黃超蘭：為達人類健康終極目標構建精準醫療新路徑

　　分析測試百科網訊 新冠疫情肆虐下的全球，無數科學家正在努力破解COVID-19致病和診療的難題。2020年11月17日，黃超蘭教授課題組和高福院士合作的課題在《自然.通訊》上發表^[1]，從蛋白質組學的角度揭示了新冠病毒感染后輕及普通癥的免疫抑制和到重癥的“雙階段”現象，并發現了疾病變化階段的一系列標志物。這是黃超蘭教授到北京大學醫學部精準醫療多組學研究中心（CPMMR）履任后的又一個新成果。中學移民香港再到美國John Yates實驗室多年然后回國，黃超蘭教授本人與眾不同的成長經歷塑造了她獨特的思維方式和個性。近日，分析測試百科網采訪了黃超蘭教授，她在2015年就提出的Med Map：開發生物標志物的新路徑，有可能為多組學真正轉化為臨床可用的精準醫療打開新思路，希望對所有關心多組學和精準醫療的研究者們有啟發。

北京大學醫學部精準醫療多組學研究中心主任 黃超蘭 教授

　　深厚背景 解決挑戰性問題的高手

　　黃超蘭教授習慣別人叫她Catherine 或Cathy。她的背景可能很多人已了解，香港大學攻讀物理化學博士，用電-磁扇形質譜研究氨基酸和短肽離子在氣相中的裂解機理，隨后到美國John Yates實驗室用質譜研究蛋白質組學，開發各種方法如：Shotgun定性、定量、蛋白相互作用、翻譯后修飾等。去除所有的個性化色彩，Cathy談到自己的特點：“我喜歡解決有挑戰性的問題，很多合作正是由此而來。有機會創造一個新方法，解決問題，從而得到新的發現是我最感興趣的。”

　　Cathy非常感謝自己的求學經歷中的機遇和遇到過的幾位導師。包括在港大打下的物理化學、質譜機理的根基、在John Yates組多年的實戰等，對多種質譜儀器的原理和應用的深度專業，使她在解決問題時，比一般組學同行能更好地針對課題，選擇合適的儀器和方法，更得心應手。解決問題更快、有更多靈感正是Cathy作為“組學醫生”的特點，她提到了在美國的第一個難忘經歷，“那時我剛剛到Yates Lab，賓夕法尼亞大學的合作者Anna Kashina，要我們幫她用質譜鑒定一個精氨酸化的翻譯后修飾。這是一個特別的修飾，作用于ATE1下，氨基酸R會被加到肽段的N端（尾端）。之前的實驗室同事已經做了一段時間毫無發現，開始懷疑修飾的真實性。John說，Catherine要不你試試？（大概因為我是新來的）。我先仔細看了她們生物學的各種證據覺得那shift得很明顯的條帶不像是假的。然后我再想，精氨酸非常堿性，加到肽段N端后，根據裂解機理，二級譜圖一定會有明顯的b離子特征。于是我很肯定我一定能做成。后來果然就成功鑒定到了這個真實的修飾， 2006年就發表到了Science^[2]。從此打開了這個研究領域的新“大門”。后面我們看到這個修飾在微血管生成上有重要的功能，能解析心腦血管的疾病機制。”

　　“蛋白組學本質上是一個“forgiving”的技術，特別是近年來幾大公司的推動下，質譜儀器變得越來越powerful，更加拉低了組學入門的門檻。只要有錢買幾臺高性能質譜，接受一些培訓，拿一套固定的前處理，色譜、質譜、搜庫的條件參數，一個普通的技術員基本都能得到一套不錯的組學數據。但要如何能在蛋白組學技術上有真正的突破和創新，并促進生命科學中的新發現，那還只有很少人能做到。” Cathy 說。

　　文化碰撞時 換位思考和溝通很重要

　　談到個性，一定會讓人想起Cathy的飆車和紫、綠的染發。她說：“因為從小接受西方文化體制的教育，我養成了實事求是，獨立自主的價值觀。”

　　既然這么“西方”，回國后是否會處處碰壁呢？ “開始肯定有cultural shock，后來學會了設身處地、換位思考理解的溝通方式”。Cathy很感謝幫助過她的朋友和前輩。他們讓她學會了如何順應體制的不同而改變溝通方式。“只要以尊重為前提，以做成事情為目標，其它都不是問題了。” Cathy 說。

　　回國前，黃超蘭教授在美國Scripps研究所任長聘資深科學家，2011年被邀請回國參加東方論壇，并以專家身份對國家將投資建設的大科學設施——蛋白質科學中心（上海）提供了質譜儀器采購的建議。隨后中心的幾位負責領導，包括前生化細胞所所長林安寧、雷鳴等幾番到圣地亞哥動員黃超蘭回國，建設中心的質譜平臺。黃超蘭在美國時就從零開始創建了Scripps的蛋白質組學中心 (CPP)，并參與酵母資源中心（YRC）多年，在建設多學科交叉合作中心方面，的確是最合適的人選。“YRC是個運行了至少35年的center grant，John是發起者之一，還有現在很有名的David Baker。當年每個月要去西雅圖的華盛頓大學開一次YRC會議，對David的印象一直就是非常聰明和帥氣。” Cathy 回憶說。 “國家投了那么多個億，一定不能被浪費。”就為了這唯一一個單純的想法，黃超蘭帶著剛出生的孩子回國，從毛坯房開始，一手一腳地親手建立了國家蛋白質科學中心（上海）的質譜平臺，并于2015年4月順利完成國家發改委的驗收。

　　雖然大科學設施主要定位于服務平臺，黃超蘭也一直堅持研發，她說“如果沒有R&D，如果不緊貼國際前沿技術發展，平臺一定會越做越差。” 2015-2017兩年間，中心的質譜系統助力生物學家發表了30多篇高水平的文章。比如助力中科院院士、西湖大學校長施一公團隊在Science上發表了兩篇有重大科學意義的論文^[3-4]，利用高分辨質譜技術對剪接體復合物的成分進行準確鑒定，和利用交聯質譜技術對剪接體復合物組成蛋白的分子間相互作用進行預定位分析，為酵母剪接體結構解析提供了除冷凍電鏡之外最直接有效的數據。

　　黃超蘭教授還和當時的同事，中科院生化細胞所許琛琦教授合作，先開發了基于質譜的絕對定量蛋白質組新方法，用以觀察 T細胞受體-共受體（TCR-CD3）復合物絡氨酸在不同抗原刺激下的動態磷酸化修飾全貌。他們根據實驗結果發現了一條亞基CD3ε的單磷酸化新功能，此功能在CAR-T免疫治療上有很好的效果，有望應用在臨床上對于腫瘤的CAR-T免疫治療有新的提高。這一研究2020年8月發表在《Cell》上 ^[5]。

　　在上海蛋白質中心期間，黃超蘭教授還聯手浙江大學方群教授一起攻關單細胞蛋白質組學，這是蛋白質組學領域的圣杯。把微流控芯片體系融合進蛋白質組流程中，在真正意義上的單細胞蛋白質組領域中，成為了第一個開創者。第一代芯片成果發表在《Analytical Chemistry》上^[6]。這里還有一個小插曲，當時學生優化的方法被同組的師兄偷偷帶到美國換了另外一個名稱“挪用”了。Cathy 說，“某人偷走了我們的原創概念和優化條件到美國換了另一個名字讓人家以為是他的原創，這種現象在科研界不少見，我覺得我們‘正名’的方式是，要做得更加超越他。目前我們的技術已經進行到了第三代，在真正的單個細胞，不用booster等方法下，鑒定的蛋白量領跑著單細胞蛋白質組學的國際水平。“

　　實現理想的舞臺：精準醫療多組學研究中心

　　“上海中心驗收后，我覺得我的階段性使命也完成了”，Cathy 說，“轉變是在2015年，精準醫療開始在中國走紅。其實2000年美國就開始做‘基因-蛋白組’和‘系統生物學’這件事了。當時大家一提精準醫療，就直接把它和基因測序畫了等號。大概因為我是做蛋白組的，就感到有點不服，人體里面大小那么多不同的分子，憑什么就只提基因？必須是‘多組學’啊。所以2015年我就開始向廠家及后來引進我到北大醫學的柯揚校長、詹啟敏主任提多組學的概念。”到底怎樣才能做好精準醫療？經過大半年深入的思考，黃超蘭終于得出了一個新的計劃和藍圖，于是決定毅然離開上海北上，加入北京大學醫學部這個中國著名的國家隊醫學院，實現她精準醫療新范式的規劃。她得到北醫領導的多方支持，2018年在北大醫學部成立了精準醫療多組學研究中心的新體制二級實體機構。

　　對于當今流行的“AI大數據”，黃超蘭也有自己的獨特看法：“我們從IBM 的Dr Watson 為什么失敗，DeepMind 的Alpha 系列為什么成功，大概就能看到對AI大數據來說，什么是最重要的了。”就臨床數據來說，就算再多再大，如果不知道數據背后隱含的意義，那也不會得到最終想要的結果，甚至是錯誤的答案。“當時我們實驗室有個同事就是MD Anderson數據團隊成員，聽完他說的整個和IBM合作的過程，就覺得Dr Watson那時注定會失敗。當你完全不了解醫療、臨床的數據的性質和meaning，即使有最好的算法團隊也不行。

　　闡述COVID-19發病機制

　　11月17日，黃超蘭課題組和高福院士合作的課題在《自然.通訊》上發表，從蛋白質組學的角度揭示了COVID-19感染后從輕癥到重癥的轉化機制，并發現了轉化階段的一系列標志物。同流感相比，新冠住院者的死亡率平均是流感的3倍，新冠病毒非常“狡猾”、病人測核酸時有時無。該研究發現：早期的新冠感染患者存在著顯著的免疫抑制，并首次提出COVID-19的發病機制或存在“兩階段”模式：第一階段涉及免疫系統抑制、緊密連接受損以及大規模的代謝紊亂；第二階段涉及部分免疫應答激活，可能進一步導致細胞因子風暴和器官損傷的發生。

新冠病毒感染的“兩階段”機制

　　研究發現新冠的一個很重要特點是發病早期的免疫并沒有很多同SARS、MERS類似的細胞因子風暴，而是處在抑制的狀態，因此剛開始使用針對白介素細胞因子的妥珠單抗往往無效。而提高病人的免疫力，觀測體征對癥（如咳嗽）治療，防止肺內液體堵塞，對病人進行很好的照顧，早期服用中藥、鋅鐵補充劑、營養品增強免疫力，往往奏效。

　　質譜發揮的作用和未來趨勢

　　《自然.通訊》這篇文章使用的質譜是布魯克公司的timsTOF Pro。黃超蘭談到了同布魯克合作的歷史以及該質譜的特點。

基于DIA-PASEF方法的定量蛋白質組學分析流程

　　“那是全中國第一臺 timsTOF Pro 的儀器呢。”Cathy 驕傲地說。讀化學的人都會知道布魯克，因為每個化學系都有核磁（NMR），現在只有極少數公司生產NMR， 絕大部分由布魯克提供，而且布魯克還制造質譜的終極儀器FTICR-MS。 “2019年布魯克總裁Frank Laukien來到我們中心參觀，我們就質譜及其它高端儀器在多組學上的應用和發展前景進行了深入的探討。”

黃超蘭教授和布魯克總裁Frank Laukien

　　“目前，timsTOF Pro已經成為了我們中心的主力軍，它們新穎的PASEF采集模式大幅提升duty cycle（占空比）至100%，在靈敏度上飛躍式的進步，4D-DIA方法，都使得我對這臺儀器刮目相看！”

北京大學醫學部精準醫療多組學研究中心質譜實驗室

　　“軌道阱Orbitrap和Q-TOF儀器的很大的一個本質區別是它們屬于兩種不同的“分析器串聯”的方式，前者是時間串聯，后者是空間串聯，這首先會對二級譜造成最大的影響。”Cathy 用她的專業畫龍點睛了兩款超高分辨質譜儀，也做了個形象比喻，“如果把二級譜鑒定的蛋白比作珍珠，Orbitrap給你的是非常清晰的5顆珍珠，幾乎沒有雜草；timsTOF能給你8顆珍珠，但混在雜草里。有些人因為簡單更喜歡5顆不帶雜草的珍珠，有些人想要更多的珍珠，愿意去雜草里挑選，并且在挑選的過程中還會有意想不到的發現。” 由于非常專業和客觀，在美國時黃超蘭是知名質譜公司推出新產品前很好的測試者，她會到廠家對關鍵性能進行測試，比如有一次就測出產品的一個bug，廠家雖為此推遲了上市時間，但最終推向市場的是一臺更完美的儀器。

　　對于布魯克的其它幾款產品，黃超蘭表示：自己日后有錢的話會買一臺scimaX FTICR質譜儀；timsTOF系列的質譜也有技術更新，新推出的timsTOF fleX相比timsTOF Pro就增加了MALDI功能，使用了非常前沿的激光器，如果要做影像組學會非常有用。

　　作為質譜的“超級玩家”，黃超蘭也回顧自身經歷中質譜技術的變化。最初自己用磁質譜，當時用EI和FAB（快原子轟擊）離子源，測定化合物小分子。第一個變化是從小分子到大分子，比如后來實驗室購置了兩臺離子阱液質。第二個變化是軟件大幅提升了體驗，尤其是更簡單地獲得結果。對于質譜未來的期望，黃超蘭希望是：更靈敏、更快！而對于組學來說分辨率不是最重要的考慮。“通量是當前的瓶頸。”黃超蘭說，“基因測序的特點是能夠擴增獲得大量樣本，大幅提高通量。 質譜由于是起源于物理技術的測量工具，目標物不能擴增，必須一個一個測定，通量就受到限制。期待某天質譜儀會有一個根本性的突破。”

　　終極目標

　　黃超蘭認為，此前蛋白質組學發現的各種生物標志物，真正用到精準醫療的路徑尚未打通。目前臨床質譜應用中主要還是小分子，蛋白標志物方面未建立很好的方法。“在Cell那篇文章^[4]中，我嘗試發展一套絕對定量的質譜方法。相比抗體和Elisa試劑盒方法，質譜靈敏度更高、特異性強、并可進行多標志物定量，是未來發展的方向。”近年來，隨著賀福初院士等科學家推動的PDPM，人們對精準醫學中蛋白質組的作用了解更多也更重視。

　　盡管黃超蘭發表了很多好的論文，但這并不是她的終極目標，黃超蘭做了一個比喻：馬斯克的終極目標是把人類送上火星，特斯拉、回收火箭，都是實現目標路上的副產品。“我的目標是：通過Med Map的理念，能真正把成果貢獻于人類的健康！”

　　參考文獻：

　　1.Immune suppression in the early stage of COVID-19 disease. Nature Communications volume 11, Article number: 5859 (2020)

　　2.Arginylation of β-Actin Regulates Actin Cytoskeleton and Cell Motility, August 2006 Science 313(5784):192-6.

　　3.Structure of a yeast spliceosome at 3.6-angstrom resolution. Science, 2015, 349(6253), 1182-1191

　　4.The 3.8 ? structure of the U4/U6.U5 tri-snRNP: Insights into spliceosome assembly and catalysis. Science, 2016, 351(6272), 466-475

　　5.Multiple signaling roles of CD3ε and its application in CAR-T cell therapy. Cell, 2020, 182(4): 855-871.e23

　　6.Nanoliter-Scale Oil-Air-Droplet Chip-Based Single Cell Proteomic Analysis. Anal. Chem. 2018, 90, 8, 5430–5438