AI辅助冷冻电镜解析纤毛结构，浙大学者构建候选致病基因库，提供纤毛病研究新思路
纤毛是在真核细胞表面广泛分布的一种细胞器，它赋予细胞运动和感知外界信号的能力。一个细胞可以有一根（如精子）或几百根纤毛（如呼吸道上皮纤毛细胞），当编码纤毛成分的基因发生遗传突变或纤毛结构缺失时，通常会引发纤毛病。
纤毛病是一大类遗传病，发病率约为1/1000，涉及因纤毛功能障碍引起的生殖不育、反复呼吸系统感染、内脏异位等全身多器官异常。
长久以来，纤毛病的临床分子诊断和治疗一直是难点所在。此前，传统方法通过对临床病例进行基因测序及数据分析，可以鉴定出一些致病基因。但仍有大量致病基因未被发掘，且基因突变如何引起纤毛组装和运动缺陷的机制尚不清楚。这些问题的背后主要是纤毛作为一种大型细胞器，其具体分子组成和组装机制尚未被完整解析。
浙江大学良渚实验室研究员桂淼专注于运用冷冻电镜和AI辅助原子建模明确纤毛类细胞器核心骨架的分子组成、构建候选致病基因库并应用于纤毛病诊疗等。这些工作建立了纤毛病研究的新范式，也对未来其他细胞器相关疾病的研究具有推广意义。近期，凭借在该领域取得的突破性进展，他入选了2023年度《麻省理工科技评论》中国区“35岁以下科技创新35人”。
桂淼在北京大学基础医学院获得生物物理学博士学位，后在清华大学和哈佛医学院从事博士后研究工作，曾任哈佛医学院生化与分子药理系讲师。加入浙江大学组建独立实验室后，重点关注纤毛的结构蛋白组学和结构遗传学，由于纤毛与精子运动的紧密联系，还拓展了生殖医学这一新方向，希望利用在结构生物学上的发现为不孕不育等问题提供新见解。
构建纤毛领域的“人类基因组计划”，指导纤毛病的临床诊治
“于我而言，利用冷冻电镜解析和观察生物体结构这种直观理解生命的方法很有意义，这激发了我的学习兴趣，我非常看好冷冻电镜在生物医学研究中的应用。”桂淼回忆道。
他在结构生物学领域已深耕多年，并取得了多项重要进展。博士期间，桂淼主要关注囊膜病毒表面糖蛋白的结构，首次解析了SARS-CoV-1刺突蛋白及其与受体ACE2复合物结构，发现了刺突受体结合域的多种构象；还揭示了埃博拉病毒中和性抗体的作用机制。
后续，在海外留学期间，他进一步扩展了之前的工作，开始重点关注细胞骨架和纤毛等方向。随着对结构生物学的深入理解，桂淼意识到冷冻电镜有潜力挖掘细胞内更多未知的奥秘。他开始从结构生物学视角出发、以蛋白质为切入点，通过深度解析纤毛结构，探索开发纤毛病临床诊治的新方法。
“不过，要想真正实现这一点并不容易。不同于传统单个生物分子的结构解析，纤毛是真核细胞内最大的分子机器之一，其分子组成极其复杂且未知。”桂淼说。
在此背景下，桂淼建立了一套基于冷冻电镜结构解析和AI结构预测的快速精准蛋白质鉴定和原子模型搭建方法，近乎完整解析了包含400万个原子的纤毛轴丝的三维结构，并成功鉴定出超200种纤毛组成的蛋白质，包括几十种定位和功能未知的蛋白质。
（来源：受访者提供）
基于已解析的纤毛结构，纤毛病的诊治产生了新思路。他解释道，“此前的诊断方法主要是从临床出发自上而下鉴定致病基因，即从临床病例出发，采用基因测序等手段筛选致病基因。我们的方法与此不同，在结构解析时，我们发现，组成纤毛的200多个蛋白质中任何一个突变都可能导致纤毛相关疾病，并能基于结构直观理解其致病机制，这是一种自下而上发掘纤毛病致病基因的新思路。”
通过全面解析纤毛结构，并结合生物学手段验证及整理致病基因，从而构建比较完整的候选致病基因库。在此基础上，只需对病人进行基因测序，筛查纤毛突变基因，如果突变在致病基因库中即可以判断是否该突变基因导致了疾病发生。这大大简化了诊断过程，提高了纤毛病分子诊断的准确性，也方便了临床筛查。桂淼说：“这种研究思路更加高效，并能直观基于结构阐明致病机制，也能为纤毛病的临床诊治提供更高效的方法。”不过，他同时也指出，尽管理论上这些基因突变具有潜在致病性，但还需要结合临床数据及生物学实验验证这些基因突变与临床症状的直接因果关系及其致病机制，以进一步提高诊疗的准确性。
目前，该致病基因库已被公开提供给国内外相关领域的研究人员。桂淼表示，无论是应用于基础研究还是临床筛查，基因库都得到了广泛的认可和好评。这种新方法一方面可以帮助研究人员从原子水平理解纤毛的组装和运动这些细胞生物学的基本问题；另一方面建立了纤毛病研究的新范式，也被领域内专家类比为纤毛研究领域的“人类基因组计划”。
值得一提的是，桂淼和浙江大学的同事还依托浙江大学良渚实验室和医学院附属儿童医院等优秀的临床和科研平台，组成了集临床医生、细胞生物学家和结构生物学家在内的立体合作团队。该团队开设了全国第一家纤毛病门诊和科研平台，希望进一步提高纤毛的基础和临床研究。
“我们的终极目标是基于结构和功能研究深入挖掘男性弱精症和原发性纤毛运动障碍等纤毛相关疾病的新致病基因和发病机制，并将这些研究范式推广到其他系统，包括先天性侏儒症和小头症等中心体相关疾病。”
“纤毛病研发还处于产业化早期阶段”
纤毛病是由于纤毛功能异常或结构缺陷引起的多系统遗传性疾病，患者常会出现反复慢性呼吸道感染、肾脏疾病、心脏病、不孕症等，严重时甚至危及生命。
据统计，目前已发现超过20种纤毛病，还有更多纤毛相关疾病等待发掘。临床的治疗方法主要以缓解为主，还没有获批的相关疗法可供患者使用。
“事实上，治疗纤毛病还存在多个难点，首先，纤毛病的症状很容易和其他疾病混淆，临床诊断困难。另一方面，纤毛病的致病基因尚不完全清楚，致病机制复杂，这同样对开发药物提出了挑战。”桂淼说。
基因治疗通过直接靶向操作遗传物质干预疾病的发生和发展，被视为从根本上治愈难治性和遗传性疾病的有效手段。经过多年的发展，基因治疗已经取得了越来越多重要的进展，多款基因药物获批上市。据统计，从2012年仅有1款基因疗法获批，到仅2023年就有5款基因疗法/基因编辑疗法获FDA批准上市。预计未来十年，预计还将会有40多种新疗法获批。
不过，桂淼指出，对于由单一基因突变引起的疾病，可以通过导入正常基因进行基因治疗，从而缓解疾病。然而，纤毛病涉及的基因种类繁多，导致基因治疗的药物可能只能对某些特定的纤毛病患者群体有效。长期来看，纤毛疾病需要更个性化的治疗，实施难度较大，目前国外在该领域已有相关试验性的开发。
公开资料显示，成立于2015年的RecodeTherapeutics是一家mRNA和基因治疗公司，专注于开发针对原发性纤毛运动障碍和囊性纤维化等遗传疾病的mRNA和基因疗法。目前已开发出RCT1100，这是一种在研的mRNA吸入候选疗法，用于治疗由DNAI1（一编码纤毛运动必需蛋白质的基因）致病突变引起的原发性纤毛运动障碍，有望能够恢复肺部纤毛功能，从根本上解决疾病。该疗法已于今年6月获得美国FDA孤儿药资格认定。
桂淼进一步提到，目前整个纤毛病领域的产业化还处在早期阶段，相比较而言，国内的纤毛研究处于更早期阶段，还有很多工作需要完成，不过相信未来我们能在纤毛病的诊治上取得进一步突破。此外，通过普及纤毛和纤毛病相关的科普知识，可以让公众和临床医生了解这类疾病，早期发现和干预对控制疾病的进展非常重要，也许不久的将来就等到了有药可用的那天。