出品:新浪科技《科学大家》 墨子沙龙

  谢晓亮:北京大学李兆基讲席教授,曾任哈佛Mallinckrodt讲席教授(2009-2018年),现任北京大学生物医学前沿创新中心主任,北京未来基因诊断高精尖创新中心主任。

  同学们,大家好!这是我回国以后第一次到中学演讲,但因为我的两个女儿两年前才中学毕业,所以我感到很亲切。以前墨子沙龙的讲座科普内容偏多,但这次既然让我面对中科大附中的同学们讲讲自己的求学经历,那我就从中学时代开始讲起。

  我的父母是北大化学系的老师,而我出生在北京大学校园里。从幼儿园、小学、中学一直到大学,我都在北大度过。在美国留学、工作30多年以后,我选择与燕园北大再续前缘。

  想必在座的同学里,很多人的父母是科技工作者,因而都算是“科二代”。你们可能会因为父母的言传身教而热爱科学,希望你们能够保持这种兴趣和好奇心。不是“科二代”的同学们也千万不要气馁,这点差距根本算不上什么,坚持才是胜利。马克思曾经说,在科学的道路上没有平坦的大路可走,只有那些在崎岖小路上不畏攀登的人们,才有希望达到光辉的顶点。

1978年与北大附中同学们在圆明园

  这是我跟我北大附中的同学们。高中时期,国家恢复了高考,回归正常的北大附中充满了浓厚的学术氛围;同时大家也多才多艺,爱好广泛。虽然当时我们和同学们现在一样,面临着巨大的升学压力,但我们还是忙里偷闲,组织了各种丰富多彩的课外活动。而我除了担任班长,还是班上排球队的主攻手,可以说我一直都是追求理想的人。

  高中时期我曾写过一篇名为《圆明园》的作文,被老师选为范文,不是因为我的文笔好,而是因为我以圆明园的景色比喻当时祖国百废待兴的状况,并憧憬改革开放将带来的美好未来。我从小就喜欢动手,做了很多飞机、轮船模型,以及半导体、收音机、音响之类的玩意儿,逐渐地培养起了对科学,特别是对实验科学的兴趣。正是在中学时期,我树立了当科学家的梦想。

  现在看来,这个梦想已经基本实现了。你们可能都听说过“钱学森之问”:为什么我们的学校总是培养不出杰出人才?有位北大的教授甚至说,凡是在中国接受过初等教育和大学教育的学生,将来都不可能成为原创性的科学家。

  但我看着现在的你们,还有我在北大的学生们,心中充满了希望:时代在进步,中国在发展,你们比我们当年营养好、个子高,还被鼓励要有个性、有自信。做原创性的工作一定要建立自信,而且要有挑战和被挑战的勇气。同学们,大家一定要勇敢的追求自己的梦想。

  1980年,我考上北大化学系,开始了大学生活。在北大,学术有至高无上的地位,而沉浸其中的我学到了各种知识,这使我一生受用不尽。然而在我看来,个人的命运与国家的沉浮息息相关。潜心专业之余,我最喜欢打排球,中国男排进军世界杯时,深受鼓舞的北大学子喊出了“团结起来,振兴中华”的口号。之后中国女排蝉联各项冠军,更激励了北大学子的爱国之心。对于最近的电影《夺冠》,有些人可能不理解为什么当时因为一场球,举国上下那么激动。郎平说的好,因为我们的内心还不够强大,等有一天我们的内心足够强大了,我们就不会把赢作为比赛的唯一标准。

  改革开放使我和许多同学得以出国留学。毕业那年,北大学子在国庆游行的时候,打出“小平您好”的横幅,那是我们发自内心的呼喊。看着这些黑白照片,同学们应该很难想象40年前中国是什么样子。

三十五周年国庆首都群众游行时,北大学生在游行队伍中打出横幅——“小平您好”

  每个时代都有它的挑战和机遇,我们比我们的父辈幸运得多,在国家改革开放中获得机遇。希望你们也能够勇敢的迎接当下时代给你们的挑战,同时一定要勇敢的抓住每一个机遇。

  1985年,23岁的我来到加州大学圣地亚哥分校,攻读物理化学博士学位。研究生一年级考完最后一门的时候,我心想终于解放了,从今以后再也不会考试了。但是没乐多久我就发现,这仅仅意味着考试生涯的结束,自学过程才刚刚开始,之后要面临更严峻的考验。事业的成功、梦想的实现,要靠自己不断学习,探索未知来实现。

  顺便说一下,这是我的研究生导师John Simon。我是他的第二个学生,他是一个非常好的实验科学家。每次我的激光器调不出来预想的结果时,John总能力挽狂澜,奋战好几个小时之后最终调出理想的结果。他的这些经验无法言传,但我却从其身教中学到了很多。

Ph.D with John Simon in 1990

  后来我在芝加哥大学做了一段短暂的博士后。然后作为第一位来自中国大陆的科学家,加入了在华盛顿州的美国太平洋西北国家实验室(Pacific Northwest National Laboratory,PNNL),开始了我的独立的科研生涯,从事单分子生物物理化学,特别是单分子酶学的工作。

  1998年,借助PNNL良好的条件和实验室在荧光显微技术上的积累,我和我的博士后路洪在《科学》(Science)杂志上,发表了首次利用荧光显微镜给单个酶分子成像,并且实时观测单个酶分子循环的生物化学反应动态过程的论文。这是一个具有突破性的工作。单分子的化学反应的发生是随机的,即化学反应等待的时间是随机的,而不像传统实验中的反应时间那样是可以推测的。而细胞中许多生物大分子,如DNA,以单分子的形式存在。所以能够在单分子的条件下观测化学反应,这为生命科学提供了全新的实验手段。

Lu, Xun & Xie, Science 282, 1877 (1998)

  这是我第一个重要工作,也是我第一次在《科学》杂志上发表文章。我记得很清楚,这篇文章发表时的那种不可言语的兴奋和激动,这就是做科学家的乐趣。从那以后,我又一次次的体验到这种科研带给我的独有幸福。

  由于这个工作,1999年我被评为哈佛大学化学与化学生物系的终身教授,成为改革开放后,哈佛大学引进的第一位来自中国大陆的终身教授。

  初到哈佛,我预感到单分子技术将在生物学中有重要的应用。我本科学化学,博士物理化学,虽然我在北大打下了很好的数理化基础,却没学过分子生物学,所以我决定从头学起。跟我实验室的学生们一起,旁听生物系的课。

  刚才我鼓励同学们勇于把握时代赋予你们的机会,科学的发展也是此起彼伏、变化莫测。还有很多科学家像我一样,把握住了生命科学的蓬勃发展的机遇和学科交叉的机遇。一个非常著名的例子,就是你们的校友、我在哈佛的同事和好朋友庄小威。她比我年轻10岁,当时我和系主任一起把她引进到我们系。

  提到生物学就不能不提达尔文,他的《物种起源》撕掉了生命的神学面纱,奠定了以“物竞天择,适者生存”为核心的进化论。人类并非神造,而是始于进化。与达尔文同时代的孟德尔揭示了遗传法则,可惜直到他去世以后,人们才意识到他的伟大。几年前,我曾有幸参观了孟德尔曾经工作过的修道院,这是他当年做实验的豌豆田,通过实验他证明每个豌豆都有两个等位基因,分别来自于上一代。

Gregor Mendel 1822-1884

  我们现在知道人类也有类似等位基因,在人体细胞的细胞核里有46条染色体,23条来自于父亲,23条来自于母亲。染色体的主要成分是遗传物质DNA。20世纪最伟大的生物学发现是Watson和Crick的DNA双螺旋结构, DNA有4种碱基——ATCG,A与T配对,C与G配对。简单地说,碱基ATCG排列的序列就决定了遗传信息,也就是基因。一个人体细胞的细胞核里这23对染色体,共有60亿对碱基,它们的DNA序列就是人类基因组,共包括2万个基因。

  自DNA发现以来,生物学的发展可以被概括为在分子和细胞的水平上来理解生命过程,生物学的发展一直被技术革命所驱动。比如说发现DNA用的X光,还有我待会要讲的DNA测序技术。按照分子生物学的中心法则,DNA携带的遗传信息用来在转录过程中,由转录酶产生信使RNA,接着在翻译过程中,由核糖体生成蛋白质。蛋白质是以氨基酸为基本单位的生物大分子,一共有20种氨基酸,手拉手的接下来形成链状大分子,折叠成蛋白质。蛋白质的合成是遵循遗传密码,三个DNA碱基决定一个氨基酸。这是20个氨基酸对应的碱基序列,所以DNA的序列和蛋白质的序列有着一一对应的关系。

  比如说抗体就是一种蛋白,它是抗体基因经过转录和翻译的产物。其实转录和翻译并不一定要在人体内进行,有了基因序列我们就可以利用转录酶和核糖体,在体外来生产抗体蛋白,这是抗体。

  2006年,经过三年的努力,我的两篇分子生物学方面的“处女作”,在《科学》和《自然》杂志上同时发表。文章首次报道了活体细菌细胞中的蛋白分子,一个一个被随机产生、实时观测,这使得我们可以定量的描述分子生物学的中心法则。这篇文章有很大的学术影响,在我当年旁听的课堂上,生物系的教授甚至开始用我们的工作来讲解基因的表达。所以这使得我进一步的意识到,在学科交叉的地方,新的物理和化学方法往往可以给生物学带来新的视角和新的发现。

  2006年我们这两篇文章发表以后,盖茨基金会开始邀请我申请资金,希望能用我们的新技术来研究一小部分肺结核的细菌细胞产生抗药性的原因。当时肺结核每年可以夺去数以百万计的非洲儿童的生命。第二年Bill Gates作为最成功的辍学者,被哈佛授予荣誉博士学位。

  我可不是鼓励大家退学。作为一个经历过中美高等院校的过来人,我想跟大家说的是,中学和大学的成绩好,并不保证以后就能成功,成绩不高的人将来说不定也会有大出息。要想成功,最关键的是要坚持、坚持、坚持、再坚持,相信自己的潜力,并且脚踏实地的付诸行动。

  回顾我的学术生涯,如果有机会从头做起的话,我希望自己可以更自信,更执着的去追求梦想。2003年我所在的生命科学领域有了一个里程碑的发展,人类基因组计划完成了,但当时测序的价格昂贵,高达30亿美金。后来出现了新一代测序仪,将测序的成本降为1000美元,这一技术革命使得个体化医疗成为可能。

  那时我带着孩子回国看奥运会,为中国金牌榜排名第一而喝彩。同时也深深感到要夺取科学技术的国际金牌,中国科学家们还任重道远。2010年,我和北大几位同事一起成立了生物动态光学成像中心(BIOPIC),从此我在哈佛和北大两地往返,后来我们中心改名为“生物医学前沿创新中心”,英文还叫BIOPIC,去年底刚庆祝10周年。在BIOPIC我们引领了一个新的技术革命——单细胞基因组学。

  话说个体医疗最有名的例子,是2013年 Angelina Jolie宣布切除乳腺,因为她携带一种有缺陷的BRCA1 基因,使得她有87%的几率患乳腺癌,50%的几率患卵巢癌。非常凑巧的是,那一天我正好在美国NIH开会,与一批专家讨论,如何让携带遗传基因的父母避免把致病基因传到下一代。由于那天早上的新闻,我发现很多问题,有技术问题、也有伦理问题。

  这要用到当时我实验室发明的一个新技术,就是单细胞基因组学。简单地说,只需要你给我一个人的细胞,我就能告诉你他的基因组。不但每个人的基因组不一样,每个细胞的基因组也不一样,因为基因组会随时间发生变化。但以前的技术不够灵敏和精准,无法让我们看到单细胞间的区别。而我们的技术可以均匀的放大单个人体细胞的全基因组,然后精准测序。所以单细胞测序技术在基础研究和临床医学中都有很重要的应用,特别是在生殖领域,因为精子、卵子和受精卵序列都不一样,而且后两个数量少,非常珍贵。

  这是陆思嘉(下图右下角), MALBAC技术的发明人之一,是我在哈佛的博士生。精子是个单倍体,有23条染色体,下图中红的是来自母亲的DNA,绿的是来自父亲的。红绿序列的差别,只在于千分之一的碱基差异。你和你旁边的人,相差就在这千分之一里。平均每个染色体都有一个红绿的交接点,但是位置不同。即每个精子细胞的序列是不同的,这解释了兄弟姐妹间的差异。

  我们第一次用MALBAC技术测定了单个精子细胞的基因组序列,后来我们也测了卵子的序列,卵子受精后成为受精卵,然后从一个细胞分裂成2个、4个、8个,5天后成为有几百个细胞的成熟的受精卵。中国是一个人口大国,遗传疾病患者很多,共有6000多种遗传疾病,我们已经知道它在基因组上的突变在什么地方。

  如果亲代携带疾病,那么按照孟德尔的遗传规律,单倍体的生殖细胞——精子或卵子,会有两种可能性,一个携带一个不携带,传到下一代的几率是50%。这是一个随机事件,但这事关生命。如果这个事件发生在一个豌豆上,或许并不重要,但是如果发生在一个携带致病基因的父母上,你可以想象他们的精神压力和经济负担。辅助生殖技术,就是要在试管婴儿的过程中,选择一个没有遗传疾病的受精卵植入母体,所以我们特别需要精准的单细胞基因测序技术,来测定受精卵的基因序列是否正常。

  之前单细胞测序技术的取样方法是用毛细管取出两个极体细胞,通过给极体细胞测序,可以推断这个受精卵是不是正常。后来用了最多的方法还是在第5天取出几个滋养层细胞。这个活检虽然成功率很高,但是是有创的。而我们最新的方法是无创的,只需检测培养液里受精卵排出的DNA,就可以推断受精卵是否正常。

  2014年,我们团队与北医三院的乔杰院长和北京大学的汤富酬教授合作,接手的第一个病人是一个多发性软骨瘤患者。从两岁开始,每两年就要做一次骨科的切除手术,患者非常痛苦,全身都是金属。病因完全是由于 EXT2基因上的一个点突变。通过血液的基因测序,我们知道这是从他父亲和爷爷那里来的,他太太是正常的,因此有50%的几率传到下一代。利用我们的技术,乔杰院长成功的使他们得到了一个健康的女婴。我们去看她的时候,她不仅没哭,还不断冲我笑。我当时觉得可能这是我这辈子做的最有意义的事情。这个女孩现在已经快7岁了,非常可爱。迄今为止,我们的技术已经为中国上千个家庭避免了多种单基因遗传疾病的后代传递。

  2018年我决定全职回到北大任教, 这不是一个简单的选择,但回过头来看,是一个幸运的选择。我们实验室刚刚步入正轨,新冠就发生了。它改变了我们的生活,也改变我们的轨迹。没有想到在过去的一年,我会集中精力在新冠的研究上。对付新冠,首先需要检测,由于有了新一代测序仪,中国科学家在短短几天内就测出了新冠病毒的基因序列,并公诸于世,为检测和治疗奠定了基础。相比之下,2003年人类基因组完成那一年,SARS爆发,SARS病毒序列是由一个加拿大的团队用了5个月的时间才测出来。第二是预防,目前很多新冠疫苗已经在全球开始接种,但疫苗只能起到预防的作用。第三是治疗,在全世界普遍接种有效疫苗之前,还会有大量的患者,虽然主要在国外。这些病人急需的是治疗药物。我们认为中和抗体是一种有效的药物,甚至是特效药,特别是对轻症和重症。

  什么是中和抗体?在化学上,酸碱可以中和;而病毒来了,人的免疫系统产生中和抗体,来阻止病毒感染细胞。中和抗体是血浆疗法的有效成分,血浆疗法在临床上卓有成效,但供不应求。因为治疗一个病人需要1200毫升多个康复期病人的血浆。我们的目标是在康复期病人的血液里,快速找到最好的中和抗体并在体外大量生产,作为药物代替血浆给病人注射。

  中和抗体是一种大分子药物,与小分子药物相比,它的特异性好,副作用小。新冠病毒是RNA病毒,中国科学家测出它的DNA序列以后,迅速解出了它表面冠状 S蛋白的结构,它是个三聚体,有三个受体结合域(RBD), 如下图中红色所示。后来又阐明了它如何与人的细胞膜上的ACE(一种受体蛋白)结合。而我们的中和抗体,也就是这些浅蓝色的蛋白,它可以结合到RBD上,阻止它们与ACE的结合,使病毒不能再进入人体细胞。这是我们中和抗体的冷冻电镜的结构。我们是怎么找到这个抗体呢?

  得知武汉封城的时候,我正在瑞士参加达沃斯世界经济论坛,作为北京未来基因诊断高精尖创新中心的主任,我意识到抗疫特别需要我们的专长——基因组学,于是马上改签航班回京。我和实验室的同事去年正月3号一起回到北京,然后就在一起讨论要为抗疫做些什么?

  一开始我们就是想做个试剂盒,后来在学习过程中我们意识到,我们擅长的单细胞基因组学,也许能帮助人们找到最好的中和抗体。这令我们非常兴奋,开始阅读文献、设计实验,四处借仪器、找试剂,同事们都非常给力,很快就万事俱备。2月2号我们去了北京佑安医院,金院长跟我们见面后立即同意合作,提供康复期病人的血样,还派了两位研究人员来我们中心接受培训。他们后来回到医院,在他们的P3实验室里,穿着非常笨重的防护服,在那里被隔离了快三个月。与此同时,我们在北大也夜以继日的工作。所以回想起那些日日夜夜,虽然有各种挑战,也有面对病毒的恐惧和实验失败的挫折,那确实是一段令人难忘的日子,大家心里充满了使命感和责任感,再苦再累也觉得值得。

  血液里的中和抗体种类繁多,直接去找它们就如同大海捞针,即使我们能捕捉到,数量也是微乎其微。所以我们要寻找的是产生中和抗体的B细胞——血液中的一种免疫细胞。B细胞在骨髓里产生,在成熟过程中它的基因组被重组。由于这个发现,日本科学家利根川进(Tonegawa Susumu)获得了1987年的诺贝尔奖。在这个染色体上有三个区域V(D)J:V有40个相似但不同的DNA序列,D有23个,J有6个。相当于V(D)J三副牌,基因组重组就要从这三幅牌里各抽出一张,这样可以产生大量的不同种类的抗体。除了V(D)J重组以外,还有碱基的点突变,使得最后 DNA的序列的种类多达10 11,为免疫系统提供了多样性。

  按照分子生物学的中心法则,基因表达这些Y形的抗体,就像有两把钳子来捕捉抗原,这个钳子的形状和抗原的结合强度,取决于 B细胞对应的 DNA序列。所以这里我要强调,我们之所以特别需要高通量的单细胞的测序技术,是因为每个B细胞通过V(D)J重组以后,产生的序列都不一样,它是一个特定的抗体蛋白。在这个B细胞在骨髓内成熟的过程中,它们的表面都有这个Y形的抗体分子,但它是结合到细胞膜上的,叫B细胞受体BCR。神奇的是,这1011种不同的序列表达的BCR,在抗原到来之前已经都存在了,一旦某一个抗原,例如一个新冠病毒,来了以后,与 BCR结合,那么这个细胞就得到了一个信号,开始活化、分裂,否则这个细胞不分裂。分裂之后,1个变成2个,2个变成4个,这种序列被富集。之后一部分变成浆细胞,它们分泌的抗体变成血液里的中和抗体。而另外一部分变成所谓记忆B细胞回到骨髓,形成长期的免疫记忆。

  为了找这个抗体,我们最感兴趣的还是记忆B细胞。因为我们可以把S蛋白或者RBD接到一个磁珠上,然后用磁铁吸引,可以把这些记忆B细胞分离出来,然后进行测序,测序以后进行体外表达。由于我们有很高的通量,因此可以筛出活性很高的抗体。

  这是所谓中和曲线,横轴是抗体的浓度,纵轴是抑制病毒的百分数,半抑制浓度是被抑制浓度达到50%的浓度值,反映药效。半抑制浓度越低,抗体活性越高,需要剂量越低。我们最好的抗体BD368-2半抑制浓度比我们和其他团队找到的其他抗体低出一两个数量级。这是因为他们是从60个康复期病人身上的8600个序列中筛出来的,这高通量提高了我们找到最好的中和抗体的几率。大家也许都知道特朗普注射了8克再生元公司生产的中和抗体,这是一个很高的剂量,之后他们又说2.4克就可以有同样效果。而普通癌症抗体治疗只用0.2克。而如果是2.4克的剂量, 药厂很难满足全球的需要, 而且普通患者也负担不起。所以我们需要更有效的中和抗体以降低剂量。

  最后我想谈一下中和抗体的配对,这是368-2抗体(蓝色)和604抗体(黄色)的冷冻电镜结构,它们在红色RBD上,结合位置完全不重合,所以一个RBD可以同时接BD-368-2和BD-604,从而完全阻断了病毒S蛋白与ACE2的结合。根据达尔文的适者生存的进化过程,当BD-368-2抗体单独存在的时候,病毒会发生突变,产生对368-2的抗药性,这是病毒生存的需要。同样的BD-604抗体单独存在的时候,病毒也会产生大量的突变,也会产生对604的抗药性。当两个抗体同时存在的时候,同时产生两个突变,使得抗体失效的几率就会大大减小,所以我们要这种配对的高效抗体。

  下图是世界上正在进行临床试验的所有中和抗体。丹序生物是我们在做的,在这里也披露一下,我们正在和百济神洲合作,在全球推进临床试验,包括澳大利亚、美国、巴西等国家。希望我们的药物能惠及全球。

  最后我想跟大家分享一个我们最近用单细胞基因组学在基础研究上的一个成果。我们首次测出了人的单细胞基因组的三维结构。如果说2003年人类基因组计划测出的是基因组的一维的序列,我们现在得到的是它在细胞核里的三维排布。23个染色体是从母亲来的,23个是从父亲来的,我们都能看到。它们不是像面条一样都缠在一起,而是每一个都先折叠起来,再通过相互作用连接在一起。这个非常重要,正如蛋白质的结构决定它们的功能,染色体的结构决定细胞的基因表达的调控的功能。我们发现不同的细胞种类,它的三维的结构是完全不一样的,比如癌症细胞的结构就跟正常细胞非常不一样。

  我们几个星期前在《细胞》杂志上发表文章,就是追随大脑发育的过程中,染色体的三维结构随时间的变化。这里的不同颜色是时间,它的结构一直在变,所以这里有非常重要的基础研究的信息。

  我还想跟同学们分享几点我多年的心得。

  第一,就像我刚才讲的,要相信自己,勇敢的追求自己的梦想。第二,必须不断学习,坚持开拓自我,勇于跨界。第三,只有蓄力深耕,才能厚积薄发。最后,时势造英雄,英雄造时势。个人的发展是跟国家命运、时代变革和科技趋势紧紧相关的。我的学术生涯就得益于国家改革开放、科教兴国和生命科学的发展。我也试图贡献自己的力量。作为一个科学家,我热爱自己的工作,因为工作赋予我挑战、责任和使命,同时也给我带来欣慰、满足和憧憬。

  我希望有更多的同学以科学为梦想,献身科学、造福人类。我们的国家比任何时候都更需要科学家,但不管你们今后决定做什么,希望同学们在最美好的年华打好基础,不忘振兴中华的重任,在未来的变局中创造更好的世界。


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