许执恒：找出大脑发育异常基因，或可战胜重大疾病
许执恒
中国科学院遗传与发育研究所研究员
许执恒和同事们在全世界首次证实寨卡病毒感染直接导致小颅畸形。他预言：找出大脑发育异常的基因并进行提前干预，人类将能预防疾病，甚至可以战胜一直困扰科学界的重大难题。
大家好！我是许执恒，来自中科院遗传发育所。今天我给大家介绍我们实验室有关大脑疾病的内容，并为大家讲一些工作背后的故事。
这个男的大家都认识吧，扎克伯格是脸书的创始人，他和他的太太决定把他们90%的财产都捐出来做慈善，因为他的太太是一个儿科医生，所以他们对疾病非常感兴趣。他们问过一个问题，“在我们的下一代，能不能让疾病都得到治疗？”这个问题既好回答也比较难回答。
我给大家举一些例子，我们每一个做父母的都希望自己的孩子健康快乐，像天使一样。
左图是胎儿在十周的时候拍的照片，你们可以看到他纯洁无瑕的眼睛，真是如天使一般。
然而在我们现实当中，我们可以看到像左图舟舟这样的人，他已经30多岁了，但是他的智力只有六七岁小孩的水平。右图是斯蒂芬·威尔夏，他是记忆画家，他的记忆能力匪夷所思，后面这张图是他坐直升飞机在一个大城市里面兜一圈回来后，完全靠记忆把整个城市给画下来，但是现实当中他是一个自闭症患者，他的社交能力和语言能力都有问题。
我们再看另外一张图，左图这个小伙子他是一个麻省理工学院的数学系教授，青年才俊，娶了个貌美如花的太太，大家都认为他将来的前途会一片光明。的确是！他后来获得了经济学诺贝尔奖，然而他结婚以后的几十年一直都被精神分裂症所折磨着。
观众们可能在想：这些人都这么有能耐，我也希望成为当中的一员。我劝你们别这么想，因为绝大多数情况下，这种患者都智力低下，生活自理能力很低，给家庭和社会都带来了很大的负担。这些患者多半都是大脑在发育过程中出现了问题。
因此，我给大家简单介绍一下大脑是怎么发育的。这张图里面粉色的部分是大脑早期发育时的一个雏形，我们把它切开之后看到里面是空的，这个壳周围只有几层细胞，这个细胞就叫神经干细胞，我们整个大脑就是由神经干细胞发育而来。
那么大脑里面主要起作用的细胞是什么呢？是神经元，神经元包括胞体、树突和轴突，也就是我们红色箭头标的这些结构。那么胞体、树突和轴突是起什么作用呢？它就是把神经元的信号传递到其它的神经元，从而控制其它神经元的活性，或者传递到其它的组织器官从而控制组织器官的功能。
我们大脑里有大概860亿个神经元。这个画是一个艺术家画的大脑局部图，彩色的丝就是一根根的轴突，我们的大脑就由这些不断交织的丝所形成的一个非常复杂的网络。
我们要研究疾病最重要的是什么？我们要了解它为什么会生这些病，要了解它的发病机制的话，那我们首先要有动物模型。
这上面有三个胚胎期的图，其中一个是小鼠、一个是人、一个是鸡。最左边的就是小鼠，我们可以看到，在中早期，小鼠和我们人类的大脑发育是非常相像的，所以我们实验室和大多数主流实验室一样，我们是用小鼠做动物模型来研究人类的疾病。
我们研究的一个疾病就是小颅畸形症，小颅畸形症的发病率大概是万分之二到十二之间。它的主要症状就是头小、智力低下、行为异常，那么目前发现的和小颅畸形相关的基因大概有16个，其中WDR62和ASPM是最主要的两个，占了50%以上。
中下的图是我们做了一个WDR62敲除的小鼠，大家可以看到这个小鼠的大脑明显小了。在右图呢，我们又给它做了个CT，大家可以看CT描述的是它大脑的一个颅骨结构，在白线以上是大脑。我们可以看到敲除以后，小鼠的大脑就明显减少了。
由于在人类中WDR62突变的人，除了头小以外，还有智力低下的表现，因此我们就想到小鼠会不会也是智力低下，所以我们就用了一种设备检测小鼠的学习记忆能力。
在左图最左边，我们把一个小鼠放在一个盒子里面，这个盒子下面有个电极板，我们给它两秒钟的短暂电击之后，小鼠突然就感觉痛了，反应跟我们人一样，人类一旦碰到恐怖事件的时候，第一个反应是什么？赶快趴地上不动了，那么小鼠也一样。
第一天它被电击了，如果说第二天我们把它再拿出来放在另外一个房间，就是B房间，小鼠在里面还是自由寻找、探索。如果再把它放到A里面，它一想完蛋了，又是昨天我被电击的这个鬼地方，它的本能反应就是赶快趴地上不动，这是短期记忆。
我们再测它的长期记忆怎么做呢？就是再过一个礼拜，我们再给小鼠放到A这个房间里面，那么大多数小鼠一般一个礼拜后还会记得之前自己遭电击的那个房间，所以一放进去它的行为还是趴在地上不动。所以，我们通过这套实验测试WDR62小鼠的智力是有低下的。
在以前的研究中，我们很难在体内研究单个神经元，但现在我们有一种技术，可以把小鼠的单个神经元用荧光蛋白标记，这样通过放大之后，我们可以看到其中单个的神经元。
这是一个神经元，我们还可以把上面的树突给它再进一步放大，这样的话，我们可以看到树突上面有一个凸起的部分，这个就是神经元的突触。我们知道突触是神经元连接的最基本单位，我们可以看右图在WDR62敲除的小鼠当中，它的突触数量是明显减少了，所以我们就知道WDR62是通过影响神经元的结构和突触形态导致智力低下的。
接下来，我给大家讲一个相关的课题。2015年以来，我们都知道寨卡病毒在全世界蔓延，已经播及到70多个国家和地区了。美洲新生儿的发病率突然上升了20多倍，这么多小颅畸形患儿的出生导致了世界性的恐慌，WHO宣布寨卡病毒感染成为国际关注的突发公共卫生事件。
有一个欧洲的妇女，她到巴西去做志愿者被寨卡病毒感染了，她回到欧洲后发现自己怀孕了，过了几个月之后，发现胎儿明显异常、头小，所以她选择了流产。
流产之后从胎儿的大脑里面发现了有许多寨卡病毒的颗粒，流行病学也支持寨卡病毒可能是导致小颅畸形的原因。然而巴西医生联合会说不是这回事，为什么呢？因为巴西当时要组织奥运会，寨卡病毒的疫情使得巴西政府送了大量的部队去灭蚊，用的是杀蚊剂，一种激素。巴西医生联合会认为是这些杀蚊剂导致了小颅畸形，而不是寨卡病毒，所以大家都在争论。
作为医学工作者，我们需要一个强烈的证据，需要用一个动物模型来证实寨卡病毒的确导致小颅畸形。中科院在2017春节以后组织了一个攻关团队，是由高福院士和巴斯德所的唐宏所长来组织的。因为我是做小头畸形研究的，所以他们临时把我也请过去做了两个报告。他们跟我谈的都是寨卡病毒，我当时在想我们似乎也应该做一些什么工作。
非常幸运的是，等我回国之后，我们得到了信息：军事医学科学院的秦成峰教授的实验室在中国第一个分离出来了寨卡病毒，怎么分离的？是有一个感染寨卡的病人回国时发高烧，在海关被截住了，截住一检测，他有寨卡病毒感染，然后他就被送到医院里做封闭治疗。秦成峰团队就从这个病人的血清里面分离出了寨卡病毒。因为他们有病毒，我们有技术，所以我们一拍即合，后续做了许多合作研究。
这个工作怎么做呢？大家可以看左图，早期胚胎的大脑里是空的，那么我们就用非常细的一种显微注射器把非常少量的病毒注射到胎鼠的大脑里。三天以后，我们看右图这个绿色的部分，这都是寨卡病毒，寨卡病毒在三天内复制了300多倍。
五天以后，小鼠的大脑已经明显小了，它里面的腔也大了，在右图上我们可以看到皮层厚度也减少了。我们最后得出的结论就是寨卡病毒可以感染神经干细胞从而造成大量的免疫反应，然后杀死众多神经元，最后皮层变薄，导致小颅畸形。
这篇文章刚被接受就被两个权威性的杂志评论为，我们的研究成果提供了直接证据和机制解析，还有非常重要的一个动物模型。
因为是在全世界第一个提供了直接证据，所以在全世界引起了广泛的关注，大概至少有一百多家电视台和报纸进行了报道，包括SCIENCE、FOX NEWS、路透社、BBC等等。
接下来我们又做了其它的机制研究，我们知道寨卡病毒感染导致小颅畸形，大概是2015-2016年的时候报道比较多，实际上寨卡病毒是1948年在非洲被分离出来的，那么这中间有60多年为什么没有小颅畸形的报道？
所以我们就选择用2010年分离出来的柬埔寨寨卡株和2016年分离出来的委内瑞拉株进行比较，结果发现是委内瑞拉株能明显导致小颅畸形，而柬埔寨株并不能导致小颅畸形。这就解释了为什么我们在2015- 2016年以后才发现寨卡病毒可以导致小颅畸形。那么这当中发生了什么呢？肯定有一些突变发生。我们找到其中一个突变，就是S139N，我们在柬埔寨株里把这个点给突变了，结果发现这个病毒就可以导致小颅畸形了，而且它可以明显地使脑子里面病毒感染的量提高大概十多倍，增加了大量细胞的死亡，导致小颅畸形。
这个工作非常重要，为什么？它可以给临床提供一些理论指导，也就是说全世界70多个国家再有寨卡病毒感染，我们需要针对的是那些南美株。如果检测到其它株的话，我们可以把它们放掉，因为它们主要引起的症状也就像感冒一样，而针对南美株，我们就需要把这些病人隔离治疗。
那么接下来，我们又对治疗感兴趣。这是我们找到的世界上第一种能够预防寨卡病毒感染也能抑制小颅畸形发生的治疗方式，我们在国外回来的患者身上提取一点点血清，然后注射到怀孕的母鼠里，可以让血清里有许多抗体进而把病毒中合了，这样的话就可以防止寨卡病毒感染和小颅畸形的发生。
那么接下来我们又找到第一种天然的药物，可以用来治疗小颅畸形的是25-HC，这是跟UCLA 程根宏实验室一块合作的，那么这种药物不但能抑制寨卡病毒感染，也可以防止小颅畸形的发生。
目前更让我们兴奋的是，我们找到了单克隆的人源性抗体来防治寨卡病毒感染和小颅畸形。
为什么要用人源性抗体呢？因为这是可以进行大量扩增，可以工业化，我们看到这个抗体是能够防止寨卡病毒感染和细胞的凋亡。
更有趣的是，我们看右下角，这是一窝小鼠，在鼠妈妈怀孕的中期，我们给它注射病毒，然后这些小鼠出生后几天就死掉了，而上图是另一窝小鼠，我们给鼠妈妈打了一点点抗体，结果小鼠全部都能存活下来，而且现在都长到成年了。
除了小颅畸形以外，我们实验室还在研究自闭症。自闭症的表现主要是社交和语言障碍，另外还有刻板性动作。
我们可以看左图这个小孩，他的喜好是搭罐头，他可以把罐头从地上一直搭得比他还高，倒了以后，他接着再搭，一天就干这一件事！中间这小孩，他在睡觉的时候，总是喜欢把他的玩具排列成一条线，而且这些玩具的头都是冲外的，谁要去动一下，他就又哭又闹。
我们做了一个小鼠的动物模型，大家可以看一下，右下角这个是野生型小鼠，而另外三只在那一直转圈，这个就是自闭症小鼠，这就是典型的刻板性动作。
那么研究自闭症有一个问题是缺少家系，自闭症的小孩因为他们语言社交出现障碍，他们很难能结婚生子。但是，即使有家系的话，我们也面临着困难。
比方说，我们还在研究的精神分裂症，精神分裂症在我们人口中大概占了百分之一，我们找到一个非常好的家系，这个大家族里面有四个精神病患者，我们抽取了一部分病人的血清，但是我们还需要另一部分家属的血清，当我们派医生和护士去抽血的时候，到了农村结果他们被赶出来了。为什么？因为中国人讲究家丑不可外扬，他们不希望别人知道他们家族里边有精神病患者，而这个对我们研究是什么基因的突变导致他们患有精神病是非常重要的，有了基因，我们就可以做动物模型，去研究机制，研发药物，再去测试药物，这些对我们医学研究实际上是非常重要的。
最后，我回答前面扎克伯格夫妇的问题，我们医学工作者和医护人员做了大量的工作，现在我们有许多病是可以治的，然而还有许多病，比方说自闭症和精神分裂症，因为我们对它的发病机制不是太了解，所以到目前为止还很难治，我们也只能采取预防的措施，我们希望科研工作者好好努力，同时也希望能得到大众的理解和支持。