復(fù)旦連發(fā)兩篇《自然》主刊！
▲魯伯塤教授和學(xué)生
亨廷頓?。ɑ蚍Q亨廷頓舞蹈癥）位列四大神經(jīng)退行性疾病之一，臨床表現(xiàn)為不自主的舞蹈樣動(dòng)作、認(rèn)知障礙、精神異常等癥狀。由于引起該病的變異亨廷頓蛋白（mHTT）生化活性未知，無法靶向，傳統(tǒng)依靠阻斷劑以阻斷致病蛋白活性的方法并不適用。近日，復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院魯伯塤與丁澦課題組（醫(yī)學(xué)神經(jīng)生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、腦科學(xué)教育部前沿科學(xué)中心）和復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院光科學(xué)與工程系費(fèi)義艷課題組（微納光子結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）等多學(xué)科團(tuán)隊(duì)通力合作，開創(chuàng)性地提出基于自噬小體綁定化合物（ATTEC）的藥物研發(fā)原創(chuàng)概念，并巧妙地通過基于化合物芯片和前沿光學(xué)方法的篩選，發(fā)現(xiàn)了特異性降低亨廷頓病致病蛋白的小分子化合物，有望為亨廷頓病的臨床治療帶來新曙光。北京時(shí)間10月31日凌晨，相關(guān)研究成果《HTT-LC3連接化合物對(duì)變異HTT蛋白的等位基因選擇性降低》（“Allele-selective Lowering of Mutant HTT Protein by HTT-LC3 Linker Compounds”）以長(zhǎng)文(Article)形式發(fā)表于《自然》（Nature）主刊。魯伯塤、費(fèi)義艷和丁澦為該論文通訊作者，復(fù)旦大學(xué)博士生李朝陽(yáng)、王岑、王紫英和朱成鋼為第一作者。該研究工作受到了國(guó)家自然科學(xué)基金委以及國(guó)家科技部等多個(gè)項(xiàng)目的資助。▍開辟新思路：“小分子膠水”助力細(xì)胞自噬“吞沒”致病蛋白既然運(yùn)用阻斷劑阻斷或抑制致病蛋白的傳統(tǒng)道路行不通，團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，著眼于駕馭細(xì)胞自噬這一細(xì)胞內(nèi)蛋白降解途徑以有效降低變異亨廷頓蛋白水平。在自噬過程中，關(guān)鍵蛋白LC3被脂化后聚合擴(kuò)增，形成膜結(jié)構(gòu)，并將蛋白、脂類、細(xì)胞器等降解目標(biāo)包裹于其中，形成完整的自噬小體（autophagosome），與溶酶體融合后，其中包裹的物質(zhì)得以降解。▲以致病蛋白mHTT為例，該細(xì)胞自噬過程簡(jiǎn)單示意圖
然而，自噬的降解功能強(qiáng)大，若自噬功能整體增強(qiáng)而缺乏特異性，會(huì)降解所有包裹進(jìn)自噬小體的蛋白，這樣一來，承擔(dān)著神經(jīng)保護(hù)功能的正常野生型亨廷頓蛋白以及其它發(fā)揮重要功能的蛋白也易被“誤吞”。傷敵一千，卻自損八百，并非理想之策。如何在排除野生型亨廷頓蛋白的情況下，特異性地綁定致病蛋白進(jìn)入自噬小體？團(tuán)隊(duì)設(shè)想發(fā)明一種小分子綁定化合物ATTEC （Autophagosome Tethering Compounds），或稱之為“小分子膠水”，能夠直瞄靶心，牢牢地將LC3及致病蛋白（或其他致病物質(zhì)）黏在一起，進(jìn)而將致病蛋白包裹進(jìn)入自噬小體進(jìn)行降解。同時(shí)，“小分子膠水”并不黏附野生型亨廷頓蛋白，使其得以安然無恙。經(jīng)過篩選、純化及系列細(xì)胞實(shí)驗(yàn)后，團(tuán)隊(duì)共獲四個(gè)符合要求的理想化合物。▲發(fā)光的小分子膠水連接了致病蛋白mHTT（藍(lán)色）和自噬小體蛋白（紫色），將其帶入自噬小體進(jìn)一步降解
至此，研究所得分子已具備滿足理想條件的理論可行性，而是否可適用于動(dòng)物細(xì)胞和人體細(xì)胞，通過給藥達(dá)到預(yù)期功效，則需進(jìn)一步研究驗(yàn)證。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這四個(gè)化合物在小鼠神經(jīng)元、亨廷頓病病人細(xì)胞以及亨廷頓病果蠅模型中，均可顯著降低變異亨廷頓蛋白水平，而對(duì)野生型亨廷頓蛋白水平幾乎沒有影響，且起效濃度在納摩爾級(jí)別（~10 nM）。更令團(tuán)隊(duì)感到驚喜的是，“這四種化合物中有至少兩種，可以跨過血腦屏障，并通過低劑量腹腔給藥直接降低亨廷頓病小鼠的大腦皮層及紋狀體的變異亨廷頓蛋白水平，而不影響腦組織中的野生型亨廷頓蛋白水平，也改善了疾病相關(guān)的表型，為亨廷頓病口服或注射藥物的研發(fā)提供了切入點(diǎn)?！濒敳畨_介紹道。▍學(xué)科新交叉：小分子芯片和光學(xué)檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)高通量篩選事實(shí)上，此類“小分子膠水”并不好找。若逐一對(duì)數(shù)千種化合物進(jìn)行細(xì)胞分析檢驗(yàn)，以從中甄別出符合理想性狀的幾種目標(biāo)分子，無疑如大海撈針，這也一度成為團(tuán)隊(duì)研究道路上的一大障礙。而信息科學(xué)與工程學(xué)院光科學(xué)與工程系費(fèi)義艷課題組的加盟則為“小分子膠水”的發(fā)現(xiàn)帶來了新的可能。該課題組發(fā)展了基于小分子芯片（Small Molecule Microarray, SMM）和免標(biāo)記斜入射光反射差（Oblique-Incidence Reflectivity Difference, OI-RD）技術(shù)的新型高通量藥物篩選平臺(tái)，能夠快速、靈敏、無標(biāo)記地從成千上萬(wàn)種小分子化合物中找到與靶標(biāo)蛋白結(jié)合的小分子。課題組將近四千種小分子化合物點(diǎn)樣于芯片上，當(dāng)靶標(biāo)蛋白流過時(shí)，若它能夠與固定在芯片上的特定小分子結(jié)合，則該位置的分子層厚度增加，這一微小變化即可被光學(xué)方法（斜入射光反射差技術(shù)）靈敏檢測(cè)。采用這種新型的藥物篩選方法，課題組共找到兩種小分子，它們既能夠與LC3蛋白結(jié)合，也能夠與變異亨廷頓蛋白結(jié)合，但不與野生型亨廷頓蛋白結(jié)合。通過對(duì)具有類似結(jié)構(gòu)的小分子化合物的檢測(cè)，共獲得四種可綁定LC3與變異亨廷頓蛋白的“小分子膠水”。▍應(yīng)用新前景：自噬小體綁定化合物打造藥物研發(fā)新概念團(tuán)隊(duì)決定打破砂鍋問到底，進(jìn)一步探究這些小分子化合物能夠區(qū)分變異亨廷頓蛋白與野生型亨廷頓蛋白的內(nèi)在機(jī)制。變異亨廷頓蛋白和正常蛋白結(jié)構(gòu)基本無異，唯一的差別就在于變異蛋白含有過長(zhǎng)的谷氨酰胺重復(fù)（polyQ）。而這些化合物之所以能夠“明辨忠奸”，正是因?yàn)槠淇蛇x擇性地結(jié)合變異亨廷頓蛋白所特有的過長(zhǎng)polyQ區(qū)域，根據(jù)這一特性對(duì)兩者予以區(qū)分。依據(jù)這一特性，團(tuán)隊(duì)意識(shí)到這些小分子化合物的用武之地也許遠(yuǎn)不止亨廷頓病這一種疾病。目前已知有九種polyQ疾病，都是由特定的含有過長(zhǎng)polyQ的突變蛋白所導(dǎo)致。脊髓小腦性共濟(jì)失調(diào)III型疾病就是一例，它是中國(guó)人群中發(fā)病率最高的polyQ疾病，臨床表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)障礙、無法維持軀體姿勢(shì)和平衡等，可伴有突眼、腱反射亢進(jìn)、面肌顫搐、肌痙攣等癥狀。團(tuán)隊(duì)利用復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院教授王堅(jiān)課題組孫一忞醫(yī)生提供的共濟(jì)失調(diào)III型病人細(xì)胞進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)這些化合物均可以有效降低引起該病的變異蛋白（polyQ長(zhǎng)度為74）水平，而不影響其野生型蛋白水平（polyQ長(zhǎng)度為27）。“這些化合物不僅可能對(duì)亨廷頓病的治療有效，也可能運(yùn)用于其它polyQ疾??；自噬小體綁定化合物（ATTEC）這一藥物研發(fā)新概念，也有望應(yīng)用于其它無法靶向的致病蛋白，甚至非蛋白的致病物質(zhì)?！闭劶俺晒磥響?yīng)用前景，魯伯塤充滿期待。神經(jīng)退行性疾病領(lǐng)域著名科學(xué)家Huda?Zoghbi（美國(guó)科學(xué)院院士、科學(xué)突破獎(jiǎng)（breakthrough prizes）獲得者）為該研究撰寫了專文評(píng)論，發(fā)表于Nature，正面評(píng)價(jià)推薦了此項(xiàng)研究。復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系張遠(yuǎn)波課題組取得二維高溫超導(dǎo)體研究進(jìn)展近日，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系、應(yīng)用表面物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張遠(yuǎn)波課題組及合作者在二維銅基超導(dǎo)體領(lǐng)域的研究取得進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)首次提供直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)，證明了二維極限下的單層銅基超導(dǎo)體具有和塊體銅基超導(dǎo)體相同的超導(dǎo)特性。北京時(shí)間10月31日凌晨，該項(xiàng)研究以《單層鉍鍶鈣銅氧中的高溫超導(dǎo)性》（“High-temperature superconductivity in monolayer?Bi2Sr2CaCu2O8+δ”）為題，以研究長(zhǎng)文形式在線發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）雜志主刊。▲張遠(yuǎn)波在實(shí)驗(yàn)室（攝于2012年）
復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授張遠(yuǎn)波，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系教授陳仙輝，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系博士生馬立國(guó)為論文共同通訊作者。物理學(xué)系博士后於逸駿，博士生馬立國(guó)，博士后蔡鵬為論文共同第一作者。美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室教授顧根大、博士鐘瑞丹為研究提供了實(shí)驗(yàn)所需的高質(zhì)量晶體，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授沈健和博士后葉存共同參與此項(xiàng)研究。1986年，物理學(xué)家J. Georg Bednorz和K. Alex Müller首次發(fā)現(xiàn)銅基高溫超導(dǎo)體，并在次年因該項(xiàng)工作被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。目前，在1個(gè)大氣壓下，銅基超導(dǎo)體的超導(dǎo)臨界溫度最高達(dá)134開爾文（-139℃），仍保持著常壓條件下超導(dǎo)臨界溫度的記錄。有意思的是，迄今合成的數(shù)十種銅基超導(dǎo)體雖組分彼此有別，超導(dǎo)臨界溫度也各不相同，卻都具有相似的層狀原子結(jié)構(gòu)：它們的核心結(jié)構(gòu)皆由銅氧面（由銅原子和氧原子構(gòu)成的原子平面）和由其它原子構(gòu)成的平面經(jīng)層層交替堆疊而成。為什么高溫超導(dǎo)體會(huì)紛紛選擇這一層狀結(jié)構(gòu)？面對(duì)這一謎題，人們至今沒有完整的認(rèn)識(shí)。由此，一個(gè)頗為有趣的問題被引出——如果將這些層狀銅基超導(dǎo)體減薄至二維極限，也即僅僅一個(gè)最小的完整結(jié)構(gòu)單元，其是否仍具備相同的高溫超導(dǎo)特性？帶著這樣的疑問，從一種具有代表性的銅基超導(dǎo)體鉍鍶鈣銅氧（Bi2Sr2CaCu2O8+δ，簡(jiǎn)稱Bi-2212）出發(fā)，張遠(yuǎn)波課題組開啟了一場(chǎng)在高溫超導(dǎo)體上尋找維度效應(yīng)的4年之旅。“不論是高溫超導(dǎo)態(tài)本身，還是與其有關(guān)的諸多關(guān)聯(lián)電子態(tài)，本質(zhì)上都是二維現(xiàn)象。”結(jié)合輸運(yùn)和掃描隧道顯微學(xué)及譜學(xué)數(shù)據(jù)，團(tuán)隊(duì)最終發(fā)現(xiàn)二維極限下的單層Bi-2212已具備高溫超導(dǎo)所需的一切因素。這一結(jié)論為高溫超導(dǎo)的二維理論模型，和既有高溫超導(dǎo)塊體材料表面研究的有效性提供了更加堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。▍探索對(duì)極不穩(wěn)定二維材料的研究方法在結(jié)論之外，該項(xiàng)工作對(duì)極不穩(wěn)定二維材料之研究方法的技術(shù)探索亦十分可貴，拓展了有關(guān)二維材料研究的視野。據(jù)成員回憶，團(tuán)隊(duì)通過使用經(jīng)氧等離子體處理的氧化硅作為襯底，成功地解理得到大面積單層（即半個(gè)原胞厚度的）Bi-2212單晶，卻在對(duì)單層樣品的研究上遭遇瓶頸，不得不展開一場(chǎng)“攻堅(jiān)戰(zhàn)”。原來，一般認(rèn)為塊體的Bi-2212在大氣環(huán)境下非常穩(wěn)定，而實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)單層Bi-2212卻是一種對(duì)大氣及環(huán)境溫度極其敏感的材料：痕量的水就會(huì)完全破壞其晶體結(jié)構(gòu)，使其不可逆地變質(zhì)；而略微的加熱就會(huì)使其結(jié)構(gòu)中用來提供超導(dǎo)所需的載流子的間隙氧揮發(fā)逃離晶體。在當(dāng)時(shí)所有可用的微納加工手段下，樣品都會(huì)不可避免地經(jīng)過液相化學(xué)環(huán)境，或經(jīng)歷不同程度的加熱，想要得到由本征單層Bi-2212晶體構(gòu)成的器件成了一件一時(shí)無從談起的事。面對(duì)這樣的困難，團(tuán)隊(duì)的選擇，是歷時(shí)1年多的不斷試錯(cuò)。最終，一套制備單層Bi-2212輸運(yùn)器件的完整方案走向成熟：所有的制備都在零下40℃的惰性氣體環(huán)境中完成；在電極的制備過程中，果斷摒棄了可能造成失氧的常規(guī)真空鍍膜技術(shù)，自主開發(fā)微電極冷焊技術(shù)，將銦/金箔電極在低溫下直接與薄層樣品接合。利用這一方案，單層Bi-2212單晶中的高質(zhì)量超導(dǎo)轉(zhuǎn)變第一次展現(xiàn)在團(tuán)隊(duì)眼前。在測(cè)量過程中，團(tuán)隊(duì)又通過對(duì)單層樣品進(jìn)行原位的退火調(diào)控其載流子濃度，在單層樣品中得到相圖，完美復(fù)現(xiàn)了塊體材料的相圖。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，單層Bi-2212在最佳摻雜狀態(tài)下的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度與塊體材料的數(shù)據(jù)相比幾乎完全一致，差別在實(shí)驗(yàn)誤差范圍之內(nèi)。在充分理解了單層Bi-2212的變質(zhì)機(jī)制后，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步對(duì)單層銅基超導(dǎo)體進(jìn)行了掃描隧道顯微學(xué)和譜學(xué)研究，而這同樣并非易事。掃描隧道顯微鏡對(duì)于樣品質(zhì)量的要求非?？量?，為此，團(tuán)隊(duì)對(duì)已有實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了改裝和升級(jí)，將單層樣品的制備工藝拓展到超高真空環(huán)境中，使樣品質(zhì)量得到了進(jìn)一步提升。對(duì)掃描隧道顯微鏡得到的高質(zhì)量拓?fù)湫蚊矓?shù)據(jù)及空間分辨的能譜數(shù)據(jù)的分析表明，單層Bi-2212相圖中的超導(dǎo)態(tài)、贗能隙態(tài)、電荷密度波態(tài)、以及模特絕緣態(tài)也都和塊體行為保持一致。▲掃描隧道顯微鏡下的單層Bi-2212
來源：復(fù)旦大學(xué)
本文系作者 @TIMEDOO 原創(chuàng)發(fā)布在 肽度TIMEDOO。未經(jīng)許可，禁止轉(zhuǎn)載。
