NO.1567 新冠溯源、淀粉合成和神经元再生


你好,这里是罗胖精选。

今天是国庆假期的第六天。还是那句话:您假期还能坚持来学习,了不起。

今天,我特别要感谢的是王立铭老师。他的《巡山报告》栏目,每个月出一期,每月6号准时准点发布,定期帮助我们梳理刚刚发生的生命科学领域里的大事件。这件事,王立铭老师已经坚持整整两年半了。

这期《巡山报告》,让我们一起听听,王立铭老师是怎么说的。

你好,我是王立铭。

2021年10月6日,第32期《巡山报告》又和你见面了。你可能正在享受难得的国庆假期,在这里也要祝你节日愉快。

在刚刚过去的这个月里,有这么三件大事,我认为你值得关注。

新冠溯源新进展

从2019年年底至今,新冠病毒已经在人类世界快速传播了接近两年时间。正式确诊的感染人数已经突破2亿,实际感染的人数可能更是数倍于此。

在过去这两年时间里,围绕新冠病毒展开的科学研究也实实在在地取得了许多重要进展。但是,有一个非常重要的领域却一直没有取得特别理想的进展,那就是对新冠病毒源头的寻觅工作。

在新冠流行之初,中国科学家在鉴定出新冠病毒、测定了它的基因组序列之后,第一时间就通过基因组序列的比对,发现了几个新冠病毒的“近亲”,那是几种蝙蝠体内的冠状病毒。其中,序列最为接近的是中科院武汉病毒所石正丽研究员2013年采集并测定的蝙蝠病毒RaTG13。这是一种在云南省墨江通关镇的一个蝙蝠洞中发现的病毒,和新冠病毒基因序列的相似程度超过了96%。至今,它是人类发现的序列最为接近新冠病毒的天然病毒 [1]。

这个发现本身意义重大。蝙蝠是上千种病毒的天然宿主,其中很多病毒都具备入侵人类世界的潜在能力。2003年爆发的SARS病毒疫情、2012年爆发的MERS病毒疫情,天然源头应该都是蝙蝠。从序列的相似程度来看,“新冠病毒的天然源头是蝙蝠”这个结论,应该是非常可靠的 [2]。

但是,这里面也有一个问题——

RaTG13病毒的序列固然和新冠病毒高度相似,但在关键的刺突蛋白基因序列,特别是刺突蛋白的受体结合区域,相似程度却并不是很高。在病毒入侵人体细胞时,这个区域需要直接和人体细胞表面的ACE2蛋白质结合,两者丝丝入扣,病毒才能进入人体细胞。如果这个区域差别比较大的话,RaTG13病毒就不太可能直接感染人类了。

事实上,中国科学家也证明了,RaTG13病毒和人体ACE2蛋白的结合能力很弱,不太会感染实验室培养的人体细胞 [3]。这样一来,RaTG13病毒就不太可能是新冠病毒的直接源头。

当时,人们提出的一个比较有说服力的猜测是,也许在蝙蝠病毒和新冠病毒之间,还存在一种中间宿主动物。蝙蝠病毒先感染这种中间宿主动物,在它们的体内传播、变异和进化,然后才获得了入侵人类世界的能力。这也符合SARS病毒和MERS病毒的进化和传播规律。这两种病毒分别是以果子狸和骆驼这两种中间宿主为跳板,进入人类世界的。

如果真是这样的话,那么找到新冠病毒的中间宿主就非常关键了。因为只有找到这种动物,我们才能真正理解病毒的进化规律和传播链条,彻底切断新冠病毒向人类世界的输入源头。

但是,这项工作也没有取得明确的进展。人们已经发现,许多种动物确实能被新冠病毒感染,比如猫、狗、仓鼠、雪貂、兔子、鹿等等。但在这些案例里,更大的可能性是患病的人类把病毒传播给了这些动物,而不是这些动物把病毒传给了人类。目前,还没有发现哪种动物群体天然携带新冠病毒,并且能够持续地感染人。

中间宿主的挖掘工作肯定还需要继续。但在刚刚过去的这个月,一项新的科学发现提示了一个新的可能性。

2021年9月17日,来自法国巴斯德研究所、老挝巴斯德研究所和老挝国立大学的科研人员在预印本平台《Research Square》上提交了一篇论文 [4]。他们在老挝北部的洞穴中捕捉了600多只蝙蝠,搜集了1500多份蝙蝠的血液、唾液、排泄物样本,进行了冠状病毒测序,从中发现了多种和新冠病毒高度相似的蝙蝠冠状病毒。

特别值得注意的是其中两种。这两种蝙蝠病毒整体的基因组序列并没有比RaTG13更接近新冠,但它们刺突蛋白受体结合区域的相似度却大大高于RaTG13。具体来说,新冠病毒刺突蛋白受体结合区域中,有一段由17个氨基酸组成的片段和人体的ACE2蛋白直接接触。RaTG13病毒,只有11个氨基酸相同;而新发现的蝙蝠病毒中,相似程度高达16/17,仅有一个氨基酸的差别。

如此之高的相似性,意味着新发现的两种蝙蝠病毒也许可以直接感染人类。实际上研究者们也证明,用这些蝙蝠病毒的刺突蛋白组装出假病毒颗粒,确实就可以感染表面携带了ACE2的人体细胞。与此同时,这种假病毒的入侵还能被人体产生的新冠病毒中和抗体所阻断。

当然,这项研究测试的毕竟不是活蝙蝠病毒直接感染人体或者猴子,还不能做到板上钉钉地说明问题,但它确实提示了一个极大的可能性:

这些新冠病毒的近亲,不需要中间宿主,就可以直接从蝙蝠传播到人类。如果附近的居民或者游客进入过这些蝙蝠洞、和洞里的蝙蝠近距离接触,就可能带来一次跨物种的病毒传播。

这就为新冠病毒的可能来源提出了一个新的思路。也许,这种病毒并不需要像SARS或MERS病毒那样借助中间宿主作为跳板,就可以一步进入人类世界。

当然,平心而论,问题还远没有到盖棺论定的时候。

首先,我们很难马上说新冠病毒就起源于老挝北部的山洞,它的直接祖先就是这几种蝙蝠体内的病毒。

原因也很好理解。在世界上其他地方还生活着大量的蝙蝠,它们体内也存在大量不为人知的新病毒,不经过广泛的调查取证比较,我们很难说,到底哪里的蝙蝠体内的哪种病毒才是新冠病毒最可能的祖先。

还有,即便这项研究确实提示了一个可能性,就是蝙蝠体内的某种病毒也许可以直接跨越物种屏障感染人类,我们也还有一个更麻烦的问题没解决——

新冠病毒自从2019年12月首次被发现进入人类世界以来,似乎在第一时间就具备了在人类世界的强大生存能力。它的传播能力很强,传播还有很强的隐匿性(无症状感染者大量存在),这些都大大提高了疫情防控的难度。从逻辑上说,这有点不合常理。因为如果此前新冠病毒从未在人群中广泛传播,那它这种强大的生存能力是如何进化出来的呢?

针对这个问题,有一个阴谋论的解释:这种病毒是人工设计出来的。但其实恰恰相反,新冠病毒这种强大的人类世界生存能力,正好说明了它不可能是人工设计出来的。道理很简单。当前的人类科学,根本不知道怎么设计出一种“完美”病毒。实际上,在2021年7月16日,20多位中国科学家联名发表过一篇评论文章,就是从这个点出发反驳新冠病毒人工制造的猜测的 [5]。

对这种现象最合理的解释是:

2019年12月应该不是新冠病毒第一次进入人体。在此之前,它应该已经有多次小规模溢出到人类群体中的机会,并且在这种反复的尝试中,逐渐进化出了适于人类世界传播的生物学特征。在此之后,它才在某一个人员密集、适合传播的场合突然爆发。

这个解释也确实得到了一些零散数据的支持。比如在世界各地,在2019年12月新冠疫情首次大规模爆发之前,人们也陆续发现了不少疑似新冠的血液样本。

从某种程度上说,搞清楚新冠病毒在首次大爆发之前究竟经历了什么进化和传播过程,是一个比新冠病毒最初起源更重要的问题。考虑到自然界还潜伏着难以计数的未知病毒,它们当中一定有不少具备入侵人类世界的潜力。因此,搞清楚新冠病毒的进化和传播规律,将会帮助我们更好的预测和预防下一次传染病大爆发。

用二氧化碳合成淀粉

刚刚过去的这个月,有一项研究肯定刷爆了大家的朋友圈,简单来说就是“空气变馒头”的技术。

在2021年9月24日,来自中国科学院天津工业生物研究所的科学家在《科学》杂志发表论文,实现了在实验室条件下从二氧化碳到淀粉的人工合成途径 [6]。用二氧化碳生产淀粉,既能帮助实现碳中和,也能帮助解决粮食生产问题,所以这项研究引起了人们热烈的关注和讨论。

我的看法是,这确实是一项非常漂亮的研究,但很多外行的关心和夸奖,我觉得是彻底搞错了重点。

我们知道,把空气中的二氧化碳变成淀粉是绿色植物已经做了几亿年的工作,它还有个如雷贯耳的大名——光合作用。光合作用的过程非常复杂,咱们在这里没法详细展开,但如果追踪碳原子的流向,它主要可以分成三个阶段:

首先,用含有1个碳原子的分子,也就是二氧化碳,生产含有3个碳原子的分子,比如3-磷酸甘油醛;

然后,再用这些分子,去合成制造含有6个碳原子的葡萄糖;

最后,再用葡萄糖分子生产含有大量碳原子的淀粉。

简单来说,光合作用就是三个步骤——碳1到碳3;碳3到碳6;碳6到碳无穷。

第一步从碳1到碳3,可能是最难跨越的,也是光合作用中最复杂的环节。因为这一步需要消耗巨大的能量。具体来说,植物先要依靠叶绿体吸收太阳光的能量,用这个能量制造高能化学物质(比如ATP和NADPH),从而实现光能到化学能的转换。然后,再用这些高能化学物质捕获空气中很低浓度的二氧化碳,把它转换成碳3物质。

而后面两个步骤,碳3到碳6、碳6到碳无穷,是大家比较熟悉的生物化学反应的样子。在几种酶的催化下,利用ATP分子提供的能量就可以在常温下持续进行。

整体而言,尽管已经经历了亿万年的进化打磨,植物中整个过程的转换效率也并不高,大约就是5%上下。

有了这个背景铺垫,我们才好介绍这项新研究的具体内容:

研究者们也想实现碳1到3、3到6、6到无穷的合成步骤。但我们说了,第一步如果从二氧化碳出发,难度太大了,于是研究者们首先选用了一个比较现实的路径。他们希望从高能物质甲醇出发,这也是含有一个碳原子的化学物质,实现淀粉的合成。相当于把光合作用门槛最高的环节给规避过去。

但即便如此,这个合成路线也还是很困难的——

分别看的话,从碳1到碳3,从碳3到碳6,从碳6到碳无穷,科学家们都已经积累了大量的研究素材,数据库里就能找到不少现成的、可以直接用的合成路线。但问题是,这些反应之间并不总是能够融洽地相互配合。

比如,甲醇能够在甲醇脱氢酶的作用下变成甲醛,而甲醛在几个酶的催化下可以变成刚刚我们提到的碳3物质——3-磷酸甘油醛。但问题是,这两个反应如果放到一起,就会互相干扰,不能顺利地从碳1得到碳3。

因此,研究者们花费了大量的精力,首先选出大量的候选化学反应模块,然后用它们在三个合成步骤之间反复拼搭,最终才凑出了一个效率令人满意的合成路线。整条路线一共有10步由酶催化的化学反应构成。

在这之后,研究者们又继续在这条路线上优化。他们找到了这条路线的限速步骤,也就是反应最慢、拖慢了整体合成效率的几个环节,然后人工改造了负责这些环节的三个酶分子,最终将整体合成效率又提高了7.6倍。单单考虑淀粉的生成速度的话,这个人工反应体系的效率已经和植物合成淀粉类似了。

这当然已经是巨大的技术进步。它证明了,科学家们通过人工组装和修改反应路线图,能够在非生物条件下实现重要生物大分子的合成。

但事情还没完。我们刚刚也提到,光合作用里门槛最高、最复杂、耗能也最多的步骤,其实是捕获和固定空气中浓度很低的二氧化碳,把这种气态分子里的碳原子截留下来,用来合成碳3物质。而研究者们的合成起点是甲醇,等于是战略性地绕过了最难的步骤。

那有没有办法把这一步补上呢?

必须得说,人类已经做过很多尝试,但至今,还没有哪个办法能够接近生物体利用光能捕获二氧化碳的水平。其中一个相对接近的思路是这样的:

先用太阳能发电,再用电分解水产生氢气和氧气,然后把氢气和二氧化碳在高温高压下混合,生产甲醇。整个步骤虽然长得不像光合作用,但实现的目标是类似的,就是把太阳能转换成化学能,储存在甲醇内部。之后,甲醇可以直接燃烧供能,也可以作为化工原料使用。这个方法是2017年中科院大连化学物理所的科学家们开发的 [7],也被他们形象地叫作“液态阳光”,因为太阳能被储存到了液态的甲醇内部。

在我们这次介绍的工作中,研究者们就把两项研究拼接组合到了一起。用“液态阳光”技术生产甲醇,模拟了光合作用最难的第1步的一半;然后再用他们自己设计优化的合成路线,用甲醇制造淀粉,模拟了光合作用剩下的2.5步。这就是新闻标题“用空气做馒头”的来历。

在我看来,这项研究最核心的价值是,研究者们证明了,人类可以在实验室里人工地筛选、组装、设计和优化各种复杂的生物化学反应。

它既可以用来在实验室里模拟生物内部本来就有的某种能力,比如合成淀粉;未来,也可以用来优化这种能力,比如根据实验结果改造植物,更有效率地合成淀粉;甚至是创造生物体根本不具备的能力,比如开个脑洞的话,让植物生产塑料和橡胶也不是不行。因此,即便不考虑淀粉这个特别吸引眼球的因素,这项研究的价值仍然是很大的。

但说到“用空气做馒头”,可能就不是这项研究本身能解决的问题,甚至可能都不是一个特别有价值的方向了。

首先,空气中二氧化碳的浓度极低,人工的收集压缩本身就需要耗费大量的能量。要是单纯用来降低大气温室气体,或者用来制造价值更高的化学品,比如储能物质甲醇,也许是合适的;如果用来生产本就成本低廉的淀粉,实在是有点南辕北辙。

即便未来人类移民火星,那里的大气层几乎全部是二氧化碳,那大量合成甲醇以后,完全可以用甲醇直接培养酵母等微生物,直接拿微生物当食物,还是不需要用甲醇合成淀粉。

还有,如果未来真有一天,我们需要创造不依赖植物的粮食生产途径,那更合适的手段可能也是,把经过实验室验证和优化的合成路线重新放到微生物体内,让微生物帮助我们完成复杂物质的合成制造,效率可能还会进一步提高。

类似的例子就是,人类用细菌而不是纯化学合成的方法,帮助我们生产胰岛素。毕竟,我们可以直接把细菌改造成一个酶工厂,这样总比把每种酶单独提纯再组合起来有更高的效率。

围绕神经细胞转分化技术的争论

最后一项研究,初看起来其实是一项负面结果,但也有非同寻常的正面意义。

这项研究和神经细胞再生有关。我们知道,成年人的大脑中含有大约860亿个神经细胞,这是人类所有智慧、情感、行为的基础。正常情况下,成年人脑几乎不会产生新的神经细胞;相反,神经细胞的大量损失往往会导致严重疾病,比如帕金森氏症、阿尔茨海默症等。

针对这个麻烦,当前有一个探索方向,在基础研究和临床应用领域都非常重要,那就是,通过遗传学手段,把大脑中围绕着神经细胞、为神经细胞提供支持的所谓胶质细胞“转分化”成神经细胞,让它们紧急上岗,顶替损失掉的神经细胞发挥功能,延缓大脑病变。

在这个方向上,有两个明星分子:一个是NeuroD1,一个是Ptbp1。

这篇论文的主角NeuroD1是引导神经系统发育的重要基因,决定了神经细胞的成熟,而在成年哺乳动物脑内仅在神经细胞中表达。人们发现,如果强行提高NeuroD1基因的表达,也能将星形胶质细胞转分化成神经细胞。

另外一个分子Ptbp1在我们介绍过。当时,有两个实验前后脚报道:如果在小鼠大脑中人为降低Ptbp1蛋白质的活动,就可以将星形胶质细胞转分化成为神经细胞,也能因此改善帕金森氏症小鼠的运动机能。当然,我们当时巡山的重点是,两个实验室之间关于想法和数据所有权的争议问题,这里放下不表。

目前,围绕这两个“明星分子”,大量基础研究和临床探索都在进行中。

但就在2021年9月27日,来自美国德州大学西南医学中心的科学家们,在《细胞》杂志发表了一篇论文声称:这两个明星分子都不能真正引起神经细胞再生,过去人们观察到的现象,很可能只是实验操作带来的假象 [8]。

这项研究有很多重要的技术细节,咱们这里就不详细展开了。简单来说,之前人们研究的主要手段是这样的:

首先制造一个病毒(逆转录病毒retrovirus或腺相关病毒AAV),把它注射到动物大脑的某个位置。这个病毒进入大脑以后,会入侵感染注射部位附近的很多细胞。但这个病毒的基因序列经过了特殊设计,使得它按说只会在星形胶质细胞内部启动特定基因的表达,增强NeuroD1基因的功能,或者降低Ptbp1基因的功能。然后,人们过段时间解剖小鼠的大脑,观察这些被病毒感染过的、基因被定向操纵过的星形胶质细胞是不是能变成神经细胞。过去的观察确实发现,被病毒感染过的星形胶质细胞,很多确实变成神经细胞了。

新的研究中,研究者们对这个现象本身提出了挑战。他们怀疑的起点是:如果这个从星形胶质细胞向神经细胞转化的过程确实存在,那在小鼠大脑中,人们应该还会观察到不少正在转化过程中的“中间状态”细胞,但事实上,他们并未观察到这个结果。因此,研究者转而猜测,也许转分化本身并不存在?

这当然是个很大胆的猜测。但如果转分化过程根本没有发生,那么如何解释之前的研究中病毒感染过的星形胶质细胞确实变成了神经细胞呢?

研究者的猜测是,也许这是因为用于操纵基因的病毒自己出了问题,病毒在感染过程中出现了“泄露”,在不该活动的神经细胞内部活动了。这样一来,当人们观察到新生的神经细胞时,自然会认为它们是在病毒的影响下从星形胶质细胞变来的,但实际上,它们却可能本来就是神经细胞,只是被病毒错认为是星形胶质细胞而已。

这当然是个很微妙的推测,技术上也很难得到严格证明。但研究者们用了两个新的方法证明了自己的猜测。

第一个方法是,他们利用转基因小鼠,预先对几乎所有的星形胶质细胞进行了荧光标记。然后,再用原来那一套病毒感染的方法实现神经细胞转分化。结果发现,预先被标记过的星形胶质细胞都没有转分化,而所谓成功转分化的细胞,本来就不是星形胶质细胞。

第二个方法更巧妙,他们把一种特殊病毒注射到小鼠的脊髓部位,这些病毒能够跨越神经细胞之间的突触连接进入大脑。这样一来,小鼠大脑中被荧光标记的细胞就只能是神经细胞了。然后,他们再用原来那一套病毒感染的方法实现神经细胞转分化。结果发现,所谓成功转分化的细胞,都属于这些已经被预先标记过的细胞。也就是说,它们其实本来就是神经细胞。

两个实验一正一反,说明NeuroD1这个明星分子,无法实现大脑中星形胶质细胞向神经细胞的转化。曾经人们的观察发现,其实只是因为,为了操纵NeuroD1基因而使用的病毒,偷偷地在神经细胞而非星形胶质细胞里启动了。

与此同时,研究者们还测试了另一个明星分子Ptbp1,结果发现,操纵它也无法实现神经细胞的转分化。

这些负面结果说明,整个神经细胞转分化领域都面临严峻的挑战,哪些为真,哪些为假,哪些发现可能是假象,哪些成果还能推向临床,可能都需要严肃审视。

当然,平心而论,生物研究出现波折反复本身是非常正常的,因为我们研究的对象实在是太复杂、变量也太多了。

就拿这次介绍的研究为例,尽管我们上面讨论的研究提出了两条很直接的坚实证据,但领域内仍然存在不少目前数据还无法达成一致、无法合理解释的地方。

比如,如果根本无法实现神经细胞的转分化,那之前为什么人们观察到了小鼠疾病状况的改善呢?还有,为什么在体外培养的条件下转分化就可以进行呢?还有,被质疑方也发表论文,声称类似的问题主要是因为过高浓度的病毒感染影响了星形胶质细胞的状态所引起的,过高的病毒浓度可能确实会导致这种“泄露”表达,也可能会杀死新生的神经细胞。如果小心控制病毒浓度,那就仍然可以观察到NeuroD1基因的转分化效果 [9]。这又怎么理解?

此外,值得一提的是,2019年,也有来自日本的研究发现,NeuroD1也能将小胶质细胞(不同于星形胶质细胞的另外一种胶质细胞)诱导成神经元。

但据小道消息,最近来自复旦大学的科学家通过一系列实验,发现前人所看到的小胶质细胞到神经元转分化也是源自于病毒载体“泄露”所引起的假象。这篇研究论文将于近期在《神经元》杂志发表。这两项近期研究也共同印证了病毒工具在神经细胞转分化研究中的潜在问题。

这次巡山的目的,不是为了盖棺定论,而是为了提醒你,在研究生物体这个复杂系统的时候,在研究人类疾病甚至是试图治疗疾病的时候,需要非常小心地反复求证。任何过于简单化的实验操作和数据分析,可能都会带来严重的结果。

当然,科学探索过程中出现争议、怀疑和反复都是很正常的现象。我们需要允许和鼓励各方反复驳难、正本清源。但这里我觉得还是有一个底线问题需要注意:科学探索没有禁区,但如果一项技术存在这些广泛的争论和质疑,那么至少它需要首先理清这些争议,再考虑推向人体临床测试。

好了,这期《巡山报告》就到这里。下个月,我继续为你巡山。

参考资料

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-020-2012-7

[2]https://virologyj.biomedcentral.com/track/pdf/10.1186/s12985-015-0422-1.pdf

[3]https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0092-8674(21)00661-9

[4]https://www.researchsquare.com/article/rs-871965/v1

[5]https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11427-021-1972-1

[6]https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh4049

[7]https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.1701290

[8]https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0092867421010527

[9]https://www.nrronline.org/article.asp?issn=1673-5374;year=2021;volume=16;issue=4;spage=750;epage=756;aulast=Xiang