哈佛女神的學術傳奇

知識 08-26

哈佛女神的學術傳奇

編譯：孫學軍

導語

2010年，神經生物學家貝絲.史蒂文斯從技術員成功變身為明星科學家。39歲的史蒂文斯成為波士頓兒童醫院PI，同時也是哈佛大學教員。她已經擁有一個新組建的博士後研究團隊，曾和許多著名學者合作在CNS級別雜誌上發表多篇重要學術論文。

史蒂文斯教授也和許多年輕科學家一樣，曾經一直擔心自己的研究隨時可能會失敗。但她並沒有選擇那些安全可控的小項目，而是選擇了一個雄心勃勃的大項目。史蒂文斯幾年前在斯坦福大學博士後期間的研究奠定了現在的研究方向，是大腦和免疫系統相互作用，這一相互作用能決定正常大腦發育和大腦疾病發病的重要基礎。不過，現在這種研究的真正意義仍然無法確定。

史蒂文斯斯坦福大學博士後導師是本巴爾教授，史蒂文斯和巴爾教授猜想小膠質細胞能通過補體通路修剪神經突觸，這是神經組織正常發育的重要基礎。如果這種修剪過盛或不足，會導致突觸數量異常，引起神經發育異常或神經退行性疾病。此後，史蒂文斯的新發現一個接著一個，補體修剪突觸故事的細節也越來越清晰。

2016年，她在《科學》和《自然》雜誌上發表了多篇論文，是關於小膠質細胞補體通路和舞蹈症、老年性痴呆和西尼羅河病毒感染認知功能障礙關係等的研究。雖然有科學家認為這些研究不可能立刻轉化為治療方法，但補體滅活抗體治療青光眼等神經退行性疾病的臨床試驗2017年就可能開展。

金色捲髮喜歡運動的史蒂文斯擁有一雙純粹藍色的眼睛，犀利地能把玻璃杯從桌子上打下來。杜克大學神經科學家Cagla Eroglu曾經和史蒂文斯一起在斯坦福大學做博士後，對她的這些印象十分深刻。

史蒂文斯波士頓兒童醫院的實驗室有14個博士後、研究生和技術員，正在開展多個研究課題。一個小組正在尋找啟動補體系統的分子，另一個小組對小膠質細胞進行在體觀察，還有一個小組研究為什麼一些類型的突觸比其它類型更容易被修剪。加州大學舊金山分校神經科學家Eric Huang說，史蒂文斯這種多方向交叉的策略不僅能保持更好的產出，也方便尋找到更多新的研究方向。

一、生物學老師是科學引路人

1971年出生的史蒂文斯家鄉在麻省小城布羅克頓，爸爸是一個公共學校校長，媽媽是小學教師，父母的朋友多數都是教師。史蒂文斯小學和初中階段對科學並沒有興趣，高中快畢業時，她的生物學老師講自己在臨床微生物學實驗室的一些有趣故事，才開始讓她對科學產生了興趣。追隨生物老師為榜樣，她到西北大學醫院找到一份兼職工作。根據她的回憶，在這裡她最出彩的一次工作是幫助尋找一例食物中毒的病原菌來源，她確定是來自一根污染了李斯特菌的香腸。史蒂文斯原希望能成為內科醫生，但是她慢慢意識到自己對基礎科研更有興趣，她希望弄清楚疾病的發生機理。

二、學術人生，從技術員啟航

1993年，史蒂文斯大學畢業，根據她的愛好，大學裡教授建議她到NIH積累更多研究經驗。正好她的新婚丈夫在華盛頓特區獲得一份工作，她決定到附近馬里蘭NIH找工作。沒有到互聯網的時代，她每周都去看工作海報，廣泛投遞簡歷，幾個月後終於等到一個工作機會。兒童健康和人類發育研究所著名神經科學家道格拉斯-菲爾茲給史蒂文斯打電話，給了她一個技術員工作機會。雖然她當時還是一個菜鳥，但勤奮努力使她很快成為實驗室的管理員。

菲爾茲教授的研究興趣是神經活動對基因表達的影響，其中一種基因是粘附蛋白L1，這種分子能幫助少突膠質細胞包繞神經軸突形成髓鞘。史蒂文斯的任務就是在細胞培養皿中重建軸突形成髓鞘的過程，最終她獲得成功。菲爾茲教授把史蒂文斯列為2000年《科學》論文的共同作者，這是對一名技術員的崇高嘉獎。這一經歷也讓史蒂文斯對膠質細胞產生了濃厚興趣，長期以來膠質細胞被科學家認為是管家細胞，給神經元提供營養，協助緩衝和清除神經興奮釋放的離子和神經遞質。

史蒂文斯在菲爾茲實驗室工作同時攻讀了馬里蘭大學神經科學博士學位，博士畢業後返回菲爾茲教授實驗室繼續全職工作。此時史蒂文斯引起時任國家神經疾病和中風研究所所長斯托里·蘭迪斯的注意。蘭迪斯告訴史蒂文斯，應該繼續努力成為一個獨立的科學家，如果她希望去某個實驗室做博士後，他願意幫助推薦。

三、巴爾教授，名師出高徒

斯坦福大學醫學院神經生物學本巴爾教授是世界頂級膠質細胞研究學者，他邀請史蒂文斯加盟實驗室，史蒂文斯無法拒絕，因為這裡是她成就科學事業最理想的去處。激勵他人積極工作的方法有多種，愛能激發創造力，恐懼能驅動努力，工作本身也能產生動力。巴爾教授的手段是給手下提供充足的資源，及時合理的建議和正確的科研方向，並放手讓大家自己去拼搏。巴爾教授說，史蒂文斯有很好的科學天賦，她總是工作到深夜，似乎沒有假期周末的概念，她也善於活躍實驗室生活氣氛，給每個人組織生日集會。Eroglu說，有些人喜歡科學是因為享受挑戰，他們樂於享受科學帶來的痛苦。但是史蒂文斯不一樣，她是享受科學的快樂。

巴爾教授長期研究星形膠質細胞，這種大腦內的細胞能分泌影響神經元生長的化學分子。巴爾教授的博士後Karen Christopherson發現星形膠質細胞的另外一種重要功能。就是這種細胞能誘導神經元大量釋放一種補體分子C1q，補體是存在於正常人和動物血清與組織液中的一組經活化後具有酶活性的蛋白質，可輔助和補充特異性抗體，介導免疫溶菌、溶血作用，故稱為補體。補體是由30餘種可溶性蛋白、膜結合性蛋白和補體受體組成的多分子系統。

補體的典型作用是標記抗原和受損傷的細胞，讓免疫系統巨噬細胞能識別這些分子和細胞為垃圾成分。Christopherson的發現讓巴爾教授和史蒂文斯提出，補體也許在大腦發育過程中發揮關鍵作用，標記一些新產生的多餘突觸，修剪多餘突觸，保留有功能突觸，形成更理想的聯繫。如果補體C1q能發揮這種作用，缺乏這種蛋白的動物會出現神經發育異常。巴爾教授和史蒂文斯拿到C1q基因缺乏小鼠，對大腦深部的視覺丘腦進行觀察。

剛出生動物睜開眼睛前，視覺丘腦神經元會出現大規模的突觸修剪，結果是留下一個整齊有序的系統，大多數細胞只接收來自左或右眼的輸入信號。缺乏C1q的動物雖然沒有出現明顯的視覺異常，但是他們發現外側膝狀體核存在更多神經突觸聯繫，這說明C1q是突觸精準化調節的必要因素。這種蛋白在健康成年小鼠大腦內不存在說明它們只在大腦發育過程發揮作用。在一種青光眼小鼠模型中，這種疾病視網膜神經元會受損破壞。史蒂文斯研究發現動物眼睛內C1q水平比健康動物高許多。這一發現2007年在《細胞》發表，這是補體對大腦發育和功能作用的奠基性研究。

巴爾教授和史蒂文斯聯合斯坦福大學神經科學家David Prince研究證明，缺乏C1q的動物大腦皮層神經連接更多，但容易發生癲癇，存在記憶力差等認知功能缺陷。史蒂文斯等對出生後小鼠大腦內的變化進行研究，史蒂文斯的博士後Axel Nimmerjahn採用一個顱骨窗口記錄腦組織細胞的變化，結果發現小膠質細胞是發生最明顯改變的細胞。這些小膠質細胞繼續保持突起的延伸或收縮等激活特徵。史蒂文斯從沒有看到其它細胞如此有目的地運動。雖然她本來更喜歡星形膠質細胞，但星形細胞沒有出現這種動作。

許多學者過去所以不重視小膠質細胞，是因為在神經發育過程中小膠質細胞最後階段進入大腦。後來，紐約西奈山醫學院Miriam Merad證明小膠質細胞在胚胎很早就進入大腦。小膠質細胞也是腦內唯一表達C3受體的細胞，早期進入大腦也支持這些細胞在協助突觸發育的重要地位。這些研究都說明，小膠質細胞對突觸等發育過程能發揮重要作用。

四、抱定方向，初創輝煌

在巴爾教授實驗室完成博士後訓練後，史蒂文斯從波士頓兒童醫院獲得教職，她致力於對小膠質細胞修剪突觸的細節研究。科研獨立後遇到的第一個挑戰，是建立一種檢測方法，確定活體大腦內小膠質細胞能吞噬突觸碎片。史蒂文斯的第一個博士後是多麗謝弗，她利用巴爾教授和史蒂文斯過去研究外側膝狀體核使用的動物，這種動物來自一個眼睛的神經突觸為紅色，來自另一個眼睛的神經突觸為藍色，新的動物少突膠質細胞為綠色。研究就是在綠色小膠質細胞內看到紅色或藍色細胞碎片。在一個周六下午，第一個結果終於被捕捉到。

科學家早就知道，神經活動能強化突觸聯繫，神經活動減少能弱化神經突觸。史蒂文斯等預測，當神經突觸聯繫減少後，小膠質細胞會遠離突觸部位。為驗證假說，謝弗用藥物來激活或抑制小鼠一隻眼睛的神經活動。結果發現神經活動被抑制後，大量突觸被小膠質細胞修剪。採用小膠質細胞補體受體缺乏的動物，發現抑制神經元活動不能減少突觸數量，這種變化和C1q基因敲除的結果類似。

史蒂文斯和謝弗正準備投稿時，競爭對手德國海德堡的歐洲分子生物學實驗室科尼利厄斯格羅斯小組在《科學》發表了類似研究論文。格羅斯研究也證明了小膠質細胞在海馬神經突觸修剪中的關鍵作用，他們關注另外一個免疫相關分子fractalkine，這一研究將小膠質細胞從旁觀者推向大腦發育的執行者地位。缺乏這種蛋白受體的小鼠，神經元突觸連接成熟延遲。但是格羅斯教授小組並沒有提供突觸修剪的分子機制。史蒂文斯和謝弗很快在《神經元》發表了補體與突觸修剪作用的研究結果。

但格羅斯教授用挑釁的語氣說，經典補體系統參與抗原和死亡細胞的處理，這是不言而喻的結果。

其實到今天仍然沒有人明確證明小膠質細胞能在活體動物大腦內吞噬突觸，所有研究都屬於間接證據。從前後照片的對比可以看出小膠質細胞在突觸周圍遊動并吞噬突觸碎片。這些圖片結果不能區分是小膠質細胞偶然吞噬死亡神經元碎片，還是主動修剪多餘的神經突觸。現在已經是麻省大學醫學院助理教授謝弗博士認為，她將找到確認小膠質細胞修剪神經突觸過程的研究方法。

謝弗博士現在研究小鼠桶狀皮層，這個部位是動物鬍鬚的投射腦區。每個鬍鬚都可以精確識別到腦區，這樣給捕捉小膠質細胞吞噬突觸的過程增加了機會。

五、從生理到病理，科研產業兩不誤

在早期發育過程中，補體C1q神經元突觸適當形成的必要性已經被廣泛接受。現在研究發現，補體C1q與神經突觸的關係在生命晚期同樣發揮重要作用。巴爾教授曾經發現，在小鼠和人類老年階段，大腦組織內C1q水平會增加300倍。史蒂文斯等研究隨後證明，阻斷補體活性能避免老年動物認知功能和記憶力下降。

人類神經系統疾病也存在補體介導突觸丟失過程。2016年1月，哈佛大學和MIT遺傳學家史提芬麥卡羅報道，C1q蛋白的下游分子補體C4A基因可能是神經突觸丟失和腦組織變薄的關鍵，是精神分裂症的特徵改變。對64000人的基因組數據進行分析後發現，精神分裂症患者有一種版本的C4A基因表達活躍，史蒂文斯和麥卡羅與哈佛大學邁克爾?卡羅爾聯合，採用小鼠C4A基因敲除小鼠，證明動物出生後突觸修剪減少，研究結果發表在《自然》。格羅斯教授等認為，解釋精神分裂症機制的這一研究是該領域的重要進展。

2016年2月，史蒂文斯在《科學》雜誌上發表的論文證明，小膠質細胞過度激活是老年性痴呆早期神經突觸丟失的原因。在幾種能產生澱粉樣蛋白小鼠，腦內補體C1q水平和小膠質細胞數量明顯增加，這引起神經突觸被過度修剪，導致認知功能障礙。這些特徵和人類老年性痴呆癥狀出現在澱粉樣沉澱形成前的表現一致。最近，史蒂文斯又和華盛頓大學羅賓·克萊因合作在《自然》發表論文，證明補體系統在西尼羅河病毒感染恢復過程中，小膠質細胞大量吞噬突觸。這一發現對理解為什麼患者感染病毒後出現長期記憶力下降。

這些關於補體C1q和神經發育和疾病關係的研究已經引起了醫藥公司的興趣。2011年，巴爾教授聯合創辦的南舊金山生物科學公司Annexon是這一領域的佼佼者，史蒂文斯教授也是該公司的股東。根據動物試驗結果，阻斷C1q活性對多種神經退行性和自身免疫性疾病有治療作用。Annexon公司已經開發了一些可以結合和阻斷補體活性的抗體藥物，並計劃2017年開展這些抗體藥物對老年性痴呆、亨廷頓病和青光眼治療的臨床研究。最近發表在《科學轉化醫學》論文中，史蒂文斯教授用PET方法定量研究人腦神經突觸的數量。給這種藥物保護突觸的治療效果評價提供了重要技術手段。

http://www.sciencemag.org/news/2016/08/woman-may-know-secret-saving-brain-s-synapses

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