AI輔助冷凍電鏡解析纖毛結(jié)構(gòu)，浙大學(xué)者構(gòu)建候選致病基因庫(kù)，提供纖毛病研究新思路

纖毛是在真核細(xì)胞表面廣泛分布的一種細(xì)胞器，它賦予細(xì)胞運(yùn)動(dòng)和感知外界信號(hào)的能力。一個(gè)細(xì)胞可以有一根（如精子）或幾百根纖毛（如呼吸道上皮纖毛細(xì)胞），當(dāng)編碼纖毛成分的基因發(fā)生遺傳突變或纖毛結(jié)構(gòu)缺失時(shí)，通常會(huì)引發(fā)纖毛病。

纖毛病是一大類(lèi)遺傳病，發(fā)病率約為 1/1000，涉及因纖毛功能障礙引起的生殖不育、反復(fù)呼吸系統(tǒng)感染、內(nèi)臟異位等全身多器官異常。

長(zhǎng)久以來(lái)，纖毛病的臨床分子診斷和治療一直是難點(diǎn)所在。此前，傳統(tǒng)方法通過(guò)對(duì)臨床病例進(jìn)行基因測(cè)序及數(shù)據(jù)分析，可以鑒定出一些致病基因。但仍有大量致病基因未被發(fā)掘，且基因突變?nèi)绾我鹄w毛組裝和運(yùn)動(dòng)缺陷的機(jī)制尚不清楚。這些問(wèn)題的背后主要是纖毛作為一種大型細(xì)胞器，其具體分子組成和組裝機(jī)制尚未被完整解析。

浙江大學(xué)良渚實(shí)驗(yàn)室研究員桂淼專注于運(yùn)用冷凍電鏡和 AI 輔助原子建模明確纖毛類(lèi)細(xì)胞器核心骨架的分子組成、構(gòu)建候選致病基因庫(kù)并應(yīng)用于纖毛病診療等。這些工作建立了纖毛病研究的新范式，也對(duì)未來(lái)其他細(xì)胞器相關(guān)疾病的研究具有推廣意義。近期，憑借在該領(lǐng)域取得的突破性進(jìn)展，他入選了 2023 年度《麻省理工科技評(píng)論》中國(guó)區(qū)“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人”。

桂淼在北京大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院獲得生物物理學(xué)博士學(xué)位，后在清華大學(xué)和哈佛醫(yī)學(xué)院從事博士后研究工作，曾任哈佛醫(yī)學(xué)院生化與分子藥理系講師。加入浙江大學(xué)組建獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室后，重點(diǎn)關(guān)注纖毛的結(jié)構(gòu)蛋白組學(xué)和結(jié)構(gòu)遺傳學(xué)，由于纖毛與精子運(yùn)動(dòng)的緊密聯(lián)系，還拓展了生殖醫(yī)學(xué)這一新方向，希望利用在結(jié)構(gòu)生物學(xué)上的發(fā)現(xiàn)為不孕不育等問(wèn)題提供新見(jiàn)解。

構(gòu)建纖毛領(lǐng)域的“人類(lèi)基因組計(jì)劃”，指導(dǎo)纖毛病的臨床診治

“于我而言，利用冷凍電鏡解析和觀察生物體結(jié)構(gòu)這種直觀理解生命的方法很有意義，這激發(fā)了我的學(xué)習(xí)興趣，我非?？春美鋬鲭婄R在生物醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用。”桂淼回憶道。

他在結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域已深耕多年，并取得了多項(xiàng)重要進(jìn)展。博士期間，桂淼主要關(guān)注囊膜病毒表面糖蛋白的結(jié)構(gòu)，首次解析了 SARS-CoV-1 刺突蛋白及其與受體 ACE2 復(fù)合物結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了刺突受體結(jié)合域的多種構(gòu)象；還揭示了埃博拉病毒中和性抗體的作用機(jī)制。

后續(xù)，在海外留學(xué)期間，他進(jìn)一步擴(kuò)展了之前的工作，開(kāi)始重點(diǎn)關(guān)注細(xì)胞骨架和纖毛等方向。隨著對(duì)結(jié)構(gòu)生物學(xué)的深入理解，桂淼意識(shí)到冷凍電鏡有潛力挖掘細(xì)胞內(nèi)更多未知的奧秘。他開(kāi)始從結(jié)構(gòu)生物學(xué)視角出發(fā)、以蛋白質(zhì)為切入點(diǎn)，通過(guò)深度解析纖毛結(jié)構(gòu)，探索開(kāi)發(fā)纖毛病臨床診治的新方法。

“不過(guò)，要想真正實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)并不容易。不同于傳統(tǒng)單個(gè)生物分子的結(jié)構(gòu)解析，纖毛是真核細(xì)胞內(nèi)最大的分子機(jī)器之一，其分子組成極其復(fù)雜且未知?！惫痦嫡f(shuō)。

在此背景下，桂淼建立了一套基于冷凍電鏡結(jié)構(gòu)解析和 AI 結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的快速精準(zhǔn)蛋白質(zhì)鑒定和原子模型搭建方法，近乎完整解析了包含 400 萬(wàn)個(gè)原子的纖毛軸絲的三維結(jié)構(gòu)，并成功鑒定出超 200 種纖毛組成的蛋白質(zhì)，包括幾十種定位和功能未知的蛋白質(zhì)。

(Walton and Gui et al., Nature)

（來(lái)源：受訪者提供）

基于已解析的纖毛結(jié)構(gòu)，纖毛病的診治產(chǎn)生了新思路。他解釋道，“此前的診斷方法主要是從臨床出發(fā)自上而下鑒定致病基因，即從臨床病例出發(fā)，采用基因測(cè)序等手段篩選致病基因。我們的方法與此不同，在結(jié)構(gòu)解析時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)，組成纖毛的 200 多個(gè)蛋白質(zhì)中任何一個(gè)突變都可能導(dǎo)致纖毛相關(guān)疾病，并能基于結(jié)構(gòu)直觀理解其致病機(jī)制，這是一種自下而上發(fā)掘纖毛病致病基因的新思路?！?/span>

通過(guò)全面解析纖毛結(jié)構(gòu)，并結(jié)合生物學(xué)手段驗(yàn)證及整理致病基因，從而構(gòu)建比較完整的候選致病基因庫(kù)。在此基礎(chǔ)上，只需對(duì)病人進(jìn)行基因測(cè)序，篩查纖毛突變基因，如果突變?cè)谥虏』驇?kù)中即可以判斷是否該突變基因?qū)е铝思膊“l(fā)生。這大大簡(jiǎn)化了診斷過(guò)程，提高了纖毛病分子診斷的準(zhǔn)確性，也方便了臨床篩查。桂淼說(shuō)：“這種研究思路更加高效，并能直觀基于結(jié)構(gòu)闡明致病機(jī)制，也能為纖毛病的臨床診治提供更高效的方法?！?不過(guò)，他同時(shí)也指出，盡管理論上這些基因突變具有潛在致病性，但還需要結(jié)合臨床數(shù)據(jù)及生物學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這些基因突變與臨床癥狀的直接因果關(guān)系及其致病機(jī)制，以進(jìn)一步提高診療的準(zhǔn)確性。

目前，該致病基因庫(kù)已被公開(kāi)提供給國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究人員。桂淼表示，無(wú)論是應(yīng)用于基礎(chǔ)研究還是臨床篩查，基因庫(kù)都得到了廣泛的認(rèn)可和好評(píng)。這種新方法一方面可以幫助研究人員從原子水平理解纖毛的組裝和運(yùn)動(dòng)這些細(xì)胞生物學(xué)的基本問(wèn)題；另一方面建立了纖毛病研究的新范式，也被領(lǐng)域內(nèi)專家類(lèi)比為纖毛研究領(lǐng)域的“人類(lèi)基因組計(jì)劃”。

值得一提的是，桂淼和浙江大學(xué)的同事還依托浙江大學(xué)良渚實(shí)驗(yàn)室和醫(yī)學(xué)院附屬兒童醫(yī)院等優(yōu)秀的臨床和科研平臺(tái)，組成了集臨床醫(yī)生、細(xì)胞生物學(xué)家和結(jié)構(gòu)生物學(xué)家在內(nèi)的立體合作團(tuán)隊(duì)。該團(tuán)隊(duì)開(kāi)設(shè)了全國(guó)第一家纖毛病門(mén)診和科研平臺(tái)，希望進(jìn)一步提高纖毛的基礎(chǔ)和臨床研究。

“我們的終極目標(biāo)是基于結(jié)構(gòu)和功能研究深入挖掘男性弱精癥和原發(fā)性纖毛運(yùn)動(dòng)障礙等纖毛相關(guān)疾病的新致病基因和發(fā)病機(jī)制，并將這些研究范式推廣到其他系統(tǒng)，包括先天性侏儒癥和小頭癥等中心體相關(guān)疾病?！?/span>

“纖毛病研發(fā)還處于產(chǎn)業(yè)化早期階段”

纖毛病是由于纖毛功能異常或結(jié)構(gòu)缺陷引起的多系統(tǒng)遺傳性疾病，患者常會(huì)出現(xiàn)反復(fù)慢性呼吸道感染、腎臟疾病、心臟病、不孕癥等，嚴(yán)重時(shí)甚至危及生命。 

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前已發(fā)現(xiàn)超過(guò) 20 種纖毛病，還有更多纖毛相關(guān)疾病等待發(fā)掘。臨床的治療方法主要以緩解為主，還沒(méi)有獲批的相關(guān)療法可供患者使用。

（來(lái)源：Nature Reviews Molecular Cell Biology）

“事實(shí)上，治療纖毛病還存在多個(gè)難點(diǎn)，首先，纖毛病的癥狀很容易和其他疾病混淆，臨床診斷困難。另一方面，纖毛病的致病基因尚不完全清楚，致病機(jī)制復(fù)雜，這同樣對(duì)開(kāi)發(fā)藥物提出了挑戰(zhàn)?！惫痦嫡f(shuō)。

基因治療通過(guò)直接靶向操作遺傳物質(zhì)干預(yù)疾病的發(fā)生和發(fā)展，被視為從根本上治愈難治性和遺傳性疾病的有效手段。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，基因治療已經(jīng)取得了越來(lái)越多重要的進(jìn)展，多款基因藥物獲批上市。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從 2012 年僅有 1 款基因療法獲批，到僅 2023 年就有 5 款基因療法/基因編輯療法獲 FDA 批準(zhǔn)上市。預(yù)計(jì)未來(lái)十年，預(yù)計(jì)還將會(huì)有 40 多種新療法獲批。 

不過(guò)，桂淼指出，對(duì)于由單一基因突變引起的疾病，可以通過(guò)導(dǎo)入正?；蜻M(jìn)行基因治療，從而緩解疾病。然而，纖毛病涉及的基因種類(lèi)繁多，導(dǎo)致基因治療的藥物可能只能對(duì)某些特定的纖毛病患者群體有效。長(zhǎng)期來(lái)看，纖毛疾病需要更個(gè)性化的治療，實(shí)施難度較大，目前國(guó)外在該領(lǐng)域已有相關(guān)試驗(yàn)性的開(kāi)發(fā)。

公開(kāi)資料顯示，成立于 2015 年的 Recode Therapeutics 是一家 mRNA 和基因治療公司，專注于開(kāi)發(fā)針對(duì)原發(fā)性纖毛運(yùn)動(dòng)障礙和囊性纖維化等遺傳疾病的 mRNA 和基因療法。目前已開(kāi)發(fā)出 RCT1100 ，這是一種在研的 mRNA 吸入候選療法，用于治療由 DNAI1 （一編碼纖毛運(yùn)動(dòng)必需蛋白質(zhì)的基因）致病突變引起的原發(fā)性纖毛運(yùn)動(dòng)障礙，有望能夠恢復(fù)肺部纖毛功能，從根本上解決疾病。該療法已于今年 6 月獲得美國(guó) FDA 孤兒藥資格認(rèn)定。

桂淼進(jìn)一步提到，目前整個(gè)纖毛病領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化還處在早期階段，相比較而言，國(guó)內(nèi)的纖毛研究處于更早期階段，還有很多工作需要完成，不過(guò)相信未來(lái)我們能在纖毛病的診治上取得進(jìn)一步突破。此外，通過(guò)普及纖毛和纖毛病相關(guān)的科普知識(shí)，可以讓公眾和臨床醫(yī)生了解這類(lèi)疾病，早期發(fā)現(xiàn)和干預(yù)對(duì)控制疾病的進(jìn)展非常重要，也許不久的將來(lái)就等到了有藥可用的那天。