DNA双螺旋发现70周年暨昌平实验室三周年论坛视频回顾（下）

2023年12月22日

昌平实验室于10月21日至22日举办了主题为“DNA双螺旋发现70周年暨昌平实验室成立三周年”的国际学术论坛。同多国科学家共同致敬这项生命科学历史上的伟大发现。本次论坛共设立9个专题，分别对DNA双螺旋发现回顾、DNA测序、基因编辑、中心法则、DNA与免疫、表观遗传学、基因组学、基因组医学、基因组神经生物学与技术进行深入交流讨论。来自国内外生命科学领域的顶级科学家、专家学者等400余人参加本次论坛，累计近3万人次通过直播平台线上观看会议。

让我们通过视频，一起回顾“DNA双螺旋发现70周年暨昌平实验室成立三周年”的国际学术论坛的精彩片段!

1.张毅教授报告

来自哈佛医学院/霍华德休斯研究所的张毅教授就“5mC Oxidation and Beyond”作报告。DNA甲基化是否可逆一直是基因领域研究的热点。张毅课题组发现Tet家族的三种蛋白可以将DNA甲基化修饰的5-甲基胞嘧啶（5mC）氧化为5-羟甲基胞嘧啶（5hmC）、5-甲酰基胞嘧啶（5fC）和5-羧甲基胞嘧啶（5caC）。其中，Tet3蛋白的效应随亲本复制而稀释，Tet1蛋白可以调控减数分裂的基因表达并清除DNA甲基化印记。另外，张毅团队发现造血干细胞（HSC）中存在异质性，当CD150表达水平高时，长期HSC向短期HSC的转变受损，机体张毅教授总结道，CD150能够反映个体的“表观年龄”，这也从表观遗传学角度解释了老年小鼠在接受年轻小鼠的HSC后“返老还童”的现象。

 2.高毅勤教授报告

来自昌平实验室/北京大学的高毅勤教授就“Relating Cell State Dependent Methylation to the DNA Sequence and 3D Genome”作报告，展示了通过理论假设、计算机模拟得到的实验数据分析结果。高教授首先介绍了DNA变构效应和序列效应及其在基因组中的分布，根据对转录起始位点CpG 密度变化的分析，猜测二核苷酸的构成和分布或影响基因调控机制。经过对启动子和基因体周围二核苷酸序列的分析，高毅勤团队发现CpG 密度在管家基因、与发育过程和神经调控相关基因、组织特异性的基因中呈现不同的特性，这可能影响H1组蛋白的结合。接下来，高毅勤团队分析了人类基因组中CpG的分层分布和染色质分层结构等，提出CpG可作为更好的指示染色质分离的指标。随后，高毅勤介绍了其团队新开发的CtG方法，利用该方法他们分析了口腔癌肿瘤发生发展过程中染色质结构的变化，并与基因组突变信息、甲基化信息等表观信息进行了整合分析，鉴定了不同口腔癌症亚型之间拷贝数变异和染色质结构的差异。这些分析表明二核苷酸及其分布可能产生广泛的影响，且癌变过程中DNA甲基化的变化与多尺度CpG密度和染色质结构密切相关。

3.汤富酬教授报告

来自昌平实验室/北京大学的汤富酬教授就“Single Cell Omics Sequencing Technologies: The Third Generation”作报告，介绍了其团队开发的多种单细胞测序技术。为研究多个基因组元件通过三维基因组构象变化参与基因表达调控的机制，汤富酬团队使用单分子测序平台开发了一种基于邻近连接的单细胞染色质构象捕获方法 scNanoHi-C。该研究根据scNanoHi-C的数据特点，对鉴定基因组协同调控区域的算法进行了优化，可在全基因组范围内鉴定增强子-启动子协同调控区域。随后，汤教授介绍了结合三代测序平台和scCOOL-seq原理开发的scNanoCOOL-seq技术。该技术能够实现在一个细胞内同时精准检测基因组、DNA甲基化组、染色质可及性及转录组等多个组学层面的信息。利用该方法，他们在单细胞分辨率下系统地描绘了小鼠囊胚期胚胎中表观基因组多个组学层面的动态变化。

 4.William Greenleaf教授报告

来自斯坦福大学的William Greenleaf教授就“Exploring the Physical Genome”作报告。他通过分化的细胞是如何自我识别这一问题引出对于基因组物理结构的探索与讨论。每个细胞，尽管具有相同的基因组，可以通过特异性识别DNA序列的转录因子驱动基因表达特定蛋白质，使细胞发挥不同作用。Greenleaf团队致力于寻找这一过程中的基因组转录机制，以判断转录因子所控制的基因片段及肽链的压缩、折叠等。团队开发了一种用于DNA片段测序的分离技术，可将开发的DNA片段转置于所检测的基因片段上，然后将所需片段分离后进行测序，用以识别被表达及受到相关因子驱动的基因片段。Greenleaf团队还关注驱动基因表达变化的调控元件，一方面通过训练神经网络模型预测对染色质具有高度破坏性的突变，判断基因组调控作用对于潜在突变的重要性，另一方面通过分子方法尝试理解调控元件的特定分子状态，判断是否可以得到一个定量模型，以用于理解DNA序列与相关分子浓度之间的关系。由此建立的配分函数模型可以用于启动子状态的测量，理解驱动基因表达里的微观状态。

 5.任兵教授报告

来自加州大学圣迭戈分校的任兵教授就“Unlocking the Genome’s Regulatory Code”作报告。任兵教授早年开发的ChIP-chip技术是一种用于研究体内转录因子结合和染色质修饰状态的方法，可用于分析非编码序列的表观遗传学特征。非编码序列中的顺式调控元件可以解释常见疾病遗传度的80%，然而传统缺乏细胞类型特异性。对此，任兵团队近期对成人和胚胎涵盖222种细胞类型的132万个细胞核展开了单细胞级别的表观基因组分析，鉴别了约120万种顺式作用元件，可以结合GWAS结果帮助预测与疾病有关的细胞类型，或结合深度学习模型预测风险变异对基因调控的影响。

 6.蔡龙教授报告

来自加州理工学院的蔡龙教授就“Spatial Genomics”作报告，带来了关于空间转录组技术的新进展。在回顾了各种空间转录组的检测方法之后，蔡龙教授主要介绍了团队近年来在空间组学技术上的发展和应用，重点介绍了从空间组学可能获得的重要信息。他首先介绍了序贯荧光原位杂交技术SeqFISH+，该技术通过多荧光和多轮探针的杂交以及共聚焦显微镜的成像，可以在原位水平检测多达10000+的基因，且探针原位杂交成像技术还可用于内含子的标记定位。通过空间转录组学分析，蔡龙团队发现了在急性肾损伤模型中的一群与肾上皮作用的“neighbor”细胞，以及成纤维细胞随空间排布有不同的基因表达模式，避免了传统单细胞测序中由于细胞解离而丢失重要的空间作用信息。此外，蔡龙教授也提到单细胞空间组学在DNA水平、蛋白质水平和染色质表观水平都能提供重要的信息。在表观水平上，通过原位的空间成像可以看到DNA、染色质和染色质上不同修饰在细胞核中的分布，他们发现了异染色质在不同细胞类型中分布的差异，且在空间上发现了不同异染色质上DNA交换的现象。

 7.王晓东教授报告

来自北京生命科学研究所的王晓东教授就“Regulated Cell Death and Organ-specific Aging”作报告，展示了哺乳动物生殖系统衰老的生化途径。王教授首先介绍了程序性细胞凋亡和程序性细胞坏死的生化路径，回顾了其团队在调控程序性细胞死亡信号通路方面的研究。随后，王教授讲述了蛋白激酶RIP3和它的底物分子MLKL的发现过程及其引起细胞程序性坏死的分子机理。通过对RIP3和MLKL雌雄基因敲除鼠的研究，发现RIP3而非MLKL在调控雌雄小鼠生殖系统衰老过程中发挥了重要作用，即RIP3可在雄鼠中介导精原干细胞程序性坏死，而在雌鼠中介导卵巢颗粒黄体细胞凋亡。最后，王教授提出了RIP3调控哺乳动物生殖系统衰老的生化路径。

 8.卢煜明教授报告

来自香港中文大学的卢煜明（Dennis Lo）教授就“Creating a Paradigm Shift in Prenatal Diagnostics sing Circulating DNA”作报告。在牛津大学攻读医学专业的期间，专修妇产科的卢煜明提出了一个重要的科学假设：如果孕妇的血液中含有胎儿的细胞，那就可以通过检测孕妇血液来检测胎儿细胞的DNA。顺着这个假设的思路，他尝试把血浆加热抽取DNA，并于1997年，通过pcr检测发现，孕妇血浆中可以检测到男性胎儿Y染色体的游离DNA（cell free fetus DNA，cfDNA）。他通过单分子PCR，把数据做大，又利用DNA排序的方法，找到胎儿DNA。为了筛查胎儿的唐氏综合症，他对血浆中的DNA做了随机引物测序，若胎儿患有唐氏综合症，21号染色体的DNA比例就会增高。由此，他成功开发出无创性产前诊断技术（Noninvasive Prenatal Testing，NIPT），开创了检测唐氏综合症的有效手段。之后，他又将cfDNA的研究扩展到癌症领域。目前，检测cfDNA的方法也被用于移植监测、癌症筛查等领域。

9.乔杰教授报告

来自昌平实验室/北京大学的乔杰教授就“Searching for Keys from the Genome: Thirty Years of PGT”作报告，回顾了近30年胚胎植入前遗传学检测（PGT）的发展和应用，指出了基因组测序技术的创新对PGT和生殖健康领域的促进作用。胚胎发育异常会导致不良妊娠结局，而PGT可通过辅助生殖技术于体外获得早期胚胎，经遗传分析筛选出正常胚胎移植回母体，从而获得健康后代。借助单细胞测序技术，2014年，世界首例经MALBAC基因组扩增高通量测序进行单基因遗传病筛查的试管婴儿在北京大学第三医院诞生，标志着我国胚胎植入前遗传诊断技术达到世界领先水平。目前，NGS-PGT可以实现数百种单基因遗传病、多个基因突变、单基因检测与HLA配型分析以及家系不全/新发突变等各种复杂病例的胚胎诊断，同时，基于cfDNA的无创胚胎着床前遗传学检测niPGT已经开发，PGT正朝着无创、安全、准确的目标继续发展。

10.张泽民教授报告

来自昌平实验室/北京大学的张泽民教授就“Tumor Heterogeneity at the Microenvironment Level and Its Implication in Personalized Immunotherapy”作报告。张泽民团队为了解析肿瘤微环境单细胞组成在病人间的异质性，整合了来自多个癌种的单细胞转录组数据，绘制了肿瘤浸润的髓系细胞、T细胞、NK细胞等多种细胞类型的组织分布和细胞基因表达图谱，鉴别了LAMP3+ 树突状细胞、SPP1+巨噬细胞、肿瘤相关NK细胞（TaNK）等多种与肿瘤发生发展有关的细胞亚型和状态，并揭示了上述细胞间的相互作用。这些发现有助于潜在肿瘤免疫治疗靶点的开发。根据肿瘤微环境在不同病人间的异质性，张泽民团队进一步对病人进行分类，发现病人可能具有不同的主导免疫逃逸机制，进而提出可以根据病人的细胞类型和状态组成，应用不同的治疗策略，建立肿瘤个性化医疗方案。

11.曹云龙研究员报告

来自昌平实验室/北京大学的曹云龙研究员就“Broad-spectrum SARS-CoV-2 Therapeutics and Prophylactics designed based on Viral Evolution Prediction”作报告，系统介绍了其团队在新冠病毒进化预测、广谱中和抗体开发等方面的研究工作。曹云龙研究员指出新冠病毒目前仍处于不断进化变异中，变异株层出不穷，且病毒变异的速度超过了疫苗和抗体药物开发的速度。为了解决这一问题，曹云龙团队在新冠病毒进化变异预测方面作出了一系列开创性工作，开发了高通量突变扫描技术（DMS），实现对新冠病毒的抗体免疫逃逸位点的系统分析，成功预测了包括BQ.1.1、CH.1.1和XBB系列在内的多种新冠病毒变异株的流行。目前该病毒突变模型已被广泛应用于新冠病毒基因组变异的监测。接着，曹云龙介绍了其团队通过高通量单细胞测序技术结合酵母显示技术，从60名非典感染康复并接种3剂新冠疫苗的志愿者中筛选获得的一株广谱中和抗体SA55，目前已经转让给相关公司进行产业化开发。最后，曹云龙展望了未来广谱疫苗的开发策略，强调了基于病毒RBD突变预测来设计广谱新冠疫苗的可行性。

12.Tom Maniatis教授报告

来自哥伦比亚大学/纽约基因组学研究中心的Tom Maniatis教授就“The Protocadherin Gene Cluster: A Bar Code Generator for Single Neuron Self-Recognition in the Mammalian Brain”作报告，介绍了Pcdh基因调控大脑中5-羟色胺能神经元分布的机制。Tom Maniatis是分子生物学的先驱之一，对基因克隆技术的发展、传播和应用做出了突出贡献。Maniatis教授从噬菌体λ中抑制因子和聚合酶的识别序列讲起，介绍了基因、环路和神经系统疾病的关系，指出单个神经元能否精准识别出“自己”和“异己”至关重要。经过研究，Maniatis团队发现原钙粘蛋白（Pcdh）基因簇（分为Pcdh-α、Pcdh-β和Pcdh-γ三个区），是单个神经元自我识别的“条形码”，通过这种“条形码”，神经元可以将它们自己与其他神经元区别开来。随后的研究进一步揭示了Pcdhs在嗅觉神经元（OSN）以及5-羟色胺能神经元布线中的功能，指出Pcdhs的多样性对细胞表面分子组装的重要作用，在多样性缺失的情况下，OSN无法在大脑中正确连接，而小鼠无法区分不同的气味。经过深入研究，Maniatis团队发现Pcdh簇内的单个基因Pcdh-α-c2，负责5-羟色胺能神经元在整个大脑中组装成平铺模式的能力，从而均匀分布5-羟色胺，而删除Pcdh-α-c2能引起5-羟色胺能神经元分枝缠结在一起，导致小鼠表现出抑郁症的症状。这些研究为大脑疾病的研究提供了新视角，提示大脑神经元布线异常或与多种神经性疾病发生相关。

13.Don Cleveland教授报告

来自加州大学圣迭戈分校的Don Cleveland教授就“Designer DNA Drug Therapy for Neurodegenerative Disease”作报告，介绍了多种神经退行性疾病相关的基因突变的分子机制，及利用反义单链寡核苷酸(ASO)治疗神经退行性疾病的机制。Cleveland团队发现ASO可以进入神经细胞，并靶向性地与mRNA配对引起RNA降解，从而抑制基因表达。依据这一特点，Cleveland团队设计了不同的基于ASO的治疗策略，用于治疗功能获得性基因突变引起的神经退行性疾病。随后，Cleveland举例说明了其团队近年来的研究成果。例如，2% 肌萎缩性侧索硬化症（ALS）人群因SOD1功能获得性突变引起的细胞毒性而发病，而ASO-SOD1可以有效抑制SOD1的表达量。除了ALS，LRRK2基因激活突变引起的帕金森病也可以通过ASO-LRRK2得到抑制。此外，与错误折叠的Tau蛋白积累有关的阿尔兹海默症也可以通过ASO-Tau得到抑制。除了基因表达抑制，Don Cleveland教授还分享了在ALS和额颞叶痴呆（FTP）中ASO引导基因正常表达的应用，如通过ASO药物可以代替TDP-43的作用恢复STMN2的正常剪接，从而恢复Stathmin-2蛋白的正常合成。最后，Cleveland教授总结了DNA药物在治疗神经系统性疾病的应用进展和未来前景。

14.Joseph Ecker教授报告

来自索尔克研究所/霍华德休斯研究所的Joseph Ecker教授就“What Lies Above? Mapping the Human Brain Epigenome”作报告。Ecker教授指出大脑细胞中的DNA甲基化及其在蛋白层面的表达可能影响人类认知能力。在大脑中这种特殊的DNA甲基化主要发生在CH位点，且主要出现于出生前后，与突触发生有着密切关联。通过snm3C-seq技术同时测量单个细胞中的DNA甲基化和染色质构象，特别是其中的CH甲基化情况，可以对神经元进行分类。同时，缺失一种名为DNMT3A的DNA甲基转移酶会导致CH甲基化异常，并且影响神经元之间的突触连接和长期记忆形成。这些研究揭示了CH甲基化在大脑中的重要作用，为认知功能和神经退行性疾病的机制和治疗提供了新的线索。

15.王晓群教授报告

来自昌平实验室/北京师范大学的王晓群教授就“Human Brain Genomics: A Journey through Development, Evolution and Disease”作报告，介绍了团队利用基因组学对人脑发育、进化以及疾病的研究。报告重点关注放射状胶质细胞（RG Cell）等神经祖细胞分类、分布和发育。通过单细胞测序和空间转录组等技术，王晓群团队解码了不同区域人脑发育过程中各类神经祖细胞和细胞系的分子特征，探索了神经上皮细胞（Neuroepithelia Cell，NE Cell）向RG细胞的转化和这一过程中的重要信息通路，借TMEM14B这个在皮质神经发生中起着重要作用的基因为引介绍了人脑祖细胞的细胞类型和基因表达谱，阐释了其中的多样性和基因表达进化，并结合动物模型和人源血管化类脑器官探索大脑发育障碍的机制。

16.刘河生教授报告

来自昌平实验室的刘河生教授就“Advances in Functional Brain Imaging Technology”作报告，介绍了基于核磁成像的个体化精准脑功能分区技术及其在医学领域的应用，以及对功能核磁成像直接记录活体神经活动的探究。刘河生教授首先介绍了脑功能分区的研究历史和传统方法，展示了成人、新生儿和猕猴中的个体差异，引出了团队研发的个体化精准脑区剖分（pBFS）方法。该方法将个体大脑皮层分为个体间存在差异、个体内高度可重复的213个区域，可用于脑手术的术后预后预测或用于指导精准的神经调控治疗，展现出了良好的效果。此外，针对传统功能核磁共振技术在时间分辨率上的局限，刘河生团队开发了一种名为TRIGGER的技术，利用特殊优化的高信噪比磁共振序列，实现了清醒人脑的高时空分辨率记录，能够以5毫米、1.4毫秒的高时空分辨率记录清醒人脑的神经活动，这一技术对于神经电活动的记录效果也在蛙腿电刺激实验中得到了验证。

17.谢晓亮主任致闭幕词

论坛最后，谢晓亮主任对本次论坛的成功举办付出辛苦和努力的所有人表示衷心感谢，在致敬DNA双螺旋结构发现及相关开拓性研究的同时，希望大家能够传承老一辈科学家的睿智、坚韧和合作精神，在生命科学领域不断开拓新的版图，也祝愿昌平实验室未来不断成长，再创新的成就。