在三種不同細胞系中的實驗都表明，共表達的野生型LSS能夠抑制白內障相關的多種晶狀體蛋白突變體的聚集，但LSS突變體不具有這種能力。研究人員進一步發現LSS的這種逆轉聚集的能力來源於其酶活產物羊毛甾醇，而膽固醇並沒有這種能力。通過白內障動物模型的體外及體內試驗也表明羊毛甾醇作為滴眼劑可以顯著減輕動物的白內障。由於羊毛甾醇可以由人體內自身合成，在晶狀體中也廣泛存在，不會具有很大的細胞毒性。該項研究結果為進一步開發防治白內障的小分子藥物提供了新的策略和思路。

同時，該論文的結果還預示，在我們的細胞中可能存在著許多未知的維持蛋白質穩態的天然機制。如閆永彬教授所言：「白內障的發生有很多很多的原因，太多物理、化學和遺傳的原因都可以導致蛋白質不穩定從而聚集。羊毛甾醇的逆轉聚集能力是細胞維持蛋白質穩態的內在機制之一，但肯定不是唯一的一個。」

攻關：實驗室間的通力合作

談及為什麼能集結各方牛人來共同推出這麼一個成果，閆永彬說：「首先是張康教授發現了羊毛甾醇合成酶的遺傳突變，他具有很敏銳的洞察力和廣泛的知識面，知道解決分子機制是一個關鍵點， 於是他就想找能做白內障分子機制的研究組進行合作。碰巧最近幾年我們發表了比較多的遺傳突變導致先天性白內障的機制文章，然後他就通過我們發表的論文找到了我。我這些年一直想找尋細胞里維持蛋白質穩態的內在機制，聽到張康教授鑒定的這兩個LSS突變很興奮，因為這是我一直想找的東西。由於雙方實驗室具有明顯的優勢互補，這個題目又最大程度發揮了雙方實驗室的優勢，使得我們第一次見面就迅速確定了合作研究的大方向，這就是我們合作的契機。」

「我的實驗室是在細胞和蛋白水平上研究白內障的分子機制，相當於是在細胞里和體外的試管里建立了各種晶狀體蛋白的眾多突變體導致先天性白內障的模型。我們可以通過顯微鏡看到晶狀體蛋白的突變體在細胞里能形成很大的聚集體，也就可以看LSS和羊毛甾醇是不是可以把這些大聚集體變小和消失。我實驗室的博士後陳祥軍和碩士生胡麗丹通過大量的細胞實驗，在細胞中能清楚看到LSS和羊毛甾醇具有顯著的逆轉晶狀體蛋白聚集的能力。但只有細胞實驗還不能確定LSS和羊毛甾醇是直接還是間接作用於這些大的蛋白聚集體。要直接證明羊毛甾醇的逆轉聚集能力，我們需要在試管中的只含有晶狀體蛋白聚集體的系統中進行測試。於是我實驗室的博士後席藝博和碩士生曾聰明（Harry ChristiantoTjondro）表達提純了十幾種晶狀體蛋白的野生型和突變體，一一製備了它們的聚集體，並測試了羊毛甾醇的能力。蛋白水平的研究結果很雄辯地證明了羊毛甾醇具有直接解聚各種晶狀體蛋白聚集體的能力。在大概搞清楚了這個分子機制以後，張康教授的實驗室就迅速利用白內障的動物模型來測試羊毛甾醇滴眼液的效果，最終證明這個在細胞和蛋白上看到的分子機制在動物身上也是成立的。在動物模型中的驗證非常重要，因為這暗示在人體中也許具有同樣的分子機制。」閆永彬說。

通過閆永彬還原的整個過程可以看到，每個實驗室有自己的專長，比如UCSD/四川大學張康教授的實驗室擅長人類遺傳學和動物模型，清華大學閆永彬實驗室擅長的是細胞和蛋白水平的分子機制，中山大學劉奕志教授實驗室擅長臨床醫學，UCSD的張良方教授是納米藥物的專家等等。 該項研究涉及了臨床醫學、人類遺傳學、細胞生物學、生物物理、生物化學、納米藥物和動物模型等等跨度極大的學科領域，囊括了這許多個領域眾多研究人員的通力合作和刻苦攻關。

「由於時差的原因，我和張康教授每個星期都多次在我的半夜或者他的半夜打電話互相溝通最近的進展和討論進一步研究的方向。」 閆永彬說。該項成果的取得離不開這些研究組之間毫無保留地進行合作，第一時間交流研究結果以及在研究的過程中互相啟發和促進。該項研究也為國內外不同領域的研究人員合作攻關提供了一個很好的範式。