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潘卓华:“被遗忘”的光遗传学先驱 精选

已有 17541 次阅读 2016-9-2 22:32 |系统分类:观点评述| 潘卓华, 光遗传学

BioArt按9月1日,STAT新闻独家报道了一则关于“谁最先发明光遗传学”的新闻,由于故事主人翁是华人科学家潘卓华教授,所以引起了我们更多的关注。细读之下,发现有关“光遗传学”到底是谁最先发明的问题很有科学价值和意义,而且按照某些人的说法,该技术未来铁定获得诺贝尔奖。有鉴于此,BioArt根据这篇题为《He may have invented one of neuroscience’s biggest advances. But you’ve never heard of him》的文章做了一些编译奉献给读者朋友。疏漏讹误之出敬请读者朋友批评指正!


以下是根据原文编译的文章:


  Anna Vlasts

编译 BioArt


“光遗传学”技术给神经生物学或者更大范围来说是给医学领域带来了一场革命。简单地讲“光遗传学”(Optogenetics)是指利用遗传工程结合光来操控神经细胞活动的方法。这项技术是非侵入性,而且能够精确控制标靶,该技术还曾被《Nature methods》杂志评价为年度技术,也是近几十年来神经生物学领域最大的突破技术之一。这项技术在生物医学上有很大的应用前景,比如治疗失明、帕金森症和缓解慢性疼痛等。此外,该技术目前正广泛应用于世界上各大实验室,用于探究动物的大脑是如何工作的,这会让科学们更好的理解类似于睡眠、成瘾和知觉等行为方式。


事实上并没有什么惊讶的,两位美国科学家Karl Deisseroth(斯坦福大学教授) 和Edward Boyden(现在在MIT做Associate professor,2005年与Karl Deisseroth合作在Nature neuroscience上发表了那篇划时代的文章,Edward Boyden是文章的第一作者,Karl Deisseroth是通讯作者,值得一提的是CRISPR男神张峰是文章第二作者,他当时还是一个化学专业的一年级研究生,参与一些重要工作。很有意思的是,Karl Deisseroth 和Edward Boyden都是斯坦福大学Richard Tsien(钱永佑,前不久刚去世的诺奖得主钱永健Roger Tsien的亲哥哥)的博士。2005年初,Karl刚结束他的博后生涯留在斯坦福做了助理教授,这个时候Boyden在钱永佑实验室还是一名博士生,同年Boyden获得博士学位。事实上,Boyden和Karl算不上是博后和老板的关系,他们是最初一起有好的想法交流合作从而一步步完成这项工作的。注:有关光遗传学史,详见Boyden写的《The Birth of Optogenetics》一文。)因“光遗传学”技术成为世界级的科学新星,Karl Deisseroth 还被誉为“光遗传学之父”。


因为“光遗传学”技术的发明,Karl Deisseroth和Edward Boyden拿各种奖项和基金拿到手软,最著名的要数他俩获得有“豪华版诺贝尔奖”之称的2015“生命科学突破奖”(Breakthrough Prize)。他们的实验室目前拥有全世界最好的实验设备和最聪明的学生,也频频见光于世界上各大媒体。几乎圈内大多数人都会觉得他们将来一定能获得“诺贝尔奖”。


然而,大家可能忽略故事中的的一个事实,因为潘卓华有可能才是“光遗传学”技术的第一发明人。(:潘卓华,1977年从浙江金华一中毕业进入中科大近代物理系学习。1984年获得中国科学院生物物理所硕士;1990年获纽约州立大学布法罗分校博士学位。现为美国韦恩州立大学医学院解刨学和细胞生物学系和RetroSense Therapeutics教授。2016年,就职于美国韦恩州立大学和RetroSense Therapeutics的中国科学家潘卓华教授,以及其研究团队终于将这一革命性的技术带到了临床在RetroSense Therapeutics潘卓华教授的主导下,2016年2月底,一名因视网膜色素变性(retinitis pigmentosa,RP)丧失视力的Texas女性,已经接受光遗传学治疗,成为光遗传学治疗的全球第一人。——引用自“中国科大新创校友基金会”微信公众号


也许即便是很多神经生物学家从来都没有听过潘卓华的名字。潘现年60岁,自上世纪80年代来到美国攻读博士学位后就再也没有离开过了,目前就职美国韦恩州立大学。他宽阔的鼻梁上总是戴着一副金丝眼镜,脸颊上时常还露出一丝微笑。他的同事评价他是一位纯粹的科学家:谦和、专注、细心。潘做后来的这些工作是受到希望治愈失明患者这一想法的驱使。早在2000年后的那几年,他想象能有一个对光敏感的蛋白植入失明患者体内——通过使其它细胞对光敏感来弥补视杆细胞和视锥细胞的死亡从而让患者恢复光明。


光遗传学的想法,即希望通过将外界光转化为神经元的电活动。这样,科学家就可以通过给予激光,远程刺激神经元,以便他们操控大脑环路。之前有人曾尝试使神经元感光,但是由于缺乏正确的感光蛋白。随着ChR2蛋白在2003年被发现,这一切都改变了。Channelrhodopsin,这个绿藻中发现的蛋白质,可以对光有反应,并且使离子进入细胞,这有助于藻类寻找阳光。


这是我生命中最激动人心的事情之一,”潘说。“我想,哇!这是我们正在寻找的分子。这是我们要找的光传感器。”

2004年2月,他试图将Channelrhodopsin表达在培养皿中的视网膜的神经节细胞内,成功使得使它们对光有了电活动反应。潘非常激动,向美国国立卫生研究院的资助申请了一个资助。美国国立卫生研究院授予他30万美元,并评论说他的研究是“相当超前和高度创新的,探索近乎未知”。

但是,潘不知道当时他是争分夺秒地在与美国和世界各地的研究小组竞争,也是将Channelrhodopsin导入到神经元内。当时的Deisseroth和Boyden在斯坦福大学工作, Deisseroth刚完成博士后,和当时正在读研的Boyden共同完成。除此之外,其他研究小组还包括凯斯西储大学的Stefan Herlitze和Lynn Landmesser、日本东北大学的Hiromu Yawo组。当然,他们并不是唯一的科学家尝试用光来控制神经元的方法。2004,Gero Miesenbock和Richard Kramer已经发表的文章,用其他更复杂的分子来达到目的。但是Channelrhodopsin是工具,要彻底颠覆整个领域。


斯坦福的研究小组有用光操控神经元的想法到实施有相当长的一段时间。他们也注意到关于2003年PNAS上Channelrhodopsin2的文章发表。Deisseroth跟本文的作者,Georg Nagel进行邮件通讯,询问是否可以合作,共享Channelrhodopsin DNA,因此Boyden可以在神经元进行试验。2004年八月,Boyden在培养皿的神经元给予了一束激光,令人高兴的是,在神经元上记录到了光照诱发的电反应活动。潘已经在六个月前在视网膜神经元中做了同样的事情,后来他说:

“我们感觉不太幸运”。


Boyden,现在是MIT的教授,被STAT告知潘当时在他们之前完成了这项实验,Boyden感到非常惊讶。“哇!有意思,我以前并不知道,”博伊登说道。“思考新事物或者新发现被证明时,关于科学的问题是一件很有意思的事情,”他补充说,并指出科学是建立在科学家们彼此工作的基础之上的,他们有时一起合作,而其他时候可能同时在各自开展研究工作,工作中难免发生争抢的情况。“当然,其中也有有意和无意的团队合作,”他说道。


斯坦福新闻办公室称Deisseroth无法提供回答。针对STAT提供的问题,发言人Bruce Goldman答复说,“潘的工作离光遗传学相去甚远…而Deisseroth他们的工作为精细神经科学开辟了一个新天地。正是Deisseroth博士发表于2005,目前被广泛引用的那篇文章才揭示了这种潜力。”


潘说他可能在几年前向Boyden提到过他的实验,但是,潘说,“我不想花太多的时间来谈这个是因为人们会感觉到不适。”似乎这种态度与潘的个性相符合——勤奋、内敛、保持在聚光灯以外。韦恩州立大学是一所不以科学研究而出名的小型大学。潘是去了一所州立学校攻读博士学位,然后低调的做了几十年的研究。这些情况可能有助于解释接下去发生的事情,当他试图把他的发明展示给世界的时候:它并没有被看作是大的进步。


2004年的夏天,潘一直在寻找将Channelrhodopsin蛋白表达在活体眼球的方法,最后他决定采用病毒感染的方法将Channelrhodopsin的 DNA导入眼球的细胞内。他的另外一个同事,Salus University的Alexander Dizhoor 教授帮助他改造了Channelrhodopsin的 DNA,通过偶联一个绿色荧光蛋白基因的方式,能够方便地跟踪channelrhodopsin 的表达。

2004年七月,潘给第一只大鼠的视网膜注射了光敏感通道病毒。大约五个星期后,他观察到一大片的神经节细胞的细胞膜上表达了绿色荧光蛋白偶联Channelrhodopsin的蛋白。当他打开灯照射时,他成功的用电极在细胞里记录到了一连串的电活动。这说明Channelrhodopsin工作了。虽然这只是第一步,但却是革命性的一步——这表明,潘的方法可能能够恢复盲人的视力。

“一切都很漂亮”,潘说道。


于是潘和Dizhoor在2004年11月25日,将他们的工作提交给《Nature》杂志社,对方回信建议潘,将工作投给更专业的期刊《Nature Neuroscience》,但是《Nature Neuroscience》拒绝发表。第二年年初,潘把论文投给《Journal of Neuroscience》杂志上,在那里进行了同行评阅,但随后还是又被拒绝了。


心灰意冷,潘着手修改自己的论文,并在2005五月前往罗德岱尔堡参加视觉会议,在那里他讲述他的工作——在神经元中使用Channelrhodopsin,来激活视网膜细胞。这一个简单的演讲,持续了短短的15分钟,或许将成为他在发明的时间表上最清晰的赌注。几个月后,《Nature Neuroscience》上发表了一篇关于使用Channelrhodopsin使神经元对光敏感的论文,本文的作者是斯坦福Edward Boyden和Karl Deisseroth。潘听到消息从同事发电子邮件给他了。“我感觉很糟糕。我感觉糟透了,”潘说, “我们感觉不太幸运。”


Met with a shrug


Deisseroth和Boyden的论文与潘的文章有些不同。他们简要的描述了在培养皿中能用Channelrhodopsin作为控制神经元的工具。而潘要等到这个工具在活体动物中有效果再去发表。而且,Deisseroth和Boyden向同行们展示了不可思议的精准时间控制,这个过程只需要1个毫秒。然而他们技术创举是一样的:他们都成功的使用Channelrhodopsin使得神经元在培养皿里对光有反应。


斯坦福的论文一出来就已经起飞了,这使得Deisseroth和Boyden的科研生涯中获得快速的崛起,随之而来的就是大把的经费和最聪明的学生们的加入。2007年,《纽约时报》开始关注Deisseroth的在光遗传学上的突破,随之他们的论文的引用次数也在迅速膨胀中。


2006年4月,潘的论文最终发表在《Neuron》上。加州大学伯克利分校研究视觉的专家Richard Kramer评论道,“这看上去并没有什么创新性,似乎就是说,看吧,既然能把Channelrhodopsin用于大脑神经元,那么当然也能用到视网膜上。这引人注目吗?答案当时是,no”。短短数月,事情已经发生了翻天覆地的变化。Deisseroth和Boyden的论文内容相对比较简单。他们只是证明了他们可以使用Channelrhodopsin在体外控制神经元活性;潘的工作则是在活体的情况下验证。在论文里,Deisseroth和Boyden表现出令人难以置信的精确时间控制。但是他们的技术和潘在本质上是一样的:潘也曾在一盘感染Channelrhodopsin的神经元中,用光成功进行激活。


为什么潘的论文没能最先发表?他可能永远也不会知道答案。在Boyden的文章出来后,潘给《Nature Neuroscience》杂志的编辑写信质问为什么他们的文章被拒绝发表,但是却发表了Boyden他们的文章。杂志编辑回复说,这两篇论文有相似之处,Boyden他们文章呈现出的是一项新的技术而不是科学发现,而潘的文章看上去太狭隘,仅仅关注在使用Channelrhodopsin蛋白修复视觉上,另外Boyden的文章提出了一个很好地观点,就是将Channelrhodopsin改造成一个广泛运用于神经科学领域的工具。


当其他研究者向《Journal of Neuroscience》投稿过程中,关于人们如何看待潘的论文过程中出现了一些端倪。其中一个评审喜欢潘的这篇文章,只有一个小小的修改建议。其他评审则认为,“野心太大”、“非常初级”并认为“不太会吸引更多的神经生物学家”。事后,潘论文的共同作者Dizhoor读到此处的时候不禁失笑。文章2006年小修之后在Cell子刊《Neuron》正式发表。


但是这并没有使得潘晋升于“光遗传学”名流之列。从论文发表的角度讲,他晚了一大步,因为在他之前有三个不同的课题组(BioArt注:斯坦福大学Karl Deisseroth实验室、凯西西储大学Lynn T. Landmesser 和 Stefan Herlitze实验室、日本的Hiromu Yawo实验室,详见下图)发表了关于Channelrhodopsin的文章。他也并没有分享到Deisseroth与Boyden在2013年拿到的神经科学领域最高奖“The Brain Prize”(6位光遗传学的发明人分享了100万欧元)和2015年的生命科学突破奖(每人300万美金奖励)。


从2005年开始,Deisseroth已经从NIH拿到了超过1800万美金的资助,Boyden也拿到了超过1000万美金的资助,他们二人每年还能从其它渠道拿到一些资助。Boyden是一位高产的讲演者,TED上就有他的很多演讲。而Deisseroth则是2015年《纽约客》杂志上深入剖析专访的当事人。而在过去十年中,潘仅仅只拿到大约300万美金的NIH基金资助,这也算是一个研究人员能承受的最低限度资助了。对于这样研究来讲,很多奖励都只是来自他所在的学校——韦恩州立大学。根据他个人的网页来看,他被邀请做了一些报告,但是大多数是出现在俄罗斯的一些技术show上。


发明游戏的规则

这整个故事引出了一个问题,那就是对于科学中的发明意味着什么。这也是近年来困扰一些科学家的问题,包括最著名的CRISPR专利案。对于这个问题,显然还得根据具体背景来解答。学术界往往更多考虑到第一个发表学术论文的科学家。但是这个标准也存在问题,潘的遭遇就是一个例子。


在近一期eLife杂志上一篇短文中,两名生物学家Ronald Vale和 Anthony Hyman摆出了这个问题。他们指出,“从一篇论文提交到发表过程中持续的时间可以是几周到超过两年,在知识是如何从科学家手中传递到世界范围的过程中,这种延迟创造了很多不公平”。论文评审人员在一些熟悉的人名或者知名研究机构面前是有一定倾向性的。而盲审——论文作者姓名隐去,被认为能最大限度的降低这种倾向性,但是许多科学家对这种做法表示疑虑,因为研究经常是会提前在一些会议上进行讨论。


但是,是否意味着他将会出现在未来诺贝尔奖的名单上,这点并不清楚。Karmer认为,即使潘把论文提前放到预印本网站bioRxiv上,这也可能不会得到认可,因为论文没有得到同行评阅。也是他未来能够借“光遗传学”获得诺贝尔奖的关键所在。然而,在法律体系里却并不会理会上述学术规则。根据美国律师协会代表的专利法,为了证明一项专利的优先权,大多数时间里你需要显示“什么时候某人实际上已经构思了这项发明,什么时候这项发现正在实现——意味着你的想法得到了证实”。


基于这样的判定标准,一项新发现被世人认可的时间应该是其在实验室得以确认的时间,甚至是早于这一发现在互联网上传播之前。但是随之而来的是来自大众的评判。科学家们同时也是公众人物,他们也玩Twitter,出现在各种各样的夜间脱口秀的节目上。来自哈佛医学院的名誉教授Richard Masland拥有多项运用基因治疗技术治疗失明的专利,他认为, 与之前相比,进入大众视野的关于科研质量的评判越来越受到非科学因素的影响。


由于在韦恩州立大学,潘并没有很好地资源使得他的论文在高水平期刊上发表。这就是高水平研究所需要的代价,此外,顶级大学里面通常是资深研究员带领着一些资历较浅的研究人员,阅读评审他们的工作并帮助这些年轻人提升水平。潘承认的这个事实可能使他在和极富名望的斯坦福和MIT科学家的比较中处于不利的境地。“当然,我并没有证据证明”,潘说道。潘的谦和内敛和非母语语言能力可能使得他和Deisseroth与Boyden的差距变得更大。


加州大学伯克利分校的Kramer教授说道,“潘并不像其他人那样在很多公开场合演讲,而这个游戏中一个重要的组成部分就是要多出去走动,宣传自己”。这种宣传可以强化自我,“我认为有一种趋势就是谁先发现谁拥有更大的知名度”,凯西西储大学教授Landmesser说道。一个大学的公开视频也能产生全国性的新闻,这会使得有人在考虑提名某项奖的时候想到你的名字,这也会导致一些电视的出镜。


最终,潘和Deisseroth与Boyden团队都赢得了基于各自发现的专利。

潘于2005年5月份的讲座事实上威胁到了Deisseroth与Boyden的专利,由于潘的摘要出版比他们早了一年多,所以Deisseroth与Boyden的几次申请都被美国专利局拒绝。最终,Deisseroth与Boyden签署了一份文件,声称他们在潘的会议摘要出版之前已经用Channelrhodopsin正在发明他们现在的方法。最终,2016年3月份,相关专利才被授权下来,此时离他们发表文章已经过去十年。如今,Deisseroth是Circuit Therapeutics公司的联合创始人和科学顾问,这家公司基于“光遗传学”开发了很多治疗手段。(Circuit Therapeutics拒绝评论有关知识产权的问题。


潘拿到了一项运用光敏感通道蛋白恢复视力的专利。这项专利获得了RetroSense的许可,2015年还获得过美国天使资本协会(Angel Capital Association)的一个奖项。RetroSense在今年已经开始了一些列关于基因治疗失明患者的临床试验,他们的CEO还顺便告诉STAT有关潘在“光遗传学”发明过程中所扮演的角色。这是第一次将一个非人员的蛋白通过“光遗传学”手段应用于人类基因治疗。现在,走在德克萨斯州的盲人们满眼都是这种藻类的DNA。潘说道,“一件我仍然十分高兴的事情就是,即便是现在,我们的临床试验还是走在别人的前头”。


由于目前在美国,还没有基因治疗被批准在临床上使用,所以“光遗传学”技术在人身上的应用还有很长一段路要走。丹阳,加州大学伯克利分校的一名神经生物学教授正在运用“光遗传学”研究睡眠,她表示“光遗传学”短时间内应用于治疗不现实,未来需要很长很长的时间去保证这项技术的安全性。


因为对于发明本身,一些科学家认为潘可能并不具备Deisseroth和Boyden获得大奖的条件。Stefan Herlitze,一位曾经一篇关于光敏感通道蛋白文章被抢先发表的科学家说道,“当然,我不得不说,Deisseroth和Boyden确实发展并推动了这个领域”。Boyden也赞同这一说法。Boyden说道,“Karl 和我都非常着迷于这个general的问题——如何在大脑里控制细胞,并且我们一道努力突破这些分子逻辑的极限(push these molecules to their logical limits”。


也许谁最先发明“光遗传学”技术并不重要,更重要的是谁把科学推向最远最宽广的地方。在被问到他的工作是否被Boyden和Deisseroth所承认和认可的时候,潘没有回答这个问题。随后,潘告诉STAT称Deisseroth毫无疑问做了非常漂亮的工作,也很幸运,因为如果潘的文章提前发表出来,或许就不是现在的结局了,故事就要被改写了,并且潘他们会得到更多的Credit。


这是一个更多的用潘愿意讲述的方式的故事,如今潘仍然在底特律生活。接下来,他实验室正在运用一种新的光敏感通道蛋白来治疗失明,他也说道他的实验室非常小,主要的研究兴趣还是在修复失明上做一些努力。


说明:中文翻译有些地方可能说的不太清楚,建议读者们有时间阅读英文版原文,详细请点击https://www.statnews.com/2016/09/01/optogenetics/。全文顺利的编译得到了很多朋友的的支持,特别值得一提的是浙江大学博士生沈晨杰同学提供了部分翻译,澳大利亚昆士兰大学博士生夏迪同学提供了很好的建议和修改,瑞典Karolinska学院刘老师也参与部分翻译工作,还有几位好朋友也在百忙之中参与文章标题的改定和文字修订,一并致谢!


备注:原文最先发布于微信公众号BioArt(微信号:biogossip),扫下方二维码可以关注。




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