【资料图】
▲图 | 陈强（来源：陈强）
就在前不久，他和团队在Nature子刊发了一篇论文。对于他来说，这是一项“绝唱”型研究。因为自此以后，他将彻底“转战”微生物免疫领域。在Nature子刊这篇论文中，他和团队探索了神经元自我识别的机制，能够加深人们对于神经发育的理解。虽然距离实际应用还比较远，但会给神经系统疾病的治疗带来潜在帮助。针对从昆虫 Dscam 到脊椎动物 cPcdh 进化上的巨大差距，这项成果补上了缺失的一环，填补了神经元表面识别分子领域的一个重要空白，为理解神经元细胞自我识别的分子机制做出了重要贡献。研究中所使用的活细胞信号记录方法，获得了评审专家的高度评价。（来源：Nature Communications）
此前，学界在在研究细胞表面受体的顺式作用时，都是先把细胞裂解然后再进行检测，这有可能会产生非特异性作用，从而影响实验结果的可靠性。“相比之下，我们开发的这种方法可以在活细胞状态下检测顺式作用信号。如果细胞表面发生了顺式作用，这个信号就会被酪氨酸磷酸化记录下来。这时，将细胞裂解并检测磷酸化水平，这样一来顺式作用信号的记录先于细胞的裂解，从而让实验结果更准确。”陈强说。另外，研究中他们尝试引入数学模型，来解释神经元的自我身份识别。“但是审稿人认为我们的假设没有实验基础。事实上，在复杂的生命体系中引入数学模型做一些假设，我觉得是不可避免的。在第一次修改中，我们完善了数学模型，并提供了更加详细的解释，可惜并没有说服审稿人。第二次修改时，我们不得不删掉这部分内容，感觉审稿人有点苛刻了，让我们这篇论文少了一个亮点。”陈强说。（来源：Nature Communications）
果蝇 Dscam 和人类 cPcdh 之间的“鸿沟”而本次研究要从 2013 年说起，那时刚回到国内的陈强对大脑和神经系统的研究十分感兴趣。他觉得这是生命科学中最复杂、也是最有挑战性的课题组之一。一个成年人的大脑大约有 1011个神经元，而每个神经元又由 1 千到 1 万个靶细胞建立连接，最终形成一个犹如森林般复杂的神经网络。为了实现精准的神经突触连接，神经元细胞必须能够识别“自我”与“非我”。对于一些细胞表面受体蛋白来说，它们通过表达高度多样化的异构体，赋予神经元以独特的细胞身份，这样一来神经元就有了“身份证”，从而实现不同神经元之间的特异性识别。在这种细胞表面受体中，包含果蝇的 Dscam、以及哺乳动物的 cPcdh 等。果蝇的 Dscam 有 3 万多种异构体，而人类的 cPcdh 只有 52 种异构体，尽管二者在异构体数目上有着巨大差距，但却行使着类似的生理功能，这让学界一直感到非常不解。陈强也觉得，似乎有一道“鸿沟”横亘在二者之间。2016 年，他和团队在Science Advances上发表一篇关于果蝇 Dscam 的论文。研究中，课题组针对分子自我识别的结构基础加以详细解释，并指出此前一篇Nature论文中的两处错误，同时还提出一个普遍适用于蛋白质相互作用的“整体约束”机制。同年，浙大团队揭示了螯肢动物中的一种缩短型 Dscam，称为 sDscam。果蝇 Dscam 有 16 个结构域，而 sDscam 只有 6 个结构域。陈强发现，缩短的 sDscam 恰好保留了与其信号分子 Netrin 相互作用的结构域。这说明在进化过程中，至关重要的功能结构域会被保留下来。尽管 sDscam 的蛋白构成与果蝇 Dscam 相似，但是基因的组织排列方式却与脊椎动物 cPcdh 相近。而 sDscam 的异构体数目，则介于果蝇 Dscam 与脊椎动物 cPcdh 之间，呈现一种过渡状态。这意味着，对于研究神经元细胞表面识别分子的进化来说，sDscam 能够提供独特的样本。“我本人比较擅长做结构研究，于是我们课题组就从结构入手，解析了十几个 sDscam 的晶体结构。”陈强表示。（来源：Nature Communications）
结合功能实验结果他们揭示了如下规律：在不同细胞之间，sDscam 的相互作用方式与果蝇 Dscam 是相同的；而在同一个细胞表面，sDscam 的作用方式又与脊椎动物 cPcdh 呈现相似性。该团队由此指出：sDscam 在细胞表面会形成拉链式的结构，这种机制可以使用较少的异构体数目，从而为数目庞大的神经元细胞提供身份识别，进而帮助人们理解神经元细胞表面识别分子的多样性进化。AlphaFold 问世，为停滞课题带来转机最初，陈强认为 sDscam 比果蝇的 Dscam 短很多，因此希望能够解析整个胞外结构域的完整结构，甚至想要得到 sDscam 胞外全长与信号分子 Netrin 的复合物结构，这样就能对 sDscam 介导的自我识别和轴突导向产生更完整、更清晰的了解。然而很遗憾的是，螯肢动物的 Netrin 蛋白很难被表达。在针对胞外全长 sDscam 的研究中，虽然课题组成果获得了晶体，但是由于衍射能力弱和各向异性的原因，导致他们无法收集到能被使用的衍射数据。在此之后，他们把 sDscam 分成几个片段来做，虽然收获了几套衍射数据，但是一直无法解决相位信息，自然也就无法解析出来对应的结构。程婕同学主要负责本次课题，她从硕士开始做起，直到临近博士毕业才算完成。陈强说：“因为中间遇到困难，有一年半左右就搁置了。不过我一直惦记着这个课题，有了新想法和新技术之后，我们把它捡了起来。”即便如此，课题的推进依旧艰难。那时，临近博士毕业的程婕感到十分焦虑，作为导师的陈强也是压力山大。那段时间，师生二人一直在寻找突破口。直到 AlphaFold 问世，研究终于迎来转机。该团队借此预测了蛋白结构模型，并以此作为初始相位信息。在反复尝试之后，他们通过分子置换的方法，终于解析了 sDscam 的晶体结构。（来源：Nature Communications）
而在进行功能实验时，课题组也遇到了一些困难。其中，最大的困难是在检测 sDscam 的顺式相互作用时，采取传统实验方法会导致非特异性太高，进而致使实验结果不够准确。为解决这一问题，他们将 sDscam 与一个酪氨酸激酶进行融合。如此一来在活细胞状态下如果发生顺式作用，这个信号就会以磷酸化的形式被固定下来，从而避免受到后续实验步骤的影响。至此，研究正式结束。最终，相关论文以《螯合虫 sDSCAM 自我识别的结构基础》（Structural basis for the self-recognition of sDSCAM in Chelicerata）为题发在Nature Communications上[1]，程婕是第一作者，陈强担任通讯作者。▲图 | 相关论文（来源：Nature Communications）
“虽然过程比较艰辛，但是最后也算是一个 Happy Ending。程婕顺利获得博士学位，目前在我课题组做博士后，而且很快就要做妈妈了。我一直秉持的理念是，做科研和做人一样最重要的是开心（笑）。我希望大家能够愉快地做科研，我也一直在课题组内营造这样的气氛。”陈强说。研究微观世界的“战争”，从武器库中发现宝藏如前所述，本次研究并没有后续计划。陈强表示当初回国时自己想做神经发育的研究，但是很快就发现根本做不下去，主要原因是经费不够。“之后我和其他老师合作，开始做药物靶点和小分子药物复合物的结构研究，以用于药物优化和探究药物作用机制，后来也发了不少论文。值得一提的是，我们生物治疗国家重点实验室在药物研究方面颇具特色，而且也很有实力。”陈强说。但是，很快他发就现这样的合作方式，会让自己的研究方向过于分散。他还是希望自己能在某个领域做深入的系统性研究。考虑到基因编辑工具 CRISPR-Cas9，正是从细菌的获得性免疫系统中被发现的，因此陈强转为研究微生物免疫，即研究细菌和噬菌体的“战争”，希望从它们的“武器库”中发现一些宝藏。另一个重要原因在于实验费用比较低。“我在这里想吐槽一下，生命科学研究有一个很大的缺点，就是对科研经费的依赖性太强。做实验要花很多钱，科研仪器也很贵，即便你有很好的想法，没有经费也很难做出东西来。”陈强说。那么，研究微观世界的“战争”，到底有哪些意义？他表示，在漫长的进化过程中，细菌与噬菌体激烈的“军备”，竞赛让细菌产生了多种多样的防御系统。从这些防御系统中，学界已经发现了限制性内切酶和 Cas9 等生物工具，也为分子生物学研究和疾病治疗带来了革命性变化。这个领域的迷人之处在于细菌的种类非常丰富，各种防御系统之中蕴藏着无尽可能，有些蛋白的结构和功能是人们见所未见、闻所未闻的。因此，陈强觉得这个领域的发展非常令人期待。
