《自然》
從事分子生物學研究40餘年，付向東從未像今天一樣感到如此興奮——從一個完全基於興趣的科學問題出發，一步步「摸著石頭過河」，最終取得了重大突破。
這一科學突破，不但使他踏入了全新的「神經科學」領域，同時也將成為帕金森等神經退行性疾病患者的「福音」。
付向東是美國加州大學聖地牙哥分校細胞與分子醫學系教授，他的團隊歷時近15年，與合作者開創了一種「簡單」而有效的新方法，即僅通過抑制一種名為「PTB」的RNA結合蛋白，便可將大腦中星形膠質細胞高效地一步轉化為功能性神經元，重建受損的神經環路，這為治療神經退行疾病提供了一種強有力的臨床可行的方法。相關研究成果於6月25日作為《自然》雜誌封面文章發表。
科學突破的「前夜」：關鍵因子PTB
這是付向東團隊「十年磨一劍」的科學突破。
一切，都要從這個故事中的重要角色：一種名為「PTB」的RNA結合蛋白談起。
中科院生物物理研究所研究員、論文作者之一薛願超告訴《中國科學報》：PTB是一種可變剪接的抑制分子，具有調控RNA的穩定性、定位、選擇性RNA剪接等作用。
2009年，付向東和當時的博生生薛願超利用新技術CLIP-seq，在基因組水平認識了可變剪接調控蛋白PTB，且研究證實PTB是一個普遍表達的重要RNA結合蛋白，它聯結的是一個廣泛的調控網絡，在神經發育和腫瘤發生中有重要功能。
付向東告訴《中國科學報》，在研究過程中，他們還發現了PTB蛋白的一個重要特點，它在所有細胞中都有高表達，卻在神經細胞這樣的分化細胞中不表達。此外，在神經發育發生的過程，PTB蛋白的表達量由高到低。而PTB蛋白下調的同時會誘導另外的一個與PTB有同源性的剪切調節因子nPTB的表達。
然而，由於nPTB在成熟的神經元中難以被捕捉到，一個有效的辦法是用siRNA技術敲降PTB，從而誘導nPTB的上升，只是這一過程需要反覆執行，枯燥而低效。
隨後，薛願超探索出一種「省力」的辦法：利用shRNA技術建立了一個可長期敲降PTB的穩定細胞系。不過這同時卻帶來了「副作用」——細胞生長得太慢，甚至過幾天，細胞停止生長了。
他們百思不得其解，只好先讓細胞在培養皿中「自生自滅」。然而，幾周後，一個讓他們更加意外地「怪異」現象出現了：培養皿中原本「光滑」的細胞生出了很多「枝枝叉叉」，外觀像極了神經細胞。
直覺告訴付向東，這可能是一個重要的科學發現。隨後，他們立即又嘗試了不同種類的細胞，結果發現，僅僅抑制PTB蛋白，能將各種已分化的細胞（包括成纖維細胞）轉分化為神經元樣細胞，甚至功能性神經元。
「事實上，以如此簡單的方式，高效地產生神經元，讓我們大吃一驚。」付向東和薛願超很是驚喜。
上述研究成果分別已在《分子細胞》和《細胞》雜誌發表，均被認為是重要的科學新發現。
但此時，作為從事分子生物學研究的他們來說，還根本未想到在神經科學領域的應用。
做「減法」 原位再生神經元
已有研究表明，大腦特定神經元的大量丟失或死亡是導致神經退行性疾病的重要原因。近年來，人們普遍認為，再生醫學對於治療這些以細胞丟失為特徵的疾病有著巨大的希望。
薛願超告訴《中國科學報》，一直以來，人們一直在致力實現用胚胎幹細胞替代損失神經元，但其存在分化效率不高，無限增殖導致腫瘤產生等問題。
那麼，基於體細胞的可塑性，原位改變這些細胞使其直接轉分化為丟失的細胞將意義重大。然而，目前很少有研究能證明轉分化細胞能夠取代丟失的神經元，並重建內源性神經迴路。
正如前文所述，付向東團隊已證實，在體外實驗中，通過在細胞中人為操縱PTB的水平，可將許多不同類型的細胞轉分化為神經元。他們進一步思考：在體內是否也是這樣呢？同時，是否能重建受損的神經元迴路？
2013年，本研究第一作者、博士畢業於中科院生物物理所的錢浩加入付向東團隊作博士後，他受到過系統的神經科學的訓練，給研究團隊注入了新力量。
他們以大腦中最豐富、可塑性強的非神經元細胞「星形膠質細胞」作為轉分化對象，以帕金森病（帕金森病的病因是中腦黑質多巴胺神經元的丟失）作為疾病模型。
付向東表示，星形膠質細胞的特點是，當大腦受到神經損傷後，星形膠質細胞就會不斷增生，而後形成膠質「疤痕」從而繼續造成神經損傷。「如果我們把一部分增生的細胞變成神經元，即不會結疤又可補充丟失的神經元，實現『一箭雙鵰』的目的。」
他們設計了系統而嚴謹的實驗方案，先給小鼠右腦注射有毒性的多巴胺類似物6-OHDA「殺死」多巴胺神經元，使得老鼠出現了運動障礙等帕金森症狀。隨後，利用類腺病毒表達的RNA幹擾分子或反義寡核苷酸（ASOs）暫時抑制PTB的合成，並刺激星形膠質細胞轉化為神經元，對小鼠進行「治療」。
實驗表明，小鼠中腦內部分星形膠質細胞轉化為多巴胺神經元且逐漸成熟，轉分化效率高，數量增加了30%-35%。更重要的是，受損的神經通路也恢復了。
從小鼠的肢體運動和反應來看，經過治療的小鼠在單次治療後3個月內恢復正常。為了了解恢復能保持多久，研究人員對部分治療小鼠留出了2年（小鼠生命周期大約為2年左右）的觀察期，結果表明，修復的神經元為「終生痊癒」，並無反覆。
「實驗結果的確amazing，但你如何證明的確是轉化而成的新神經元直接起作用，使運動功能恢復，而非是它修復了別的東西後整體起的作用？」來自同行的評閱建議，讓付向東他們深受啟發。
隨後，他們採用了一種化學遺傳學方法進行測試驗證，即把一種特殊的受體hM4Di表達在新神經元上以響應「麻醉劑」（CNO，N-氧化氯氮平），讓新神經元暫時失去與其它神經元通訊的能力，中斷神經通路，但神經元並無損傷。
研究發現，不加「麻醉劑」的情況下，運動功能在3個月後都恢復了，而加了「麻醉劑」後，60分鐘內運動障礙重新出現，但過段時間麻醉效應消失後，運動功能再次恢復。
「這些研究數據提供了強有力的證據，表明的確是星形膠質細胞轉分化形成的新神經元在起作用。」付向東說。
全新策略帶來新希望
審稿人認為，該研究具有「革命性」的意義。
該研究的合作者、加州大學聖地牙哥分校傑出的神經科學教授威廉·莫布裡說，「這種治療神經退行性病變的全新策略給我們帶來了希望，即使那些處在疾病晚期的患者也有可能得到幫助。」
談及漫長的研究歷程，付向東深有感觸。他表示：真正原創性的科學研究有很多不可預見性，這項工作基本是「走一步看一步，最多往前看兩三步」；同時，來自不同領域的交流、同行的建議甚至批評，給了他們很多的啟發，「我們把所有的點評都看成前進的動力，來改進我們的研究。」
在付向東看來，研究並未結束。
「我們提供了一個作為疾病治療的全新的思路。但人的大腦比老鼠複雜得多，在人腦中神經元能不能長、能否重建受損的神經通路、是否會有副作用等一系列問題，還需要慢慢解決。」付向東期待著，這種方法能在不久的將來通過靈長類動物試驗、臨床試驗，真正成為帕金森等諸多神經退行性疾病的治療方法。
相關論文信息：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2388-4
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