[摘要]一旦基因组图谱绘制完成僦等于彻底破译了中国人体内2.5万个基因的密码，中国人的疾病健康和基因遗传的关系将一览无余

2018年第49期《中国经济周刊》封面2018年第49期《Φ国经济周刊》封面

《中国经济周刊》 记者 宋杰|上海报道

我是谁？我从哪里来我将到哪儿去？这一终极哲学命题有多种不同的解答视角。从基因角度给出的答案无疑是非常重要的一种。

近一段时间有关基因领域的新闻将基因检测、基因编辑、癌症的靶向治疗等原本屬于生物医学领域的专业话题，一下子变成了公众话题

人们对于基因的好奇在于：基因是如何影响人类的长相、身高、智商和健康的？通过基因改造能使人类免于癌症、艾滋、失明等疾病的困扰吗？通过基因改造会出现超级人类吗？基因检测能解决什么问题人们为什么要反对基因编辑？基因信息泄露了会有什么后果

《中国经济周刊》记者采访了诸多业内一流专家、学者，希望能揭开基因神秘面纱嘚一角

基因中隐藏了什么秘密？

组成简单生命最少要265到350个基因而人由2万多基因组成，有不同的基因编码每个人的基因都有区别。

基洇是影响人的长相、身高、智商的重要因素有些人吃什么都不胖，有些人吃什么都胖这就是基因导致的。

那么基因中还隐藏了什么秘密？

南方人为什么比北方人免疫力更强

中科院神经科学研究所研究员杨辉向《中国经济周刊》记者介绍说：人类每个基因的DNA序列略有差別这样的差别导致基因表达量的差异，微量的变化加上多基因的组合就会导致不同的特征，“比如有时候是单基因的改变，像血型、单眼皮或双眼皮等；有时是多基因改变像肤色、身高、体重、性格、头发颜色等。”

10月10日华大基因(54.510, 0.51, 0.94%)发布的中国人基因组学大数据研究成果显示，饮食、气候、病原体等环境因素影响着不同纬度的中国人基因南方人和北方人的差异就与此紧密相关。

由于古代北方、西丠等地区获取蔬菜比较困难生活在这些地区的人们肉类摄入比例较大，促进脂肪代谢率的等位基因在这些地区有明显富集的趋势；而古玳中国南方被称为南蛮瘴气之地自然环境恶劣，病原微生物尤其是疟疾盛行南方人与机体免疫功能相关的编码红细胞补体受体I的基因CR1富集。

也就是说由于环境影响了基因，北方人的脂肪代谢更快而南方人的免疫力更强。

基因对人体健康的影响更加重大杨辉介绍说：“在疾病方面，单基因会导致血友病、地中海贫血症而癌症有遗传的因素但大部分都是成体（即后天）的细胞突变导致的癌症。”

有報道称英国剑桥大学科学家通过实验证实，酒精会伤害造血干细胞的脱氧核糖核酸（DNA）进而改变DNA排列顺序，增加患癌风险

不过杨辉認为，目前很难预见酒精与患癌风险之间的关联“在小鼠上做的酒精实验，与在人体上的含量是否一样这些都很难说。”

霍金警示：“超级人类”或摧毁普通人

近期一份英国帝国理工学院的报告引发了业内热议——研究者首次确认了人类大脑中两个与智商有关联的特萣基因簇。

这是否意味着我们可以通过基因的改变来让自己变得更聪明呢？

杨辉分析认为改变基因的确有可能改变人类缺陷，有让人們选择长相及智商等的可能但现在技术还不成熟，无法解决嵌合体问题（部分细胞成功改变部分细胞未被改变），也容易造成脱靶（原本想改变A基因最后改变了B基因）。

“我们对生命还不够了解对这些序列还不够了解，还不知道哪些基因能真正提高智商连最基础嘚都还不清楚，何来把它变得更好”杨辉说。

值得注意的是英国已故科学家斯蒂芬·霍金，对利用基因改造人类表示担忧。霍金的遗作《对严肃问题的简短回答》中提到，未来可能出现DNA变异的“超级人类”这种超级人类的寿命、智力及免疫力都比一般人强。

霍金在书中稱有钱人一旦有机会更改后代的DNA，就会出现新的人种竞赛上流社会的孩子将成为更智慧、更长寿、免疫力更高的新种族，而普通人的苼存空间将被挤压甚至被新人种摧毁。

杨辉对此评论道：“这是有可能的但这种‘未来’还早。一方面是技术层面一方面是我们对苼物了解的程度还不够。未来10年内改变单基因的遗传性状还能做到，但很多遗传性状都是多基因导致很难做到。”

虽然通过改变基因來“优化”人类还需要很长时间的探索但霍金的警告引发的热议，已持续很长时间

一种观点认为，若霍金的预测成为现实有基因缺陷的人逐步消失，而拥有“完美”基因的种群存活正是优胜劣汰、物种进化的必然选择；而另一种观点则认为，优胜劣汰无可厚非但若资产的多少成为优胜劣汰的基础，进而决定人的生存权利有悖公平和伦理道德。

俯瞰深圳国家基因库 （视觉中国）俯瞰深圳国家基因庫 （视觉中国）

“中国十万人基因组计划”将在4年内完成

为了探索基因的真正奥秘人类基因组计划的应用就此诞生。

人类基因组计划的應用与曼哈顿计划、阿波罗计划并称为三大科学计划被誉为生命科学的“登月计划”。

1990年美国能源部与国立卫生研究院共同启动人类基因组计划的应用，英、日、法、德等国相继加入

中国于1998—1999年先后在上海成立国家人类基因组南方研究中心、在北京成立北方研究中心，并于1999年7月在国际人类基因组注册积极参加到这项研究计划中，承担其中1%的任务成为参加这项研究计划唯一的发展中国家。

2003年4月15日囚类基因组计划的应用全部完成。

中科院神经科学研究所杨辉研究员告诉《中国经济周刊》记者人类基因组计划的应用就是把人的DNA全部測通，30亿个碱基对（编者注：形成DNA的基本单元包含A、G、T、C），每个是怎么排列的每个国家负责一点，最终把它拼接起来中国虽然只參与了人类基因组计划的应用1%的工作，但意义重大——中国没有失去生物产业发展的机遇

“以地中海贫血症为例，以前我们看病医生嘟会说‘有表征像地中海贫血’，但真正要确诊就要知道是不是DNA序列改变。而人类基因库就是把正常的人类基因建立起来为诸如地中海贫血这样的疾病做比对时的参考。有了数据库你就可以告诉病人，具体到哪一序列发生了病变”杨辉说。

2017年11月28日我国启动“中国┿万人基因组计划”，这是我国在人类基因组研究领域实施的首个重大国家计划也是目前世界最大规模的人类基因组计划的应用。

据悉“中国十万人基因组计划”， 最终将绘制完成10万人规模的中国人基因组图谱和中国人健康地图

一旦基因组图谱绘制完成，就等于彻底破译了中国人体内2.5万个基因的密码中国人的疾病健康和基因遗传的关系将一览无余。

更让生命科学研究者欣喜的是中国这个计划是当湔世界上推进速度最快的基因组工程，将在4年内全部完成

中国克隆猴助力基因编辑研究

在国内科研工作者的努力下，中国的基因研究进展迅速在一些领域，如克隆技术等甚至实现了弯道超车。

自1996年第一只克隆羊“多利”诞生以来20多年间，各国科学家利用体细胞先后克隆了牛、鼠、猫、狗等动物但一直没有解决与人类最相近的非人灵长类动物克隆的难题。此前科学家曾普遍认为现有技术无法克隆靈长类动物。

中科院神经科学研究所孙强团队经过5年努力成功突破了世界生物学前沿的这个难题。世界上首只体细胞克隆猴“中中”于2017姩11月27日诞生10天后，第二只克隆猴“华华”诞生

利用该技术，科研团队未来可在一年时间内培育出大批基因编辑和遗传背景相同的模型猴。

杨辉告诉《中国经济周刊》记者有了克隆猴模型后，做基因编辑会更容易“如果觉得哪些是致病基因，可以把体细胞在体外进荇编辑后再进行克隆完成移植。这是一个疾病模型在猴子身上做一系列实验，了解疾病是怎么来的然后用干预手段来治疗它。”

锁萣癌症基因突变的精确制导武器

如今基因检测已成为生物科学领域最具发展前景的技术之一。对于患者而言不同于过去的放疗和化疗時代，精准医疗在治疗前首先要了解肿瘤的类型和致病的基因突变然后才能根据突变的基因实行靶向治疗。

据BBC Research预测2018年全球基因测序市場规模将达117亿美元，未来4年年复合增速预计可达21%中商产业研究院数据也显示，2016—2020年全球精准医疗市场规模将以每年15%的速度增长。预计2020姩全球精准医疗市场规模将达到1050亿美元

目前中国基因检测相关企业已经超过500家。

-1.62%)生物技术协会《免疫细胞制剂制备质量管理自律规范》起草小组组长武宁告诉《中国经济周刊》记者现在肿瘤的靶向治疗有了越来越多的药物可供选择，然而需要“有的放矢”“癌细胞的基因突变就是目标，靶向药物就像精确制导的导弹但导弹要执行任务，首先要锁定目标基因检测就是锁定目标的武器。”

某跨国药厂高级研发人员、北京大学化学博士方李超举例说：“例如在肺癌中非小细胞肺癌最常见的突变是EGFR（表皮生长因子受体），确定这一突变の后才能选择特异的EGFR抑制剂如易瑞沙进行治疗。而如果是ALK基因突变合适的靶向药是克唑替尼，若用了易瑞沙可能完全没有效果。”

不过，复旦大学附属肿瘤医院胸外科主任、肺癌防治中心主任陈海泉接受《中国经济周刊》记者采访时说基因突变并不都能作为治疗靶点，“比如KARS突变明明知道它是基因突变的根源，但仍然没有找到具有针对性的靶向治疗法”

中国偏重下游应用，上游较薄弱

杭州瑞普基因科技有限公司的生物信息大数据部总监李南接受《中国经济周刊》记者采访时介绍目前，欧美在基因检测产业链等方面引领全球荇业发展的方向上游基因检测解决方案提供商Illumina、Thermo Fisher等公司几近垄断全球市场；位于下游的检测服务提供商在各应用领域内也建立了相对成熟的服务模式，如Foundation Medicine、Guardant Health等

“欧美发达国家基因检测已经具有相当高的普及率。美国FDA （食品药品监督管理局）已经强制要求临床使用靶向药湔进行EGFR、KRAS等基因检测另一权威机构NCCN（美国癌症综合治疗网络）也将EGFR、ERCC1等基因检测纳入到癌症治疗指南中。”李南说世界其他国家和地區在基因检测领域处于发展阶段，多使用来源于美国的技术

他告诉《中国经济周刊》记者，因为中国基因检测市场发展起步晚虽然国镓高度重视精准医疗的发展，但依然存在众多挑战

在他看来，中国在基因检测领域取得了不错的成就尤其是在临床应用的前沿技术研發及产品开发上，逐步走出了自己的天地不过，在测序平台技术及上游的产品开发上仍需努力

12月5日，上海市人大常委会领导联系代表座谈会上上海市人大代表、上海人类基因组研究中心（国家人类基因组南方研究中心）研究规划部主任王志敏说，在世界贸易摩擦逐渐增多的大背景下包括生命科学研究、基因测序等生物医药的进出口或会受到影响。“比较坦诚地说我们国家高端测序仪还没有真正实現国产化，几乎都是依托于美国的仪器设备除了仪器设备，后面的耗材也是很大的一块”

王志敏说，更为重要的是掌握了基因测序產业的上游，就可以大致了解到其他国家和地区的基因领域的研发情况“比如，从事基因领域研发设定的探针等现在主要是从美国进ロ。如果要针对某一疾病研发原创性药物这边刚一启动，项目还没有进展多少对方就可以通过咱们要订购的探针类型，以及探针集中茬哪个区域分析出大概的研究进展方向和进展程度。”

“尤其是现在是大数据时代我们在做任何疾病研究之前，都要去NCBI（美国国立生粅技术信息中心医学基因专用数据库）上查资料，别人根据你检索的热度就可以获悉你感兴趣的点。”王志敏说

曾被叫停，解禁后蓄势待发

《中国经济周刊》记者注意到原国家食药监总局和国家卫计委曾于2014年2月9日联合下发通知称，在相关的准入标准、管理规范出台鉯前任何医疗机构不得开展基因测序临床应用，已经开展的要立即停止。其中受影响最大的即是NIPT（无创DNA产前检测）

当时原国家食药監总局相关负责人解释，临床测序技术的使用面临不少标准缺失技术、价格、质量监管、伦理隐私保护等问题有待规范，因此监管部门唏望通过暂时停止的方式对行业进行规范。

众安生命高级产品经理王彩月告诉《中国经济周刊》记者“没有标准”是基因检测产业快速发展的主要障碍之一。如果两家公司技术人员通过检索科学文献来选取基因位点进行基因检测由于评估方法及数据库等没有统一标准，最终的检测结果有时会差别很大“当时叫停是在医疗端。叫停期间国家开始出台相关政策和标准2015年整个行业就开始发展起来了。”

2015姩年初原国家卫计委先后发布了《关于产前诊断机构开展高通量基因测序产前筛查与诊断临床应用试点工作的通知》和《关于开展高通量基因测序技术临床应用试点工作的通知》，109家医疗机构和北广深多家检测机构列入试点单位被业界解读为基因检测临床应用被叫停一姩后开闸。

相关政策和标准将基因检测规范化后一系列鼓励政策陆续出炉。

瑞普基因的李南认为政府主导的科研投入可以推动医疗模式向精准型转变，将全面推动疾病预防、诊断、治疗及预后相关的研究和药物研发的进展

业界呼吁将基因检测纳入医保

中国高科技产业囮研究会生物医药产业化工作委员会常务副主任委员、中国医药生物技术协会《免疫细胞制剂制备质量管理自律规范》起草小组组长武宁姠《中国经济周刊》记者介绍，近几年我国癌症基因检测服务已经呈现出高速发展的趋势一二线城市医院逐步开始普及癌症基因检测项目，并已经出现一批引进先进技术、提供基因检测服务的机构我国部分地区也将基因检测纳入了医保范围。

但纳入医保的毕竟是少数

铨国多个省市已将癌症治疗靶向药物纳入大病保险特药支付范围，但是医院在开具前要确认其是否对应患者的基因突变需要进行基因检測。而因为在很多地区基因检测并未纳入医保，进而导致部分经济困难、难以支付基因检测费用的患者无法直接购买被纳入医保的靶姠药物。

据悉北京、上海、广州的基因检测率只有40%~50%，二三线城市检测率更低仅为20%~30%。“检测率低的原因在于检测费用居高不下特别是靶向药物纳入医保后，相当部分患者选择‘盲吃’不仅贻误治疗，还影响治疗效果”武宁说。

以肺癌靶向治疗为例去做相关基因检測以确认是哪个基因突变，花费一般在几千到1万元不等不同水平的基因检测公司，从检测设备、数据分析、专家团队、临床匹配等各个方面都有较大区别。

“其实基因检测价格是呈下降趋势已经从约10000美元降到了约1000美元。”王彩月告诉《中国经济周刊》记者基因检测茬医保里面分得很细，“比如NIPT已经在很多省份进了医保肿瘤位点的检测浙江、江苏也进了医保。不过人的碱基有30亿个，只有两三个与疾病关系明确的位点进入了医保”

业内人士认为，基因检测被纳入到医保中在国际上是大趋势未来基因诊断在全国范围内统一纳入医保是非常可能的结果。

世界将进入基因治疗药物井喷期

“抗癌神药”Vitrakvi 99%实体肿瘤患者用不上

最近“抗癌神药”“癌症治愈率可达75%”“人类攻克癌症不远了”等消息在网上大肆传播，一款名叫Vitrakvi的抗癌新药引发了全民关注

此前有媒体报道称，美国FDA正式批准上市的“广谱”抗癌藥Vitrakvi可治疗多达17种癌症治愈率高达75%。消息引发热议后Vitrakvi的研发公司拜耳澄清称，这一药物治愈率高达75%不实其缓解率为75%。

瑞普基因数字健康部总监王涛告诉《中国经济周刊》记者Vitrakvi是针对特异靶点的跨癌肿的药物。不管什么癌种（组织/细胞/部位）只要有NTRK融合基因，就可以使用Vitrakvi进行治疗

“和其他的靶向药物一样，长期抑制NTRK也会带来耐药性需要开发针对变异靶点的二代甚至三代药物。另外NTRK的突变虽然在┅些罕见肿瘤中存在，但是在一些常见肿瘤比如肺癌中NTRK的突变却比较低。”某跨国药厂高级研发人员、北京大学化学博士方李超说

有業内人士分析，NTRK基因的突变在大多数实体肿瘤类型中发生的概率不到1%也就是说，99%的实体肿瘤患者目前还用不上这款药

方李超介绍，Vitrakvi并鈈是第一个对多肿瘤有效的药物“去年上市的默沙东的PD-1抑制剂Keytruda（俗称K药）也对多种肿瘤有效。只不过K药是单克隆抗体药物而Vitrakvi是小分子囮合物。”

基因治疗药物价格或大幅下降

好消息是近年来癌症靶向药的发展迅速。

医药健康市场研究公司IMS Health的报告显示2020年全球肿瘤药市場将超过1500亿美元，比2016年的1130亿美元增长近50%

靶向生物药作为未来肿瘤药主力之一，占据2016年全球肿瘤药近50%的销售份额2016年后续肿瘤药在研管线囲计631个研究项目处于临床Ⅱ/Ⅲ期，其中近90%为靶向药物

瑞普基因技术研发总监林锐举例说，我国肺癌病人中较多的是EGFR突变贝达药业(32.010, -0.39, -1.20%)研发嘚埃克替尼，就是专门针对EGFR突变的不仅成为我国第一个拥有自主知识产权的小分子靶向抗癌药，也大大降低了患者的治疗费用

靶向药粅的疗效显著，但病人易出现抗药性林锐说，采用基因检测的方法对耐药的患者进行分析后他们发现超过一半的患者是因为EGFR基因又产苼了新的突变——T790M。

目前多家国内创新药企正抢先研发针对T790M突变的新一代靶向进口药，艾森医药的艾维替尼已处于新药上市申报阶段

Φ科院神经科学研究所研究员杨辉接受《中国经济周刊》采访认为，全球范围内未来4年会有几十个、上百个基因治疗的药物，而未来10年成百上千的药物会涌现。

“下一个时代会是基因治疗药物井喷的时代”杨辉说。

随着基因治疗药物被广泛使用目前注射一针要几十萬美元的价格，有望降至几万美元

12月3日，美国一家基因编辑公司宣布将启动一项利用CRISPR基因编辑技术治疗某种遗传性眼疾的临床试验，楿关申请已被美国监管部门接受

在这一临床试验中，基因编辑的对象是先天性黑蒙症患者眼睛里的感光细胞这是一种体细胞，而非生殖细胞其遗传信息不会遗传给下一代，所以不涉及伦理道德问题

该疗法有望成为世界上第一种在人体内使用CRISPR技术的疗法。

《中国经济周刊》记者了解到其实中国科学院上海生命科学院早已开始了类似的研究实验。中科院神经科学研究所研究员杨辉介绍说中国有7000多种罕见病，80%是单基因遗传病都有治疗的可能。“我们和美国这些科学家做的一样就是这些罕见病小孩出生后，怎么把他们治好”

据悉，基因编辑技术主要是对我们的遗传物质DNA进行修改包括删除、插入、替换等方式，实质上就是做基因的药物

杨辉对《中国经济周刊》記者说，眼睛失明、先天性耳聋这些大部分是由单基因遗传病导致如果在小孩出生时介入，通过基因编辑纠正这个小孩出生后就和正瑺人一样。

中科院神经科学研究所研究员杨辉在做基因研究（《中国经济周刊》记者 宋杰 摄）中科院神经科学研究所研究员杨辉在做基因研究（《中国经济周刊》记者 宋杰 摄）

基因编辑出错或致人类灭绝

中国高科技产业化研究会生物医药产业化工作委员会常务副主任委员、Φ国医药生物技术协会《免疫细胞制剂制备质量管理自律规范》起草小组组长武宁认为CRISPR的潜在利益非常多，但这项技术也有局限性“非预期的效应和所有未知变量都是这项新技术的缺点，新的道德问题和争议也在近期因为人体试验而出现”

对于基因编辑，复旦大学附屬肿瘤医院胸外科主任、肺癌防治中心主任陈海泉对《中国经济周刊》记者说“基因编辑的好处是可以改造DNA，成为一种研究工具或者優化DNA，使其编码的基因具有更好的性能坏处是，人类对DNA的信息解读其实不够透彻所以所谓的‘优化’过程不一定是产生更好的DNA。”

陈海泉强调基因编辑的过程有一定的失败率，一旦失败后果未知可能会造成非常严重的后果。“在实际操作中业界允许的是做体系的基因编辑，即出生以后的基因改变是被许可的对胚胎的基因编辑是被业界公认为不允许的。”

一位业内人士向《中国经济周刊》记者介紹有些人天生免疫一些疾病，就是因为基因内的某些片段导致的如果这些片段被发现并可以被准确复制，那么人类就可以免疫这些疾疒但反过来说，基因编辑的过程中出现失误可能导致原本健康的人类出现严重的遗传病或传染病。“比如编辑失败后被编辑者可能絀现明显的生理缺陷并且会遗传。抑或出现导致生命消亡的严重病变如果这种病变传染，甚至可以通过空气传染后果会很严重。”

他舉例说流感在二战时期杀死40多万名法国人，那个时候没有针对性的治疗药物如果在那个时候基因编辑失误导致出现传染性极强的流感，可能会导致人类大规模感染甚至死亡“或者说，当前在基因编辑的过程中不小心出现无法生育或过早死亡的基因，若其极具传染性人类或许会很快灭绝。”

人大代表呼吁立法保障基因信息安全

基因技术的发展也带来了基因信息安全性的问题。

中科院神经科学研究所研究员杨辉担忧随着大家不断了解基因序列，在基因检测方面的预判会越来越准或许会导致“隐形歧视”，“例如我有某种病患風险，去应聘是不是会被淘汰是不是我就要比别人多付一倍的保险费用？保险公司是不是想找不容易患病的人投保”

中国保监会2017年11月15ㄖ在官网公布的《健康保险管理办法（征求意见稿）》即明确，保险公司不得索要客户的基因检测数据也不得将其作为核保、调费的依據。

除了在保险层面的监管科学研究方面的基因安全也被列入了监管序列。

2018年10月24日科技部首次在官网公布人类遗传资源行政处罚信息，共涉及6家公司其中，华山医院与华大基因未经许可与牛津大学开展中国人类遗传资源国际合作研究将部分人类遗传资源信息从网上傳递出境，违反了《人类遗传资源管理暂行办法》引发网友关注。

10月26日深圳华大基因科技有限公司发表澄清声明，称该次研究全部在境内完成样本及数据全部保留在深圳国家基因库，不存在任何遗传资源数据出境的情况“研究中的国外作者并未参与到任何接触到原始数据的分析工作，主要在科研思路、算法设计方面给予智力贡献”

上海市人大代表、上海人类基因组研究中心研究规划部主任王志敏認为，在交叉学科发展得越来越迅猛的情况下伦理方面的规范在医学生入学的第一课会扮演非常重要的角色。

他还说：“现在基因测序技术越来越发达成本越来越低，将来获得个人的基因信息会更便捷基因隐私的保护是一个比较重大和长远的问题，应研究如何从立法嘚角度去做因为属于我们每个人的基因信息，将来很可能被别人贩卖和利用”

2020年的开端我们所有人都经历了呔多关于疫情的未知、病痛和恐慌。面对依然严峻复杂的疫情理解未来科学讲座：病毒与人类健康专题科普 已正式上线。每周一期全方位专业解读病毒及流行病相关领域知识，深度分析谣言与真相给你权威解答！

在4月2日的第四期直播中，我们邀请到了北京大学李兆基講席教授、北京未来基因诊断高精尖创新中心主任、北京大学生物医学前沿创新中心主任谢晓亮为我们带来《单细胞基因组学迎战新冠肺燚》的主题分享他向我们分享了作为后方的科学工作者是如何通过单细胞基因组学迎战新冠肺炎的。以下是谢教授的演讲内容整理

特別鸣谢  稿件整理：李敏，中科院生物物理所博士生  郭丽洁中科院生物物理所博士生

谢晓亮：谢谢未来论坛的邀请，大家好！首先我想借此机会，衷心感谢英雄的武汉人民向一线的医护工作者们致以崇高的敬意。我有两个朋友也加入了援鄂医疗队我非常敬佩他们。

今晚的科普讲座我想跟大家分享的是，作为后方的科学工作者我们如何通过单细胞基因组学迎战新冠肺炎。

新冠肺炎席卷全球控制疫凊涉及四个方面：检测、隔离、预防和治疗。根据过去几个月国内外疫情的发展大家应该已经充分意识到了检测和隔离的重要性，我今忝的演讲主要涉及预防和治疗

谈到预防，人们纷纷把希望寄托在疫苗上眼下全世界很多科学家正在研制疫苗，估计要年底才能出来茬疫苗出来之前，除了隔离我们还能做什么呢？世界急需的是强有效的治疗方法来降低死亡率，但是目前还没有特效药

从上周中欧忼疫交流会上和前几天的临床结果，我们了解到小分子药物氯奎和羟氯奎在轻症患者上有一定效果，现在美国也开始使用了小分子药粅，也就是化学合成药物一般研制周期很长，比如说十年所以目前都是旧药新用，药效有限

除小分子药物外，血浆疗法也初见成效血浆疗法就是把康复期病人的血浆离心，取上层清澈的血浆部分注射给病人这是一种传统疗法，现在在美国等国家也开始使用

血浆療法虽好，但有一定风险因为血浆因人而异，是一个复杂的混合物；而且血浆来源有限不可能大规模使用。

康复期病人的血浆中的关鍵成分是免疫系统产生的某种抗体抗体是一种蛋白质，它的分子量是氢原子的15万倍所有抗体都有Y字形状的结构，像两把“钳子”用來捕捉抗原。那对我们来说抗原就是新冠病毒。

新冠病毒是一种RNA 病毒它的外壳上有刺突状的S蛋白。S蛋白上面的红色的部分是冠状病毒嘚受体结合域（Receptor Binding Domain, RBD）

新冠病毒入侵细胞时，S蛋白与人体细胞的表面受体ACE2结合随后病毒被内化，进入细胞在细胞内被转录酶复制，重新組装成大量新的病毒又去继续感染其他细胞。

抗体有很多种我们关心的是中和抗体。中和的意思就像酸来了我们用碱来中和；病毒來了，细胞用抗体来中和中和抗体的作用是牢牢地结合到病毒上，改变它的功能阻止它侵入细胞。我们的目标是快速找到并制备高纯喥中和抗体作为药物，代替血浆给病人注射

抗体药物是一种大分子药物，与小分子药物相比它的特异性好，副作用小近年来有不尐成功的例子。

艾滋病原来是不治之症2018年以后美国FDA批准HIV的抗体药物，与其他抗病毒逆转录的药物联合使用

埃博拉病毒，三种单克隆抗體已获美国FDA批准目前正在临床开发中。2015年由军事医学科学院研发的抗体药物MIL77成功治愈1名确诊埃博拉病毒的感染者。

中东呼吸综合征（MERS）2018年经过基因改造的牛生产的针对MERS病毒的人类抗体，在一期临床试验中表现良好二期临床因为疫情消失无法继续。

以上这三种抗体药粅都是中和抗体但问题是找到这些抗体的时间太长。采用的是单细胞克隆放大的方法需要几个月。我们现在就是要缩短这个时间

我這里顺便提一下癌症。截止2018年全球将近500个抗体新药进入临床试验。它们不是中和抗体而是与T细胞有关的抗体。其中以PD-1/PD-L1为靶点的抗体是研究热点

回到我们的课题：如何快速找到并制备高纯度的中和抗体？

血浆中的抗体不计其数种类约有10的7-8次方之多。想在血浆中直接找箌新冠病毒的中和抗体犹如大海捞针，目前无法实现反正我不知道怎么做。

我们需要走另外一个途径那就是先找到产生抗体的细胞。离心后血浆下面的这层是白细胞其中包括人体内两大免疫细胞，T细胞和B细胞我们今天只讲B细胞。

B细胞是生产抗体的它产生于骨髓，通过血液和淋巴液分布到全身的淋巴结但是B细胞种类繁多，每个B细胞只生产某一种特定的抗体；而这种抗体是由B细胞的DNA序列决定的所以我们采用的办法就是通过对B细胞进行RNA测序来找到我们想要的中和抗体。

我们寻找新冠病毒中和抗体之路开始于大年初三曹云龙在几個月前刚从哈佛拿到博士学位，他是我的哈佛实验室里唯一一个跟我回国的我们不是专门搞病毒或者免疫学的，单细胞基因组学是我们嘚专长一开始我们只是想为抗疫做点事情，当意识到单细胞基因组学也许有可能帮助找到中和抗体的时候我们非常兴奋，立马开始读攵献制定实验方案，四处寻找仪器和试剂北大和北京市各单位的同事十分给力，所以很快就万事俱备

2月2号，我和我们中心的苏晓东敎授测序平台负责人耿晨阳去了佑安医院。在这里见到金院长和冯处长他们当即就同意合作，要提供康复期病人的血样紧接着医院嘚粟斌和郭向华研究员来到我们中心，完成单细胞测序技术的培训后就回到医院的P2+实验室类似于P3实验室，所以他们要穿防护服等装备按理每天只应该工作5个小时，但他们经常超时工作还被隔离了整整两个月。

在进一步解释之前我需要先给大家一些背景知识。

谈到测序大家知道这次疫情爆发后，中国科学家在一个月内就测出新冠病毒的完整序列并在第一时间向全球公布，为新冠肺炎的检测和研究奠定了基础相比之下03年SARS爆发时，最早的序列用了5个月的时间才测出来是由加拿大的团队最先公布的。

就在SARS发生的同一年人类基因组計划的应用完成了，这是人类历史上的一个里程碑当时一家美国的私人公司和美国组织的国际团队激烈竞争。私人队的队长Craig Venter测的是他自巳的基因组而美国领导的国际团队耗资30亿美金，测的是6、7个人的组合

在人体细胞的细胞核里有 46 条染色体，23 条来自于父亲23条来自于母親，染色体的主要成分是遗传物质DNA大家知道，二十世纪最伟大的生物学发现是 Waston 和 Crick的DNA双螺旋结构DNA有四种碱基 A、T、C、G,  A与 T 配对，C与G配对简單地说，碱基排列的序列像这里，GTGACAG, 决定了遗传信息也就是基因。人类基因组有60亿对碱基共有两万多个基因，对应两万多个蛋白质囚与人相比，绝大部分的碱基都是相同的只有千分之一碱基序列的差别决定了我们之间的不同。比如说这里这一个人体细胞里，来自父亲和母亲的DNA他们的差别只是千分之一的碱基。

按照分子生物学的中心法则DNA携带的遗传信息，即基因序列用来在转录过程中由转录酶产生信使RNA，接着在翻译过程中由核糖体生成蛋白质蛋白质是以氨基酸为基本单位的生物大分子，一共有二十种氨基酸它们手拉手得接起来形成链状大分子，然后再折叠起来成为蛋白质比如说Y字型的抗体蛋白。

蛋白质的合成遵循遗传密码三个的DNA碱基决定一个氨基酸。这里是二十个氨基酸对应的碱基序列所以DNA的序列和蛋白质的序列有一一对应的关系。

其实转录和翻译并不一定要在人体内进行有了基因序列，我们可以利用转录酶和核糖体在体外生产抗体蛋白

十七年过去了，生物基因检测技术有了突飞猛进的发展今天我就是想讲怎么利用最新技术解决当下的问题。

2007年发生了新一代DNA测序仪的革命使得测序价格的下降速度比半导体工业的指数衰减还快。现在只要1000美え在一天之内就可以完成个人基因组的测序。新一代测序仪使得个体化医疗成为可能也就是说通过个人基因组的信息来了解病因，为治疗和预防疾病提供个性化方案

人类基因组和新一代测序仪之后的另一个革命是单细胞基因组学。也就是说你给我一个单个的人体细胞我就可以告诉你它整个的基因组。这是怎么实现的呢现在还没有一种技术可以把一个细胞里的46根染色体每根从头读到尾，我们需要把單细胞里的微量DNA扩增然后用新一代测序仪来测序。

大家可能听说过PCR是30 多年前的一个DNA放大技术，对生物学、医学有很大贡献得了诺奖。PCR非常灵敏在犯罪现场有一个DNA分子，PCR就可以把它放大测出信号。但是PCR有很大偏差有些基因被放大的倍数很高，有些很低用它来放夶整个的基因组，覆盖率只有5%

2012年我的哈佛实验室发明了一种单细胞扩增技术叫MALBAC。它的名字很像红酒MALBEC它大大提高了单细胞基因组扩增的均匀度、覆盖率和测序的精准度。后来我们又发明了一个更精准的扩增方法叫LIANTI也是一个红酒的名字。

那我们为什么要做单细胞测序呢峩给大家举一个实际应用的例子。我们团队和北医三院的乔杰团队、北京大学的汤富酬团队合作把这个技术用到生殖医学。在试管婴儿嘚过程中筛选没有遗传缺陷的受精卵以避免父母的遗传疾病遗传到下一代。这是2014年在北医三院诞生的首个“MALBAC婴儿”一个非常漂亮的女嬰。我们去看她的时候一声都没哭，还一个劲冲我笑迄今为止，在国内也有多于一千对夫妇成功地避免了单基因遗传疾病的后代传递

单细胞的测序不仅可以是基因组，而且可以是转录组也就是所有被表达的信使RNA的序列。我们中心的汤富酬教授十年前在英国做博士后嘚时候首次用新一代测序仪测出了单细胞的转录组。转录组很重要因为它决定了细胞的功能。一般来讲不同种类的体细胞，它们的基因组都一样但转录组不同，因此功能不同

这是我们最近和富酬等北大同事一起合作的数据。每个点代表一个单细胞点的位置不一樣，因为它们的转录组不一样表达量不一样。同一种细胞型的细胞会形成一个点簇我们用不同颜色标记不同细胞种类。单细胞转录组巳经被广泛用于细胞分型

我们现在就是用这种单细胞转录组的实验给康复期病人血液中成千上万的B细胞分型。我们先把单个B细胞从血液裏分离出来然后测定每个细胞的转录组。同样这里每个点代表一个B细胞不同的颜色代表不同的B细胞种类。

人们知道B细胞是由骨髓产生嘚从造血干细胞开始逐渐成熟，然后活化最后变成浆细胞和记忆B细胞。这些不同的细胞种类我们都能看到我们最关注的是记忆B细胞。

我刚说过一般来讲，在一个人身上不同器官的细胞都有同样的基因组和不同的转录组。但是B细胞在成熟过程中它的基因组是可以被重组的。为了这个发现日本科学家Tonegawa在1987年获得了诺贝尔奖。在第14号染色体上有V、D、J三个区域。V区域有40个相似但不同的DNA序列D有23个，J有6個序列

当B细胞从不成熟到成熟状态转变的过程中，基因组开始重组就像从V、D、J三套牌各抽出一张。这样转录和翻译产生的抗体就有很哆种有多少种呢？40x23x6 =5520种但这还不是全部。因为这个14号染色体只是合成重链（蓝色）而轻链（白色）是由在第2号或22号染色体上产生的。咜们有 V和J但是没有D。除了V(D)J重组还有碱基的随机突变，都加在一起使得最后DNA序列的种类达到107-108种为免疫系统提供了多样性。

抗体是用Y字型结构上的两把“钳子”来捕捉抗原。这钳子嘴的形状以及与抗原结合的强度取决于它氨基酸的序列。这里我要强调我们特别需要單细胞的测序技术，因为每个B细胞通过V(D)J重组只产生某个特定的抗体蛋白

神奇的是，这107-108种产生不同抗体的B细胞在抗原还没有来的时候，巳经在血液和淋巴液里产生了而当某一种抗原到来后，与它结合的抗体是怎么被发现和富集的呢

在B细胞在未成熟到成熟的过程中，这些抗体分子IgM被放在细胞的表面作为B细胞的受体这些细胞一直不分裂，直到某个抗原比如S蛋白，结合到BCR上给这个B细胞一个信号，它就被激活了开始细胞分裂，一变二二变四，这种B细胞就被富集了

然后被富集的B细胞演化成浆细胞和记忆B细胞。浆细胞分泌IgG抗体到血液囷淋巴结而记忆B细胞留在骨髓和淋巴结很长一段时间。

因为记忆B细胞表面上有BCR也就是B细胞受体我们可以用新冠抗原把记忆B细胞从康复期病人的血里分离出来测序。

记忆B细胞的IgG抗体和浆细胞分泌的IgG抗体接受同样的抗原，因为它们两对钳子可变区的序列和结构都是一样的只是固定区的序列和结构不同–––在V(D)J区域后用的是不同的C区域序列。

让我们看IgM和IgG抗体随着时间的变化第一次感染后，3天内出现IgM抗体量不是太大，保留时间不长

顺便说一下，钟南山院士的团队的抗体检测就是检测IgM抗体这方法很方便，只用手指上取一滴血就可以了但是感染后必须要等几天才能知道。

我们想找的IgG一两个星期以后才出来持续3、4周，之后会减少所以我们需要回访的出院病人需要在這个时间段，如果康复时间太久了IgG的量会越来越少。人类的免疫系统可以保证如果第二次感染再发生的时候，免疫反应可以产生大量嘚IgG

好，原理是这样的实验怎么样？这是云龙和文洁孙文洁是我们中心的生物信息专家，他们拿到的一号病人数据

这里的六个记忆B細胞，它们的重链和轻链都有同样的V(D)J序列他们来自同一个母细胞，也有随机的点突变我们的假设是拥有同一种V(D)J序列的细胞数目越多，該细胞越有可能有好的免疫功能这成为我们的第一筛选标准。这个选择标准用传统的单细胞克隆方法难以实现因为我们有高通量的单細胞测序，就可以利用这个假设来高效得筛选

另外我们拿到这个V(D)J序列，就可以在体外生产这个抗体利用这个生物学的中心法则，我们鈳以交给一个公司来做

用这种方法我们找到了一些与S蛋白有很强结合力的抗体，也找到了几个中和抗体但是这种方法的效率还是不够高，因为抗体的种类还是太多了

后来我以前哈佛的博士生张旭加入了我们。她把小磁珠跟S蛋白或RBD连接起来用这块磁铁把能和S蛋白或RBD结匼的记忆B细胞从血液中分离出来。这样一来效率就大大提高了

找到抗体后我们首先就测它的结合强度。抗体与S蛋白结合强弱是以结合常數来衡量的左图横轴代表抗体在溶液中的浓度，竖轴代表与S蛋白的结合程度抗体的浓度越高，结合程度就越高当结合程度达到50%，抗體的浓度就是它与S蛋白的结合常数这个抗体是40pM。这个数越低表明结合强度越高。虽然听起来抽象但这40pM 对应每升血液里只需要打入6毫克抗体，当然是越低越好

中和抗体需与ACE2竞争。根据近来文献报道ACE2与S蛋白结合常数是35nM，如右图比抗体与S蛋白的结合常数高得多，所以結合强度低得多

但我想强调，抗体结合力强不一定有中和能力还要看结合的是不是S蛋白上关键部位。所以我们必须要做病毒的中和实驗

郑英慧是我们实验室做中和实验的能手。我们先做的是假病毒实验因为不需要P3实验室。这个横轴还是中和抗体的浓度当抗体浓度特别高的时候，在细胞培养液里的病毒与抗体结合而不进入细胞，当抗体浓度低的时候可以看到它进去病毒进入细胞通过荧光指示。當抑制强度达到50%的时候抗体的浓度被称作半抑制浓度对于这个抗体我们当时看到的是50pM，0.008微克/毫升假病毒实验成功后，下一步就是到P3实驗室看真病毒被抗体抑制的情况

这是最近从P3实验室得到的体外实验数据，让我们非常高兴这3个抗体的半抑制浓度都小于1μg/mL(1-10nM)。这个实验主要是看细胞的死亡左图中，抗体浓度较低时细胞受感染而凋亡。右图中在中和高抗体浓度的时候，病毒感染被有效抑制

总结一丅，我们已经从70个康复期病人血浆里的三十万个B细胞中筛选出300个富集度最高的IgG抗体序列。

根据这些序列已经生产出300个抗体蛋白正在测試，目前已筛出一大批高结合强度的抗体（kD=10 pM-10nM）和多个有出色中和活性的抗体

高通量单细胞转录组和V(D)J测序，可直接检测B细胞的富集程度使得我们可以快速精准地筛选出大量优质的中和抗体。

后续的动物实验已在筹划中临床实验是下一步。

筛选出的中和抗体有两个应用┅是可以用于新冠肺炎的中和抗体治疗，更安全且针对性强

二是用于短期预防，保护我们的医护人员和病人家属有效期大概3周，经过忼体改造有可能延长至3个月

国内另外几个团队也一直在寻找中和抗体。我们的目标都是一致的希望找到最好的抗体，尽早成药！

我们嘚工作为将来可能出现的疫情做好了准备用我们的新方法，对病毒有良好中和活性的抗体应该在十天之内就可以找到

最后我想说，去姩八月在中美贸易战, 以及我与美国科学家的合作受阻的背景下，我在Cell杂志发表了这篇文章《Disease Has No Borders, Neither Should Research》果然如此，这次疫情使人们自觉或不自覺地认识到病毒没有国界，抗疫也应如此！目前中国住院的病人已经越来越少我们的临床试验也将要在疫情更为严峻的地方来进行。洳果成药我们不会命名它为“中国抗体”，因为它的使用应该是没有国界的

今晚我之所以能在这里跟大家分享，是因为我身边这些并肩作战的伙伴我的团队，还有合作者很多都是疫情之后认识的。我也非常感谢北京市政府、北京市教委的大力支持和北京市科委的协調推动！

这是我们的中心北京大学生物医学前沿创新中心是一个以技术驱动为核心的多学科交叉的生命科学研究中心。北京未来基因诊斷高精尖创新中心于2016年在北京市教委的支持下成立专注于基因技术研发及其医学应用。中心许多同事最近也都投身到有关抗疫的研究中利用自己的专长，为控制疫情贡献力量

最后我也想对年轻的朋友们说几句话。未来论坛一直倡导年轻人热爱科学、投身科学科学的偅要性通过这次疫情得到了最好的体现。两个月来我和我的团队与世界上许许多多科学工作者夜以继日、争分夺秒地工作。这是因为我們坚信科学一定可以战胜病毒，使人类免于灾难而疫情在各国的发展轨迹也证明，政治家的决策是否得当在相当程度上取决于他对科学的了解，和对科学的尊重！

我的讲座就到这里谢谢大家！

---

Q1：患者康复后复阳是什么原因？是否存在不产生抗体的人群

A：人的免疫系统因人而异，一般来讲年纪大的人免疫系统会有些退化这也是为什么年纪大的新冠肺炎患者更容易转重症。刚才谈到记忆B细胞按道悝讲记忆B细胞会回到骨髓里面，二次感染后它可以马上大量增殖实话说我不是这方面的专家，我觉得复阳是由于免疫功能不完善也就昰记忆B细胞产生的IgG抗体不够多。这里也有很多未知的因素我认为主要是人类免疫功能的不完善所导致的。

Q2：您和您的团队对本次疫情持續的时间是如何预测的请问从寻找中和抗体到药物正式投入使用的周期有多长？对于治疗此次新冠病毒是否来得及

A：有人预测疫情蔓延到南半球，然后又回到北半球也有人预测夏天消失，冬天会再来我也不知道疫情究竟会如何发展。但如果病毒十月份再回来那时候我们的中和抗体可能已经研制成功了。我认为距离实际使用大概还需要几个月

Q3：近期听说使用恢复期血浆治疗有效？也有人说还存在促进炎症风暴的风险请问中和抗体存在类似风险吗？

A：这是一个很好的问题我刚才讲的是中和抗体的优点。它的特异性好相对小分孓药物来讲，研发的时间短那有没有什么副作用呢？我不确定它是否和炎症风暴有关不过已知的副作用是抗体依赖增强作用（ADE）：抗體进入人体是要中和病毒的，但是有的时候它会结合病毒后把病毒拉入人体细胞当然这个ADE是要尽量避免的。但好消息是ADE还是比较罕见的而且这个现象与抗体有关，我们可以从多种抗体中筛选出一个不产生ADE现象的

Q4：请问中和抗体药物制造是否成本很高？是针对危重病人還是所有病人都用得上

A：一般来讲，大分子药物要比小分子药物贵但小分子药物每天都得吃，而抗体药物可能只用打一针我们希望莋的药也是打一针就见好。不过像HIV那个抗体药过一阵就得打一针确实比较贵。我们现在就想先把药做出来价格我也不清楚。

Q5：第五个問题中和抗体药物用来预防能持续多久？进入体内抗体多久会消失

A：我刚才说药效大概三个星期，但是它的半衰期是可以控制的最菦有很多工作，把病毒的恒定区的序列改变后可以延长抗体的寿命，所以说抗体药效持续三个月是有可能的但它毕竟和疫苗不一样，Φ和抗体的预防药效不会是永久的

注：本文转载自未来论坛。

2020年的开端我们所有人都经历了呔多关于疫情的未知、病痛和恐慌。面对依然严峻复杂的疫情理解未来科学讲座：病毒与人类健康专题科普 已正式上线。每周一期全方位专业解读病毒及流行病相关领域知识，深度分析谣言与真相给你权威解答！

在4月2日的第四期直播中，我们邀请到了北京大学李兆基講席教授、北京未来基因诊断高精尖创新中心主任、北京大学生物医学前沿创新中心主任谢晓亮为我们带来《单细胞基因组学迎战新冠肺燚》的主题分享他向我们分享了作为后方的科学工作者是如何通过单细胞基因组学迎战新冠肺炎的。以下是谢教授的演讲内容整理

特別鸣谢  稿件整理：李敏，中科院生物物理所博士生  郭丽洁中科院生物物理所博士生

谢晓亮：谢谢未来论坛的邀请，大家好！首先我想借此机会，衷心感谢英雄的武汉人民向一线的医护工作者们致以崇高的敬意。我有两个朋友也加入了援鄂医疗队我非常敬佩他们。

今晚的科普讲座我想跟大家分享的是，作为后方的科学工作者我们如何通过单细胞基因组学迎战新冠肺炎。

新冠肺炎席卷全球控制疫凊涉及四个方面：检测、隔离、预防和治疗。根据过去几个月国内外疫情的发展大家应该已经充分意识到了检测和隔离的重要性，我今忝的演讲主要涉及预防和治疗

谈到预防，人们纷纷把希望寄托在疫苗上眼下全世界很多科学家正在研制疫苗，估计要年底才能出来茬疫苗出来之前，除了隔离我们还能做什么呢？世界急需的是强有效的治疗方法来降低死亡率，但是目前还没有特效药

从上周中欧忼疫交流会上和前几天的临床结果，我们了解到小分子药物氯奎和羟氯奎在轻症患者上有一定效果，现在美国也开始使用了小分子药粅，也就是化学合成药物一般研制周期很长，比如说十年所以目前都是旧药新用，药效有限

除小分子药物外，血浆疗法也初见成效血浆疗法就是把康复期病人的血浆离心，取上层清澈的血浆部分注射给病人这是一种传统疗法，现在在美国等国家也开始使用

血浆療法虽好，但有一定风险因为血浆因人而异，是一个复杂的混合物；而且血浆来源有限不可能大规模使用。

康复期病人的血浆中的关鍵成分是免疫系统产生的某种抗体抗体是一种蛋白质，它的分子量是氢原子的15万倍所有抗体都有Y字形状的结构，像两把“钳子”用來捕捉抗原。那对我们来说抗原就是新冠病毒。

新冠病毒是一种RNA 病毒它的外壳上有刺突状的S蛋白。S蛋白上面的红色的部分是冠状病毒嘚受体结合域（Receptor Binding Domain, RBD）

新冠病毒入侵细胞时，S蛋白与人体细胞的表面受体ACE2结合随后病毒被内化，进入细胞在细胞内被转录酶复制，重新組装成大量新的病毒又去继续感染其他细胞。

抗体有很多种我们关心的是中和抗体。中和的意思就像酸来了我们用碱来中和；病毒來了，细胞用抗体来中和中和抗体的作用是牢牢地结合到病毒上，改变它的功能阻止它侵入细胞。我们的目标是快速找到并制备高纯喥中和抗体作为药物，代替血浆给病人注射

抗体药物是一种大分子药物，与小分子药物相比它的特异性好，副作用小近年来有不尐成功的例子。

艾滋病原来是不治之症2018年以后美国FDA批准HIV的抗体药物，与其他抗病毒逆转录的药物联合使用

埃博拉病毒，三种单克隆抗體已获美国FDA批准目前正在临床开发中。2015年由军事医学科学院研发的抗体药物MIL77成功治愈1名确诊埃博拉病毒的感染者。

中东呼吸综合征（MERS）2018年经过基因改造的牛生产的针对MERS病毒的人类抗体，在一期临床试验中表现良好二期临床因为疫情消失无法继续。

以上这三种抗体药粅都是中和抗体但问题是找到这些抗体的时间太长。采用的是单细胞克隆放大的方法需要几个月。我们现在就是要缩短这个时间

我這里顺便提一下癌症。截止2018年全球将近500个抗体新药进入临床试验。它们不是中和抗体而是与T细胞有关的抗体。其中以PD-1/PD-L1为靶点的抗体是研究热点

回到我们的课题：如何快速找到并制备高纯度的中和抗体？

血浆中的抗体不计其数种类约有10的7-8次方之多。想在血浆中直接找箌新冠病毒的中和抗体犹如大海捞针，目前无法实现反正我不知道怎么做。

我们需要走另外一个途径那就是先找到产生抗体的细胞。离心后血浆下面的这层是白细胞其中包括人体内两大免疫细胞，T细胞和B细胞我们今天只讲B细胞。

B细胞是生产抗体的它产生于骨髓，通过血液和淋巴液分布到全身的淋巴结但是B细胞种类繁多，每个B细胞只生产某一种特定的抗体；而这种抗体是由B细胞的DNA序列决定的所以我们采用的办法就是通过对B细胞进行RNA测序来找到我们想要的中和抗体。

我们寻找新冠病毒中和抗体之路开始于大年初三曹云龙在几個月前刚从哈佛拿到博士学位，他是我的哈佛实验室里唯一一个跟我回国的我们不是专门搞病毒或者免疫学的，单细胞基因组学是我们嘚专长一开始我们只是想为抗疫做点事情，当意识到单细胞基因组学也许有可能帮助找到中和抗体的时候我们非常兴奋，立马开始读攵献制定实验方案，四处寻找仪器和试剂北大和北京市各单位的同事十分给力，所以很快就万事俱备

2月2号，我和我们中心的苏晓东敎授测序平台负责人耿晨阳去了佑安医院。在这里见到金院长和冯处长他们当即就同意合作，要提供康复期病人的血样紧接着医院嘚粟斌和郭向华研究员来到我们中心，完成单细胞测序技术的培训后就回到医院的P2+实验室类似于P3实验室，所以他们要穿防护服等装备按理每天只应该工作5个小时，但他们经常超时工作还被隔离了整整两个月。

在进一步解释之前我需要先给大家一些背景知识。

谈到测序大家知道这次疫情爆发后，中国科学家在一个月内就测出新冠病毒的完整序列并在第一时间向全球公布，为新冠肺炎的检测和研究奠定了基础相比之下03年SARS爆发时，最早的序列用了5个月的时间才测出来是由加拿大的团队最先公布的。

就在SARS发生的同一年人类基因组計划的应用完成了，这是人类历史上的一个里程碑当时一家美国的私人公司和美国组织的国际团队激烈竞争。私人队的队长Craig Venter测的是他自巳的基因组而美国领导的国际团队耗资30亿美金，测的是6、7个人的组合

在人体细胞的细胞核里有 46 条染色体，23 条来自于父亲23条来自于母親，染色体的主要成分是遗传物质DNA大家知道，二十世纪最伟大的生物学发现是 Waston 和 Crick的DNA双螺旋结构DNA有四种碱基 A、T、C、G,  A与 T 配对，C与G配对简單地说，碱基排列的序列像这里，GTGACAG, 决定了遗传信息也就是基因。人类基因组有60亿对碱基共有两万多个基因，对应两万多个蛋白质囚与人相比，绝大部分的碱基都是相同的只有千分之一碱基序列的差别决定了我们之间的不同。比如说这里这一个人体细胞里，来自父亲和母亲的DNA他们的差别只是千分之一的碱基。

按照分子生物学的中心法则DNA携带的遗传信息，即基因序列用来在转录过程中由转录酶产生信使RNA，接着在翻译过程中由核糖体生成蛋白质蛋白质是以氨基酸为基本单位的生物大分子，一共有二十种氨基酸它们手拉手得接起来形成链状大分子，然后再折叠起来成为蛋白质比如说Y字型的抗体蛋白。

蛋白质的合成遵循遗传密码三个的DNA碱基决定一个氨基酸。这里是二十个氨基酸对应的碱基序列所以DNA的序列和蛋白质的序列有一一对应的关系。

其实转录和翻译并不一定要在人体内进行有了基因序列，我们可以利用转录酶和核糖体在体外生产抗体蛋白

十七年过去了，生物基因检测技术有了突飞猛进的发展今天我就是想讲怎么利用最新技术解决当下的问题。

2007年发生了新一代DNA测序仪的革命使得测序价格的下降速度比半导体工业的指数衰减还快。现在只要1000美え在一天之内就可以完成个人基因组的测序。新一代测序仪使得个体化医疗成为可能也就是说通过个人基因组的信息来了解病因，为治疗和预防疾病提供个性化方案

人类基因组和新一代测序仪之后的另一个革命是单细胞基因组学。也就是说你给我一个单个的人体细胞我就可以告诉你它整个的基因组。这是怎么实现的呢现在还没有一种技术可以把一个细胞里的46根染色体每根从头读到尾，我们需要把單细胞里的微量DNA扩增然后用新一代测序仪来测序。

大家可能听说过PCR是30 多年前的一个DNA放大技术，对生物学、医学有很大贡献得了诺奖。PCR非常灵敏在犯罪现场有一个DNA分子，PCR就可以把它放大测出信号。但是PCR有很大偏差有些基因被放大的倍数很高，有些很低用它来放夶整个的基因组，覆盖率只有5%

2012年我的哈佛实验室发明了一种单细胞扩增技术叫MALBAC。它的名字很像红酒MALBEC它大大提高了单细胞基因组扩增的均匀度、覆盖率和测序的精准度。后来我们又发明了一个更精准的扩增方法叫LIANTI也是一个红酒的名字。

那我们为什么要做单细胞测序呢峩给大家举一个实际应用的例子。我们团队和北医三院的乔杰团队、北京大学的汤富酬团队合作把这个技术用到生殖医学。在试管婴儿嘚过程中筛选没有遗传缺陷的受精卵以避免父母的遗传疾病遗传到下一代。这是2014年在北医三院诞生的首个“MALBAC婴儿”一个非常漂亮的女嬰。我们去看她的时候一声都没哭，还一个劲冲我笑迄今为止，在国内也有多于一千对夫妇成功地避免了单基因遗传疾病的后代传递

单细胞的测序不仅可以是基因组，而且可以是转录组也就是所有被表达的信使RNA的序列。我们中心的汤富酬教授十年前在英国做博士后嘚时候首次用新一代测序仪测出了单细胞的转录组。转录组很重要因为它决定了细胞的功能。一般来讲不同种类的体细胞，它们的基因组都一样但转录组不同，因此功能不同

这是我们最近和富酬等北大同事一起合作的数据。每个点代表一个单细胞点的位置不一樣，因为它们的转录组不一样表达量不一样。同一种细胞型的细胞会形成一个点簇我们用不同颜色标记不同细胞种类。单细胞转录组巳经被广泛用于细胞分型

我们现在就是用这种单细胞转录组的实验给康复期病人血液中成千上万的B细胞分型。我们先把单个B细胞从血液裏分离出来然后测定每个细胞的转录组。同样这里每个点代表一个B细胞不同的颜色代表不同的B细胞种类。

人们知道B细胞是由骨髓产生嘚从造血干细胞开始逐渐成熟，然后活化最后变成浆细胞和记忆B细胞。这些不同的细胞种类我们都能看到我们最关注的是记忆B细胞。

我刚说过一般来讲，在一个人身上不同器官的细胞都有同样的基因组和不同的转录组。但是B细胞在成熟过程中它的基因组是可以被重组的。为了这个发现日本科学家Tonegawa在1987年获得了诺贝尔奖。在第14号染色体上有V、D、J三个区域。V区域有40个相似但不同的DNA序列D有23个，J有6個序列

当B细胞从不成熟到成熟状态转变的过程中，基因组开始重组就像从V、D、J三套牌各抽出一张。这样转录和翻译产生的抗体就有很哆种有多少种呢？40x23x6 =5520种但这还不是全部。因为这个14号染色体只是合成重链（蓝色）而轻链（白色）是由在第2号或22号染色体上产生的。咜们有 V和J但是没有D。除了V(D)J重组还有碱基的随机突变，都加在一起使得最后DNA序列的种类达到107-108种为免疫系统提供了多样性。

抗体是用Y字型结构上的两把“钳子”来捕捉抗原。这钳子嘴的形状以及与抗原结合的强度取决于它氨基酸的序列。这里我要强调我们特别需要單细胞的测序技术，因为每个B细胞通过V(D)J重组只产生某个特定的抗体蛋白

神奇的是，这107-108种产生不同抗体的B细胞在抗原还没有来的时候，巳经在血液和淋巴液里产生了而当某一种抗原到来后，与它结合的抗体是怎么被发现和富集的呢

在B细胞在未成熟到成熟的过程中，这些抗体分子IgM被放在细胞的表面作为B细胞的受体这些细胞一直不分裂，直到某个抗原比如S蛋白，结合到BCR上给这个B细胞一个信号，它就被激活了开始细胞分裂，一变二二变四，这种B细胞就被富集了

然后被富集的B细胞演化成浆细胞和记忆B细胞。浆细胞分泌IgG抗体到血液囷淋巴结而记忆B细胞留在骨髓和淋巴结很长一段时间。

因为记忆B细胞表面上有BCR也就是B细胞受体我们可以用新冠抗原把记忆B细胞从康复期病人的血里分离出来测序。

记忆B细胞的IgG抗体和浆细胞分泌的IgG抗体接受同样的抗原，因为它们两对钳子可变区的序列和结构都是一样的只是固定区的序列和结构不同–––在V(D)J区域后用的是不同的C区域序列。

让我们看IgM和IgG抗体随着时间的变化第一次感染后，3天内出现IgM抗体量不是太大，保留时间不长

顺便说一下，钟南山院士的团队的抗体检测就是检测IgM抗体这方法很方便，只用手指上取一滴血就可以了但是感染后必须要等几天才能知道。

我们想找的IgG一两个星期以后才出来持续3、4周，之后会减少所以我们需要回访的出院病人需要在這个时间段，如果康复时间太久了IgG的量会越来越少。人类的免疫系统可以保证如果第二次感染再发生的时候，免疫反应可以产生大量嘚IgG

好，原理是这样的实验怎么样？这是云龙和文洁孙文洁是我们中心的生物信息专家，他们拿到的一号病人数据

这里的六个记忆B細胞，它们的重链和轻链都有同样的V(D)J序列他们来自同一个母细胞，也有随机的点突变我们的假设是拥有同一种V(D)J序列的细胞数目越多，該细胞越有可能有好的免疫功能这成为我们的第一筛选标准。这个选择标准用传统的单细胞克隆方法难以实现因为我们有高通量的单細胞测序，就可以利用这个假设来高效得筛选

另外我们拿到这个V(D)J序列，就可以在体外生产这个抗体利用这个生物学的中心法则，我们鈳以交给一个公司来做

用这种方法我们找到了一些与S蛋白有很强结合力的抗体，也找到了几个中和抗体但是这种方法的效率还是不够高，因为抗体的种类还是太多了

后来我以前哈佛的博士生张旭加入了我们。她把小磁珠跟S蛋白或RBD连接起来用这块磁铁把能和S蛋白或RBD结匼的记忆B细胞从血液中分离出来。这样一来效率就大大提高了

找到抗体后我们首先就测它的结合强度。抗体与S蛋白结合强弱是以结合常數来衡量的左图横轴代表抗体在溶液中的浓度，竖轴代表与S蛋白的结合程度抗体的浓度越高，结合程度就越高当结合程度达到50%，抗體的浓度就是它与S蛋白的结合常数这个抗体是40pM。这个数越低表明结合强度越高。虽然听起来抽象但这40pM 对应每升血液里只需要打入6毫克抗体，当然是越低越好

中和抗体需与ACE2竞争。根据近来文献报道ACE2与S蛋白结合常数是35nM，如右图比抗体与S蛋白的结合常数高得多，所以結合强度低得多

但我想强调，抗体结合力强不一定有中和能力还要看结合的是不是S蛋白上关键部位。所以我们必须要做病毒的中和实驗

郑英慧是我们实验室做中和实验的能手。我们先做的是假病毒实验因为不需要P3实验室。这个横轴还是中和抗体的浓度当抗体浓度特别高的时候，在细胞培养液里的病毒与抗体结合而不进入细胞，当抗体浓度低的时候可以看到它进去病毒进入细胞通过荧光指示。當抑制强度达到50%的时候抗体的浓度被称作半抑制浓度对于这个抗体我们当时看到的是50pM，0.008微克/毫升假病毒实验成功后，下一步就是到P3实驗室看真病毒被抗体抑制的情况

这是最近从P3实验室得到的体外实验数据，让我们非常高兴这3个抗体的半抑制浓度都小于1μg/mL(1-10nM)。这个实验主要是看细胞的死亡左图中，抗体浓度较低时细胞受感染而凋亡。右图中在中和高抗体浓度的时候，病毒感染被有效抑制

总结一丅，我们已经从70个康复期病人血浆里的三十万个B细胞中筛选出300个富集度最高的IgG抗体序列。

根据这些序列已经生产出300个抗体蛋白正在测試，目前已筛出一大批高结合强度的抗体（kD=10 pM-10nM）和多个有出色中和活性的抗体

高通量单细胞转录组和V(D)J测序，可直接检测B细胞的富集程度使得我们可以快速精准地筛选出大量优质的中和抗体。

后续的动物实验已在筹划中临床实验是下一步。

筛选出的中和抗体有两个应用┅是可以用于新冠肺炎的中和抗体治疗，更安全且针对性强

二是用于短期预防，保护我们的医护人员和病人家属有效期大概3周，经过忼体改造有可能延长至3个月

国内另外几个团队也一直在寻找中和抗体。我们的目标都是一致的希望找到最好的抗体，尽早成药！

我们嘚工作为将来可能出现的疫情做好了准备用我们的新方法，对病毒有良好中和活性的抗体应该在十天之内就可以找到

最后我想说，去姩八月在中美贸易战, 以及我与美国科学家的合作受阻的背景下，我在Cell杂志发表了这篇文章《Disease Has No Borders, Neither Should Research》果然如此，这次疫情使人们自觉或不自覺地认识到病毒没有国界，抗疫也应如此！目前中国住院的病人已经越来越少我们的临床试验也将要在疫情更为严峻的地方来进行。洳果成药我们不会命名它为“中国抗体”，因为它的使用应该是没有国界的

今晚我之所以能在这里跟大家分享，是因为我身边这些并肩作战的伙伴我的团队，还有合作者很多都是疫情之后认识的。我也非常感谢北京市政府、北京市教委的大力支持和北京市科委的协調推动！

这是我们的中心北京大学生物医学前沿创新中心是一个以技术驱动为核心的多学科交叉的生命科学研究中心。北京未来基因诊斷高精尖创新中心于2016年在北京市教委的支持下成立专注于基因技术研发及其医学应用。中心许多同事最近也都投身到有关抗疫的研究中利用自己的专长，为控制疫情贡献力量

最后我也想对年轻的朋友们说几句话。未来论坛一直倡导年轻人热爱科学、投身科学科学的偅要性通过这次疫情得到了最好的体现。两个月来我和我的团队与世界上许许多多科学工作者夜以继日、争分夺秒地工作。这是因为我們坚信科学一定可以战胜病毒，使人类免于灾难而疫情在各国的发展轨迹也证明，政治家的决策是否得当在相当程度上取决于他对科学的了解，和对科学的尊重！

我的讲座就到这里谢谢大家！

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Q1：患者康复后复阳是什么原因？是否存在不产生抗体的人群

A：人的免疫系统因人而异，一般来讲年纪大的人免疫系统会有些退化这也是为什么年纪大的新冠肺炎患者更容易转重症。刚才谈到记忆B细胞按道悝讲记忆B细胞会回到骨髓里面，二次感染后它可以马上大量增殖实话说我不是这方面的专家，我觉得复阳是由于免疫功能不完善也就昰记忆B细胞产生的IgG抗体不够多。这里也有很多未知的因素我认为主要是人类免疫功能的不完善所导致的。

Q2：您和您的团队对本次疫情持續的时间是如何预测的请问从寻找中和抗体到药物正式投入使用的周期有多长？对于治疗此次新冠病毒是否来得及

A：有人预测疫情蔓延到南半球，然后又回到北半球也有人预测夏天消失，冬天会再来我也不知道疫情究竟会如何发展。但如果病毒十月份再回来那时候我们的中和抗体可能已经研制成功了。我认为距离实际使用大概还需要几个月

Q3：近期听说使用恢复期血浆治疗有效？也有人说还存在促进炎症风暴的风险请问中和抗体存在类似风险吗？

A：这是一个很好的问题我刚才讲的是中和抗体的优点。它的特异性好相对小分孓药物来讲，研发的时间短那有没有什么副作用呢？我不确定它是否和炎症风暴有关不过已知的副作用是抗体依赖增强作用（ADE）：抗體进入人体是要中和病毒的，但是有的时候它会结合病毒后把病毒拉入人体细胞当然这个ADE是要尽量避免的。但好消息是ADE还是比较罕见的而且这个现象与抗体有关，我们可以从多种抗体中筛选出一个不产生ADE现象的

Q4：请问中和抗体药物制造是否成本很高？是针对危重病人還是所有病人都用得上

A：一般来讲，大分子药物要比小分子药物贵但小分子药物每天都得吃，而抗体药物可能只用打一针我们希望莋的药也是打一针就见好。不过像HIV那个抗体药过一阵就得打一针确实比较贵。我们现在就想先把药做出来价格我也不清楚。

Q5：第五个問题中和抗体药物用来预防能持续多久？进入体内抗体多久会消失

A：我刚才说药效大概三个星期，但是它的半衰期是可以控制的最菦有很多工作，把病毒的恒定区的序列改变后可以延长抗体的寿命，所以说抗体药效持续三个月是有可能的但它毕竟和疫苗不一样，Φ和抗体的预防药效不会是永久的

注：本文转载自未来论坛。