2018-07-28 15:15:24 復旦大學

7月18日《自然》（Nature）發表了復旦大學生物醫學研究院施揚/石雨江教授團隊的重大科研成果《葡萄糖通過AMPK介導的對TET2蛋白的磷酸化調控揭示了糖尿病與癌症內在關聯的新通路》（“Glucose-regulated phosphorylation of TET2 by AMPK reveals a pathway linking diabetes to cancer”）。

7月20日《科學》（Science）發表了復旦大學環境科學與工程系王琳教授團隊的重大科研成果《中國典型超大城市的硫酸-二甲胺大氣新粒子形成事件》（“Atmospheric New Particle Formation from Sulfuric Acid and Amines in a Chinese Megacity”）。

復旦科研團隊攻堅其專業領域的世界難題，一步一個腳印，探索未知。點亮未來

復旦大學石雨江團隊揭示糖尿病與癌症之間新通路

“ 近年來臨床研究發現，糖尿病患者患癌症的比率已明顯高於非糖尿病患者，而治療糖尿病的藥物二甲雙胍也在降低癌症風險上展現出優良成效。在糖尿病和癌症這兩種疾病之間，是否存在著某種仍未被科學研究發現的聯繫？為何防治糖尿病的藥物二甲雙胍也能夠在預防癌症的舞臺上大顯身手？ ”

7月18日《自然》（Nature）雜誌在線發表了復旦大學生物醫學研究院施揚/石雨江教授團隊的重大科研成果。這篇以《葡萄糖通過AMPK介導的對TET2蛋白的磷酸化調控揭示了糖尿病與癌症內在關聯的新通路》（“Glucose-regulated phosphorylation of TET2 by AMPK reveals a pathway linking diabetes to cancer”）為題的論文，對以上問題作出瞭解答。

該課題由復旦大學、復旦大學附屬中山醫院及哈佛佈雷根醫院合作完成。復旦大學分時特聘教授、哈佛大學副教授石雨江為論文通訊作者；康奈爾大學在讀博士、哈佛大學研究員吳鏑和復旦大學-哈佛大學聯合培養博士胡笛承擔了大部分工作，與復旦大學博士、哈佛大學醫學院博士後陳浩，以及復旦大學附屬中山醫院肝臟外科主任醫師、哈佛大學高級訪問學者施國明為共同第一作者；此外，復旦大學分時特聘教授施揚、附屬中山醫院院長樊嘉及生物醫學研究院執行院長徐國良也對課題給予了大力支持和指導。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-018-03

發現新通路：糖尿病患者為何更易患癌症？

直至今日，癌症依然是令人談之色變的疾病。學者們前赴後繼地投入到與癌症相關的研究中，而真正行之有效的應對辦法始終難以滿足人類對健康越來越突出的需求。究其根源，導致癌症的原因有許多。除了為眾人所熟知的DNA序列突變與基因遺傳，還有許多來自於基因密碼之外的因素。如水、空氣、營養等環境因素都可能在特定情況下，對人體遺傳性狀進行調控，使得一部分健康的基因組產生非正常表達，甚至是“失語”。當身體內原本堅固的抗癌防線逐步失去效用，患癌症的風險自然也就增高了。以上正是表觀遺傳學的研究基礎。以此為視角重新審視致癌背後的原因，為石雨江團隊最終發現糖尿病與癌症之間的新通路，提供了理論依據。

那麼，營養環境是如何影響癌症的產生呢？

TET2蛋白催化DNA上5mC向5hmC修飾的轉化。在癌細胞裡5hmC水平出現廣泛的下降，可作為衡量癌症惡性程度的標誌（cancer hallmark）。石雨江團隊在實驗中發現，高血糖水平會顯著抑制身體內AMPK蛋白激酶的活性，導致TET2Ser99磷酸化與TET2蛋白穩定性降低，以減少TET2蛋白催化生成5-hmC。當5hmC減少，意味著腫瘤發生的可能性也隨之增大。簡言之，這一新通路就好比一根鏈條，糖尿病患者體內的高血糖水平正是鏈條的一個端口。在環環相扣的連鎖反應之下，高糖環境最終會破壞5-hmC表觀抑癌修飾的生成。表觀抑癌修飾變少了，患病風險自然大大提高。

石雨江團隊的創新成果為糖尿病與癌症之間的關係找到了一條不同於以往代謝視角的新通路。研究不僅揭示了糖尿病與癌症之間確實存在著傳導通路，還指出部分糖尿病治療藥物也能有效地降低部分癌症爆發的風險。該項研究對於理解糖尿病與腫瘤發生的關係具有重要意義，為腫瘤防治研究提供了全新的思路與可能。

上圖揭示了一條新的糖尿病高血糖和癌症內在關聯的表觀遺傳通路並闡述了新的二甲雙胍在抑制腫瘤中的表觀遺傳

發現新思路：為預防癌症的藥物研發提供新可能

既然糖尿病與癌症之間確實存在著傳導通路，那麼治療糖尿病的相關藥物是否也同樣對預防癌症有一定幫助呢？

為了驗證猜想，石雨江團隊以糖尿病治療藥物二甲雙胍為例進行了實驗。研究發現，二甲雙胍通過激活AMPK，磷酸化下游的TET2，增強TET2穩定性和其產物5hmC, 來對腫瘤生長達到抑制。並且二甲雙胍的抑制作用要明顯依賴於TET2的存在。雖然二甲雙胍多年廣泛應用於臨床，其它的作用機制卻一直不明確，該發現是首次報道AMPK與TET2相互作用，將能量調控和表觀遺傳關鍵酶直接聯繫在一起，並且揭示能量調控要依賴於表觀遺傳調控。

以此為例，藥物是否能有效預防部分癌症的關鍵不在於血糖濃度的高低，而在於能否真正激活AMPK蛋白激酶以穩定TET2蛋白增加5hmC水平，以保證人體細胞的後續工作正常運行。通過服用糖尿病相關藥物以降低血糖濃度，確實能在一定程度上同時降低高血糖水平對AMPK蛋白激酶的抑制程度，但這並不意味著蛋白激酶就能由此重新煥發“活力”。但是少攝入糖分，保持體內血糖始終維持在較低水平，減少對AMPK蛋白激酶的抑制頻率，提高TET2蛋白的穩定性，升高5hmC水平，對防治部分腫瘤依然有著積極作用。此項研究也將為更多臨床研究和預防癌症的藥物開發奠定基礎。

石雨江：科研是一步步點亮未知的地圖

談及研究緣起，石雨江表示其實這整個項目都誕生於一次意外且偶然的嘗試。

TET2蛋白作為表觀遺傳領域裡的新星，其調控機制一直是研究熱點。2010年春天，復旦大學2008級博士生胡笛來到石雨江位於哈佛大學的實驗室，參與兩校聯培。2011年夏天她接手了OGT（葡萄糖胺轉移酶）和TET2相互調控的課題。起初的猜想是OGT通過糖基化並切割TET2來影響TET2穩定性。遺憾的是，在接下來的半年時間裡，胡笛的實驗始終進展不順。經過一段時間的嘗試後，她不得不從源頭來尋找可能性。或許使用葡萄糖作為調控因子，直接檢驗葡萄糖濃度是否會對TET2產物5-hmC產生影響，能為實驗帶來轉機呢？在石雨江和同伴吳鏑的建議下，胡笛重新更改了實驗方法。令人驚訝的是，在低糖條件下培養的細胞5-hmC竟然出現了顯著升高。葡萄糖和TET2蛋白之間確實存在著緊密的聯繫。

正當實驗開始朝著嶄新的方向發展時，有關OGT和TET2蛋白調控機制的文章陸續刊登在了各大期刊中。同行學者們的實驗結果，一次次導向並驗證了OGT對TET2蛋白的穩定性並不造成調控與影響。這恰恰與課題組的猜想背道而馳，實驗再次陷入了被“雙殺”的境地。

既然葡萄糖不是通過OGT來對TET2進行調控從而影響5-hmC，那麼實驗結果又是因何而來呢？帶著疑惑，吳鏑再次回顧了過往的實驗數據，一個看似不相關的結果首次跳入了他的腦海。“或許，葡萄糖是通過磷酸化TET2來實現調控的。”

上圖模型表明DNA去甲基化酶及抑癌基因TET2是如何在營養相關的代謝酶和代謝中間產物的參與下調控細胞

正是這一猜想，將研究成功引向了最終的航道。而本是計算生物學背景出身的吳鏑當時正在哈佛的另一個實驗室工作。作為項目的共同開拓者，在初始的一段時期裡，吳鏑利用每天晚上下班後，和次日早晨上班前的這段休息時間，泡在實驗室裡進行實驗。半夜離開，凌晨歸來，吳鏑的付出最終為後續解決關鍵性問題打下基礎。不久後吳鏑正式加入了石雨江團隊。

2012年春天，胡笛在哈佛的聯合培養業已結束。帶著剛剛步入正軌卻前途未卜的課題，胡笛回到了復旦實驗室。每日只能通過電話，和仍在美國的吳鏑溝通實驗進展。與此同時，經過反覆查找，石雨江終於在一個叫作“AMPK”的激酶上找到了希望。而石雨江的另一位博士生陳浩也為實驗添上了重要的一環。所有的元素終於被串聯起來: 低糖可以激活AMPK，後者可以磷酸化TET2，從而影響到最下游的5hmC。胡笛馬上著手動物學實驗，結果出人意料得好。

再次回首整個研究，石雨江表示，自己和團隊所做的不過是為這一領域的研究打開一扇全新的窗戶，後續完善與臨床應用仍有待不斷探索。“我們做科研就像是許多學者共同繪製一幅畫作，一步步點亮科學未知的地圖。有人為畫作添上鼻子，有人畫一雙眼睛。我們每個人所做的其實都只是這幅畫作中極其微小的一部分。但是當這些微小的拼圖一塊塊連接在一起時，科學的圖紙就會變得越來越寬闊。”

復旦大學王琳團隊揭示我國典型城市上海，大氣汙染納米微細粒子形成的化學機制

“ 汙染城市大氣中的納米微細粒子是怎樣從不可勝數的空氣分子形成的？最近，這件聽起來無異於大海撈針的事情被複旦大學環境科學與工程系教授王琳和他的科研團隊做成了。四年籌備，三年半實驗與數據分析，兩年持續觀測，他們首次發現並證實了我國典型城市上海大氣中的硫酸-二甲胺-水三元成核現象，揭示了我國典型城市上海大氣汙染納米微細粒子形成，也就是所謂大氣新粒子形成的化學機制，為我國大氣顆粒物汙染防治政策的制定提供了新的科學證據。 ”

在此之前，汙染城市大氣中的大氣新粒子形成事件的化學與物理機制一直是一個未解之謎。對於他們的發現，王琳給出了一個比喻：“這相當於我們從133倍於地球人口數的氣體分子中找出了最關鍵的那2個，一個是硫酸分子，另一個是二甲胺分子，他們碰到一起，就可能發生大氣新粒子形成事件了。”7月20日，研究結果以《中國典型超大城市的硫酸-二甲胺大氣新粒子形成事件》（“Atmospheric New Particle Formation from Sulfuric Acid and Amines in a Chinese Megacity”）為題發表於國際頂級學術期刊《科學》（Science）。復旦大學環境科學與工程系博士生姚磊、芬蘭赫爾辛基大學博士生奧爾加·加爾馬什（Olga Garmash）為共同第一作者，王琳為通訊作者。

文章鏈接：http://science.sciencemag.org/content/361/639

攻堅克難：挑戰大氣新粒子形成事件的“世界未解之謎”

大氣PM2.5汙染是關係國計民生的重要議題。在大眾觀念中，工廠和汽車的尾氣排放是造成PM2.5顆粒物汙染的主要原因之一，“這是由人類活動或者自然活動所帶來的大氣顆粒物直接排放，我們的‘術語’稱之為‘一次排放’。”王琳介紹說，除了“一次排放”，在空氣當中，時常發生著的，還有顆粒物的“二次形成”。

相較於“一次排放”，“二次形成”過程較為複雜。其形成過程大致分為兩種：第一種過程指空氣中的揮發性氣體可通過化學反應生成飽和蒸氣壓較低的反應產物，這類物種會凝降在已有顆粒物的表面上，增加顆粒物的質量濃度；而另一種過程則會大幅增加顆粒物的數量濃度，大氣中部分氣體分子隨機碰撞，通過分子間作用力或化學鍵而生成分子團簇，分子團簇的進一步生長則形成了納米微細粒子，也就是大氣新粒子，期間發生從氣體到凝聚態的相變；這些納米微細粒子的繼續生長，則可以造成大氣PM2.5汙染。“‘二次形成’讓大氣中的顆粒物變得更‘重’、更‘多’，我們課題組目前主要關注變‘多’的過程，研究城市空氣中的大氣新粒子是怎麼形成的。”王琳說。

近年來，相對潔淨大氣中的大氣新粒子形成事件的大氣化學機制被逐漸建立。然而，城市大氣因其成分的複雜性和多樣性，其中的大氣新粒子形成事件的特徵與潔淨大氣中的該類事件有著顯著區別。在大氣新粒子的形成過程中，從小於1納米的氣態前體物分子到1-2納米左右的分子團簇再到幾個納米的納米微細粒子，質量和粒徑都十分微小，其大氣混合比更是在兆分之一以下，這給科研人員開展原位、實時的測量提出了極大的實驗挑戰。

“通過測量3納米以下顆粒物的濃度來判斷大氣新粒子形成事件是否發生已經很難了，還要想辦法把與這一過程相關的氣態前體物和分子團簇的化學組分測出來，再識別其中哪些分子和分子團簇對這一事件有著比較直接相關的貢獻。”從測量到識別再到形成機制的推導，每一個步驟的推進都是一次“難上加難”的“拓荒”，因此城市大氣中的大氣新粒子形成事件的化學與物理機制一直是一個未解之謎，是大氣化學研究領域的難點之一。

利用國際上最新發展的納米顆粒物粒徑放大技術，從2014年3月到2016年2月，王琳團隊針對這一難題在上海開展了長達兩年的連續大氣觀測。“我們就在復旦大學邯鄲校區第四教學樓的樓頂做（實驗），那裡有一個環境系的大氣超級觀測站。”但這一技術還遠遠未發展到高度自動化的“黑箱”階段，只有使用者對儀器有深入瞭解並積累了豐富的使用經驗，才能在一定程度上保障測量數據的準確性和真實性。

進行大氣外場觀測、成功捕獲信息是研究“攻堅克難”的關鍵性“播種”環節，要想讓種子“生根”“發芽”到最終“結果”，還需要持續不斷的“澆灌”。

“我們做了兩年觀測，其中在2015-2016年冬季還使用了包括飛行時間質譜在內的更多儀器設備，進行了加強觀測，積累下來的數據少說也有幾百個G了。”王琳說，數據分析、現象識別和信息甄別也是一項大工程。從2016年3月到2017年7月，他們和來自芬蘭赫爾辛基大學的合作者一起，花了一年半的時間，才完成了對收集來的海量數據的系統整理和深入分析。

功夫不負有心人，三年半的時間，王琳團隊終於收穫累累碩果：他們測得了上海城市大氣中1-700 納米區間大氣顆粒物的粒徑分佈濃度，獲得了大氣新粒子的形成速率和成長速率；並應用大氣常壓界面-飛行時間質譜和硝酸根試劑離子化學電離-飛行時間質譜技術，測量了大氣新粒子形成事件期間大氣中性和帶電分子團簇的化學組分。

上圖應用硝酸根試劑離子化學電離-飛行時間質譜技術所識別的大氣痕量物種的質量虧損圖。

研究結果表明在我國典型城市上海大氣新粒子的形成過程中，一個氣體硫酸分子和一個二甲胺分子隨機碰撞，通過氫鍵形成穩定的分子簇，分子簇通過與其他硫酸分子、二甲胺分子或其他硫酸-二甲胺團簇的碰撞繼續生長；一定尺寸以後，其他物種（例如極低揮發性有機化合物）開始加入這個過程，並最終形成大氣新粒子。

研究中還觀測到了世界各地大氣外場觀測中最高的硫酸二聚體質譜信號，並識別了多個關鍵硫酸-二甲胺分子團簇，所得的上海大氣中新粒子形成速率與實驗室中硫酸-二甲胺-水三元成核模擬實驗所得的新粒子形成速率具有一致性。這是首次在外場觀測中發現並證實硫酸-二甲胺-水三元成核機制可以用於解釋我國典型城市大氣中的大氣新粒子形成事件。

上圖：外場觀測所測得的大氣新粒子形成速率與實驗室模擬的對比。

七年磨劍：堅守孕育大氣汙染防治的新希望

據介紹，這一研究由復旦大學環境科學與工程系上海市大氣顆粒物汙染防治重點實驗室、復旦大學大氣科學研究院教授王琳團隊與芬蘭赫爾辛基大學教授馬庫·庫馬拉（Markku Kulmala）團隊、南京信息工程大學、上海市環境監測中心、上海市氣象局、上海市環境科學研究院、美國飛行器公司（Aerodyne）合作完成。研究成果有望解釋高汙染城市大氣中的大氣新粒子形成事件，從而為我國的大氣顆粒物汙染尤其是大氣顆粒物的二次形成提供潛在的防治措施，也有助於更好地理解我國的霧霾汙染和更大尺度上的全球氣候變化。

“對我們的研究來說，環境相關性是至關重要的，自然環境中不可控的因素太多了，往往需要很長時間只能做一件事情。”從2014年3月項目正式啟動，到2017年7月成果初顯，王琳和他的團隊一個項目做了三年半，實際上，這個項目花的時間遠不止這麼多。

“我在美國做博士後的時候已經開始開展相關的課題了，那時候也預感到儀器設備的發展可能在近期會有一次突破，所以一直在等待機會。”2011年1月，王琳作為第一批“青年千人”紮根復旦，但在回覆旦以前，他就開始為了這個項目四處忙碌。聯繫廠家、購置儀器、熟悉儀器的性能、熟練相關操作等準備工作並不簡單，王琳說，相較於直接花在做實驗上的時間，前期準備時間更長。

在復旦的前七年時間裡，王琳把一大半的精力都投在了這個項目上，但前幾年的研究幾乎看不到任何回報，很少有直接可見的文章產出。“我心裡著急的很，但幸好復旦的科研環境還是比較寬鬆的，系裡的前輩也都很支持我做這件事情，沒有人掰著手指頭數我發了幾篇文章，催著我一定要出成果。”王琳很感激這種理解和支持：國家青年千人計劃的啟動資金資助、國家自然科學基金委的連續滾動支持、上海市各方同仁的通力合作、依託復旦大學而建的上海市大氣顆粒物汙染防治重點實驗室五十多位同事共同打造的研究平臺，讓他做成了這件“拖得很久”又“很難做”的事情。

“我們做環境研究的，講究做出來的科研成果在真實環境中有應用，是在真正的環境中發生的過程，而不是一個只會在實驗室中發生的科學實驗。”這也是王琳及其團隊堅持在成分複雜多樣的城市大氣中開展此項研究的原因。“我們的研究成果和每個人的日常生活息息相關。”

王琳認為，在中國典型的城市環境中，除了加強對汙染物一次排放的監測和管理，對汙染物的二次形成也應予以同樣程度的關注和重視。得益於此項研究中提出的化學機制，參與大氣新粒子形成過程中的關鍵化學物種將得到更有針對性的控制，從而有望有效地降低空氣中顆粒物的數量濃度，減輕我國的大氣顆粒物汙染。另外，從更大的維度來看，將這一機制運用於全球氣候模式中，能夠更好地模擬全球大氣顆粒物乃至雲凝結核的數目，更好地理解整個地球的氣候變化趨勢。

談及項目之後的發展，王琳說：“我們的研究還有很多值得進一步探索的地方，這個項目之後還會繼續。”他希望，在現有的硫酸-二甲胺-水三元成核化學機制框架下，能進一步明確我國城市大氣新粒子形成事件中的前體物主控因素，理解城市大氣新粒子形成事件與霧霾形成的關係，從而助力國家推出更有針對性的汙染防控措施。