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CN:31-1600/Q
ISSN:1004-0374
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《生命科学》 2006, 18(2): 102-
2000~2005年“973”项目——生殖健康的基础研究
祝 诚
中国科学院动物研究所 计划生育生殖生物学国家重点实验室, 北京 100080

      当世界文明进入21世纪之时,科学技术正以空前的速度将人类带入数字和信息化的新时代;但是,在文明高度发展的同时,人类在可持续发展方面也面临着巨大的挑战。人口增长、资源不足、环境恶化三者相互影响,并呈恶性循环,而人口问题无疑是制约我国经济和社会可持续发展最突出的问题,解决这个问题的关键是应深入进行人口安全、计划生育和生殖健康的基础研究。
      当前,生殖健康已发展成为一门新的综合性的“大科学”,而生殖健康的核心是控制人口数量,提高人口质量。控制人口数量主要依靠落实节育措施来保证。随着人类文明和社会的进步,人们对生活和生命质量提出了更高的要求,避孕方法“知情选择”的概念已经得到城乡群众的拥护,而现用的避孕器具和药物仍具有一定的副作用,迄今尚未找到既安全可靠,又经济简便,乐为人们所接受的理想方法。究其原因是人类对其自身生育过程,如生殖细胞发生、受精、早期胚胎发育及植入等的调节机理尚不清楚。
      在生命进化过程中,与生殖发育调控有关的基因十分稳定和极端保守,因此,生殖健康与解决一般健康问题和治疗一般疾病不同,人为地干预一个如此重要的自然规律,又要求百分之百无不良影响,其难度是不言而喻的。所以,人类欲彻底解决自身的生殖健康问题,必须首先认知生命的本质和生殖发育的原理,之后,才能按照自然规律找出解决它的最佳选择。
      2000~2005年“973”项目——生殖健康的基础研究是根据国家需求,围绕人类生殖领域中的几个重要环节,着重探索其过程和调控机制开展基础研究,为未来理想地控制人类生育创造新方法积累知识,并对今后的实际应用提供重要理论依据。
1 项目研究内容
1.1
 精子发生及其基因表达调控的研究
      通过用现代分子生物学方法,如基因芯片、基因筛选法等筛选参与精子发生、成熟过程中程序性表达的基因;了解这些基因编码蛋白质的功能以及它们作用的分子机理。
1.2 受精机理及其分子基础的研究 
      精子顶体反应关键分子及其调控机制;精子因子对卵激活的调控机理;精卵识别的信号转导及精卵早期发育的调控。
1.3 胚胎植入的分子机理 
      植入关键基因的筛选、克隆与功能研究;植入“窗口”启闭与级联网络调节的分子机理;滋养层有节制浸润的分子基础。
1.4 生殖健康生物信息库的建立及其应用研究
      建立具有中国特色的生殖健康生物信息库,收集、发布、检索、统计等有关本项目相关信息。
2 项目研究重要成果
2.1 发现并分离了一批与精子发生、成熟、受精及胚胎植入相关的新基因 
      采用近年来生物科学领域中的一系列最新技术(LCM、cDNA array、2D-PAGE-质谱分析、生物信息分析等),构建了正常与异常精子发生和胚胎植入位点的基因文库6个;研制了2种睾丸基因芯片;构建了9个精子发生、成熟的基因和蛋白质表达谱系;分离了各种新基因185个,其中与精子发生相关的158个、生精细胞热敏感基因4个、精子成熟相关新基因16个、受精相关新基因3个、胚胎早期发育新基因1个及胚胎植入相关新基因3个。这些具有自主知识产权的新基因是一笔宝贵的财富,它们将为进一步阐明生育调控的机理、探索新的避孕途径和节育措施、完善辅助生殖手段和减少出生缺陷做出创新性贡献。
2.2 发现了一些基因/蛋白质在精子发生、成熟、受精及胚胎植入中的重要功能,并初步揭示了其作用的分子机理 
      发现在附睾头部主细胞特异表达的Bin1b,它的表达受雄激素调节,在生育旺盛期表达最高。Bin1b还具有显著的杀菌能力,经Bin1b反义RNA封闭后,杀菌能力消失,表明该蛋白质是参与附睾自身防御系统的天然抗菌肽。此外,还发现Bin1b自附睾头部中段的上皮细胞中分泌入管腔后,与该处尚无运动能力的精子结合,然后通过L型钙离子通道,使精子摄取钙离子,从而起始精子运动,但对在附睾尾部管腔中已具有运动能力的成熟精子的活动力则无影响。体内实验表明,当Bin1b表达下降,精子结合的Bin1b随之减少,精子的活动能力也相应下降,进一步从生物体整体水平上证明了Bin1b的功能,揭示了精子由不活动状态到活动状态的起因。此两项结果在Science(2001)和Nat Cell Biol(2004)上发表。
      发现NYD-SP27基因,它在正常人体中仅在睾丸组织高表达,研究证实,NYD-SP27在正常生理条件下是作为一种PLC的生理性抑制剂存在于精子顶体,它通过抑制PLC 的活性而对精子的顶体起着稳定作用,抑制自发性顶体反应的发生,而在获能和顶体反应过程中,随膜流动性的增加及结构变化而自动丢失,从而保证顶体反应在适当的时间及条件下发生,保证受精的正常进行。NYD-SP27基因在胰腺组织中呈低表达,但却在纤维囊性病的胰腺组织中高表达。在纤维囊性病(CF)病理条件下,它通过抑制PLC的活性使胰腺分泌阴离子能力降低,抑制囊性纤维化跨膜电导调节因子(CFTR)移向细胞膜;研究证实子宫内膜上皮细胞CFTR具有介导HCO3-的分泌和转运作用;阐明了CF妇女不孕的致病机制是由于子宫CFTR介导的 HCO3-分泌不足,从而影响精子获能和受精,导致CF妇女生育力降低。该两项结果分别在 Lancet(2003)和Nat Cell Biol(2003)上发表。
2.3 在受精机理及其分子基础的研究创新成果
      MAPK信号通路在卵母细胞减数分裂及受精的研究中,发现是卵丘细胞而不是卵母细胞中的MAPK促进减数分裂使因子通过间隙连接进入卵母细胞而影响第一次减数分裂恢复。发现卵母细胞MAPK参与MII期阻滞、纺锤体组装和原核形成等重要事件调节的重要证据,提出蛋白激酶C通过诱导MAPK去磷酸化,从而促进原核的形成的观点。提出了Ca2+/钙调蛋白/CaMKII通路激活,保证受精后第二次减数分裂的恢复和第二极体的排放。发现泛素-蛋白水解酶复合体通路(UPP)通过影响cyclin B降解、MAPK/p90rsk磷酸化和securin/cohesin降解,在卵母细胞减数分裂恢复、纺锤体组装、中后期转变、极体排放和原核形成过程中发挥重要作用。
      卵激活钙振荡调控的分子基础研究中,首次发现触发哺乳动物卵发生钙振荡的精子因子,其活性在进化中高度保守,可跨界起作用。发现钙振荡影响胚胎中基因表达水平、囊胚发育效率以及胚胎植入效率。提出了母源装置调控哺乳动物受精卵钙振荡维持的概念,揭示了该装置具有卵细胞及发育时期特异性。首次发现ERK1/2可通过磷酸化InsP3受体负调控与InsP3的结合,从而抑制钙释放的新机制。
      上述有关卵母细胞减数分裂成熟及受精的分子机理研究,在国际上产生了重要影响,主要完成人受邀在国际重要期刊撰写综述论文5篇,受邀参编2本美国出版的专著,8次受邀在国际大会上作特邀报告或大报告。
2.4 胚胎植入分子机理研究的新进展
      阐释了细胞外基质(ECM)-整合素(Integrin)-焦点黏着激酶(FAK)-基质金属蛋白酶(MMPs)信号通路、泛素-蛋白水解酶复合体通路(UPP)以及Wnt- b-Catenin 信号通路在胚胎植入“窗口”启闭中的作用,初步勾画出了胚胎植入“窗口”启闭调节的分子线路图。
      研究了五种基质金属蛋白酶(MMPs)MMP-2,-9,-14, -26及28和它们的抑制物TIMP-1,-2和 -3在小鼠胚胎植入和恒河猴早期妊娠中的网络调节重要作用。证明在不同妊娠时间不同种类的MMPs分别发挥不同的功能:MMP-2,-9,-14在胚胎植入时期的作用是为子宫内膜接受胚胎植入做准备,MMP-26与胚胎滋养层细胞浸润有关,MMP-28与绒毛滋养层细胞浸润有关。揭示了植入的重要细胞因子LIF、前列腺素E合成酶(PGES)和细胞核受体PPARd等在胚胎植入过程中的作用特点。
      首次揭示了新型MMP-26和TIMP-4在人正常滋养层细胞和绒癌细胞系截然不同的表达模式,发现TIMP-4是MMP-26的抑制剂,MMP-26/TIMP-4比值升高可能促进了肿瘤的浸润和转移。
上述研究发表被SCI收录的论文68篇,其中IF大于2.0的论文38篇。在国际生殖生物学顶级刊物Biol Reprod和Mol Hum Reprod上发表系列文章19篇,其中有1篇论文被Mol Hum Reprod作为封面文章介绍。
2.5 生殖健康生物信息库的建立
      在生殖健康生物标本库的建设中,建立并逐步完善生物标本库管理体系,并完成了生殖健康生物标本采集,其中精子发育障碍(血液)(夫/妻)400对;习惯性流产(血液)(妇女)120例;宫内发育迟缓(血液)(妇女)115例;死胎死产(胎盘)168例;出生缺陷核心家庭(DNA)(父/母/子)892对。
创建了生殖健康相关基因数据库,在国际互联网申请了专用域名,建立了名为“生殖健康的基础研究”网站(http://www.rh973.cn)。网站作为整个项目的信息和服务平台,用于生殖健康研究相关信息的收集、发布、检索,并提供生殖健康相关基因数据库(包括精子发育、受精和胚胎植入)、致畸因素数据库、出生缺陷图片库、读者咨询库以及与其他网站链接,获取生殖健康研究相关信息等。
3 项目研究产生的影响
3.1 研究的理论结果对于未来控制性传播疾病和降低人口出生率均显示潜在的应用前景
      一些睾丸和附睾中特异表达基因/蛋白质已显示出可能作为免疫避孕候选者的潜力。附睾蛋白Bin1b的抗菌特性是在生殖系统首次发现的b-defensin类、与附睾内防御系统相关的基因,其起始未成熟精子运动的功能揭示了精子由不活动到活动的起因。两篇论文在Science、Nat Cell Biol先后发表后,受到国内外同行极大关注。美国Science杂志社在文章发表同时不仅将论文列为重点阅读对象之一,还为此文配发短评,题为“一种药丸形式的避孕套”。国际媒体也引起很大反响,认为中国科学家提出了创造一种新的男性避孕药的可能性,展示了可能发展一种既具有抗生育又有抗菌作用,阻止性传播疾病蔓延的双功能避孕药的前景,有重要的现实意义。研究成果丰富了b-defensin家族的生物功能,引起了国际上对附睾中研究b-defensin和自身防御机制极大兴趣。发表在Science上的文章被引用达65次,Nat Cell Biol为11次。目前在附睾领域方面的研究我们处于国际领先地位,国外的一些实验室、个人和刊物纷纷要求与我国科学家合作、申请作博士后及撰写综述。PLC的天然抑制剂NYD-SP27及囊性纤维化不孕妇女的致病机制研究,在国际有影响力的杂志 Lancet和Nat Cell Biol发表后,得到了国际同行的高度评价。一些基因和蛋白质已开始了与临床的初步结合,如探索某些精子蛋白作为男性不育病因分析检测指标的可能性;对体外受精(IVF)病人受精率的检测等。在受精和胚胎植入分子机理研究中获得的新发现和新知识将为建立新的避孕方法、设计安全有效的女性避孕药、发展辅助生殖新方法和解决人口与计划生育科学问题提供理论基础和技术支撑。
3.2 生殖健康生物标本库的建立在科学和经济上带来的效益
      在生殖健康研究领域,世界上只有少数几个发达国家(如美国和日本)建有以出生缺陷病例为主的DNA标本库。我们目前所建立的生殖健康生物标本库,不仅是当前国内规模最大、标本储存类型多样、储存条件相对完备的生物标本储存基地,而且在人群特征、疾病种类、标本数量等方面均居国际领先水平。课题负责人李竹教授曾作为特邀代表,分别于2002年在英国举办的国际出生缺陷学术会议和2005年在美国举办的中美合作专题报告会上,就“中国生物信息库”为题做了专题报告,得到国际同行的高度评价和关注。生殖健康生物信息库的建立,一方面可以对我国丰富的人类遗传资源进行系统的收集和保存,为充分利用我国丰富的遗传资源和公共数据库中的免费资源提供快速、便捷的条件;另一方面数据的分析结果将对有限资金更合理地分配和使用于具有明确科学、经济和社会效益的研究方向具有重要的指导意义。
3.3 培养出一支高水平的研究队伍
      本项目汇集了国内从事生殖生物学研究的主要研究队伍和学术骨干,经过五年工作,培养了大批青年人才,包括出站博士后9名,毕业博士生137名,硕士生58名。他们通过参加并承担部分课题任务,科研实践能力得到磨练和提高,做出优异成绩。
3.4 增强了我国在国际生殖生物学基础研究的学术地位
      本项目的研究成果不仅在国际生殖生物学顶级刊物发表系列文章、作为封面论文及特邀撰写综述,而且在一些国际著名刊物上发表,并获得国际权威专家的好评,引发了有关研究热点;五年中共发表论文310篇,其中被SCI收录的有215篇,IF>10.0的4篇,IF在3~10之间的60篇。获得国际专利1项,国内专利2项,申请国际专利2项,国内专利14项。主编、参编专著5部,应邀为国际生殖领域顶尖刊物Biol Reprod等撰写特邀综述8 篇,这些论文的发表提升了我国在受精研究领域的国际知名度。此外,研究成果多次在国际会议上作特邀报告;与国外共同主办和主持了“胚胎植入分子线路图” 学术研讨会等,这些成绩反映了我国在生殖生物学基础研究方面的学术地位,在项目执行前是不能想像的。
4 项目研究措施的重要性
4.1 组织管理的重要性
     本项目在组织管理方面比较规范,主要表现在以下几个方面:(1)做好协调工作:项目包括男(雄)性、女(雌)性生殖和信息方面的课题,涉及内容广、学科多,因此首席科学家做课题组之间的协调工作非常重要,我们积极鼓励和支持课题之间与学科交叉与合作,取长补短,加速研究工作的进展。(2)严格中期考核:我们认真做好中期考核工作,在考核中根据“973”项目的管理要求,撤消了工作绩效差的1个课题,更换了5位PI,吸纳了一位优秀年轻人才进入项目组,使研究队伍进一步优化,研究力量进一步加强。(3)重视年度总结与学术交流:项目每年召开一次工作总结会,除项目专家委员会成员、全体子课题负责人与会外,还邀请项目咨询组专家、有关部门领导参加会议。专家委员会委员除对年度的项目进行检查外,并对子课题的进展做出评估。在每次年会后向有关领导部门和人员发送会议纪要,年度检查不仅发挥了督促作用,同时也起到学术交流,对课题内、课题间开展合作起促进作用。(4)建立交流与沟通平台:项目创办了《生殖健康的基础研究》通讯;创建了“生殖健康基础研究”网站,除将项目重要进展上网外,还搜集了一些重要国际前沿领域论文供大家参考,该网站非保密部分全部对外开放,服务社会需求。当项目取得重要进展时,还向科技部基础司和高技术研发中心合办的《基础科学研究快报》提供稿件,及时报道本项目所取得的重要成果。(5)现场巡查:首席科学家及助理每年至少有一次到各子课题单位检查工作,及时了解工作进展情况,提出改进意见,帮助他们解决工作中存在的问题。(6)经费分配,既考虑绩效,又兼顾潜力:为了对国家科研经费负责,确保使用效率,我们采取基本经费+绩效经费按年度拨款的办法下拨研究经费,对一时不能出成果,但表现出有很强潜力的研究组,经项目专家组评估,还给予经费预支或倾斜支持。最后两年绩效经费下拨,向取得重大成果课题倾斜,大大调动了项目组人员的创新激情。
4.2 国际合作的重要性
      重大科研项目除开展国内合作外,更需要开展国际合作。本项目非常重视与港澳地区及国外开展广泛的科研合作,达到共同提高的目的。例如:本项目发表于国际著名刊物的多篇成果论文,就是与香港中文大学共同合作研究的结晶。项目在执行期间多次与国外合作举办了国际会议和讲习班,如2004年6月举办了中美“MMPs-ECM在生殖发育和肿瘤中的作用”讲习班; 2004年8月在第19届国际动物学大会上组织主办了“Road Map to Molecular Basis of Implantation”研讨会;2005年3月举办了中美激素基因体学-生物信息技术培训班等。项目课题组还曾多次接待美国疾病预防与控制中心、美国哈佛大学、德州大学有关学者参观考察,交流各方在生物标本库的建设和管理中的经验。
      由于“973”项目——生殖健康的基础研究项目所取得的令人瞩目的成果,在2005年9月与加拿大签署的中国科学院-渥太华大学(CAS-UO)科技合作协议中,将首先从生殖健康开始启动;2005年11月18~22日在北京举办了“第一届中加双边生殖健康基础研究学术研讨会”,以推动实质性双边生殖健康的合作研究。
5 结束语
      2000~2005年“973”项目——生殖健康的基础研究虽已结题,但所取得的一系列成果为今后深入开展生殖健康的基础理论研究打下了良好基础。我认为重大的项目研究,需要有国家科技部门财力上的高投入,由一个有实力的、充满活力的科研团队来完成。希望今后国家科技部针对国家的需求,继续组织起一支更精锐的队伍,在今后生殖健康的基础理论研究中做出更多的、为人类造福的科研成果。

 
 
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