PI来啦！两分钟带你了解王玉田院士

加拿大皇家科学院院士，中国科学院深圳理工大学（筹）生命健康学院院长、讲席教授，中国科学院深圳先进技术研究院首席科学家，加拿大不列颠哥伦比亚大学脑研究中心终身讲席教授。

主要研究神经递质受体在神经细胞内转运及膜表面动态表达和调节的分子机制，及其在神经系统疾病发生和发展中的作用。同时专注于神经系统重大疾病的机理研究和创新药物的开发，尤其在学习和记忆障碍以及脑中风、癫痫、药物成瘾等中枢神经系统疾病的特异性药物开发中取得了一系列国际领先的成果，拥有多项国际保护的药物专利和一项可用于药物开发的新型技术专利。

多年来王玉田教授团队在医学-神经科学领域发表了超过160篇文章，Google scholar 总引用数达35000多次，h指数70以上，被公认为是脑神经研究的世界顶尖科研团队之一。

王玉田教授还致力于将理论研究的突破应用于临床医疗实践，并先后与同事一起推进数个实验室到临床期药物的开发。多年的基础科研和企业运作经历使王玉田教授在科研成果转化领域拥有了大量的实际经验。

在多年的学术生涯中，王玉田教授非常注重培养年轻一代科学家的成长。自1994年成立实验室以来，王玉田教授指导了33位博士后，32位博士研究生，培养了一批优秀的年轻学者在国内外知名高校及科研机构建立了独立的实验室。

神经元兴奋性是中枢神经系统神经元正常功能的基础，主要由突触兴奋和抑制之间的精细功能平衡控制。众所周知在哺乳动物大脑中，突触的快速兴奋主要由兴奋性递质谷氨酸介导，而快速抑制主要由抑制性递质GABA介导。更具体地说，兴奋性递质谷氨酸作用于突触后离子型谷氨酸受体，特别是AMPA和NMDA亚型。通过打开这些阳离子通道，谷氨酸导致带正电的离子流入细胞，主要是钠离子，进而导致突触后神经元去极化介导快速突触兴奋。相反，GABA 作用于离子型 GABAA受体，导致氯离子通道相关受体开放，增加带负电荷的氯离子的流入细胞，引起神经元突触后超极化，从而介导突触快速抑制。维持大脑正常功能依赖于保持谷氨酸介导的突触兴奋和GABAA受体介导突触抑制间的平衡。这种平衡的保持一直被认为主要是通过神经网络间的谷氨酸兴奋神经原和GABA抑制性神经元之间的负反馈来完成的。王玉田课题组最新发现了一种意想不到的控制兴奋-抑制平衡的全新分子机制 – 兴奋性神经介质谷氨酸通过直接结合到抑制性的GABAAR上而变构增强 GABAA受体的功能 （manuscript 1, submitted）。利用基因鼠，进一步证明了该机制在控制神经元兴奋性的稳态，进而保证正常脑功能起到必不可少的作用 （manuscript 2, submitted）。

图1. 在“谷氨酸对 GABAAR功能的变构增强”中，兴奋性递质谷氨酸可以直接结合并变构增强 GABAA受体的功能，从而在控制神经元兴奋性的稳态机制起到必不可少的作用。

 如图1，在过表达重组GABAA受体的 HEK293 细胞中（无已知的谷氨酸受体）、谷氨酸及其他配体类似物（包括 NMDA、AMPA 和 APV）自身并不会诱导产生任何电流，却以剂量依赖性方式增强GABA诱导的电流。利用计算机辅助模型推演和氨基酸位点突变鉴定出了谷氨酸主要通过 GABAAR 的 α+ 和 β- 界面中的一组带电氨基酸残基形成的一种全新的谷氨酸结合口袋作用，通过兴奋性和抑制性递质间的串扰，增强突触和突出外 GABAAR 介导的电流。这一发现打破了传统对兴奋性递质和抑制性递质的固定认识 （Manuscript submitted）。

图2. 通过在基因突变在小鼠上将谷氨酸在GABAAR上的结合位点去除后该兴奋性谷氨酸介导的GABAAR变构增强神经元抑制导致该基因鼠呈现过度兴奋和神经行为异常，进一步揭示了该新型谷氨酸-GABAA 受体稳态串扰的生理和病理意义。

图2. 左，生理调节下，突出前谷氨酸主要限制在谷氨酸突触间隙，没有大量的谷氨酸外溢到邻近的GABA能的突触上，这种情况下，谷氨酸主要作为兴奋性递质在谷氨酸突触上介导正常的兴奋性突触后电位。图中，在特殊的生理或病理条件下，大量的谷氨酸释放导致兴奋性突触间隙谷氨酸释放过多，浓度显著增加超过神经递质的回收能力。此时，谷氨酸增加兴奋性突触的上兴奋性突出后电位的幅度，同时也外溢到邻近的抑制性突触上增加GABAA受体介导的突触后抑制性电位， 从而通过该新型的谷氨酸-GABAA受体反馈机制保持神经兴奋-抑制在新的状态下单平衡。 

图2. 右，在通过定位突变去除了谷氨酸结合和变构调节位点的 GABAA 受体转基因小鼠中，谷氨酸变构增强GABAA 受体功能的反馈机制丧失，谷氨酸增加而导致的过度兴奋不能有效地被GABAA 受体介导的抑制所拮抗，使这些谷氨酸变构增强GABAA受体功能缺失的基因鼠呈现神经元过度兴奋的行为表型 （manuscript 2, submitted）。

因此，王玉田课题组近期研究表明，经典的兴奋性神经递质谷氨酸可以通过一种新的变构调节机制增强抑制性 GABAA 受体的功能。作为一种关键的稳态反馈机制，谷氨酸和 GABAA 受体之间的这种新型串扰在调节兴奋-抑制平衡方面发挥着重要作用，从而在生理和病理条件下维持哺乳动物大脑中的神经元兴奋性。不仅打破了经典的兴奋性和抑制性传输系统之间的传统区别，而且揭示了一个基于 GABAAR 的新的药物开发靶点。

突触可塑性是学习记忆的细胞机制，其包括记忆维持相关的长时程增强 (Long Term Potentiation, LTP) 和记忆消退、增强学习可塑性的长时程抑制 (Long Term Depression, LTD)。LTP和LTD对大脑功能的重要性不言而喻。目前人们认为二者的形成均需要NMDA受体 (NMDAR) 的激活。尽管仍然存在一些争议, 但王玉田团队和其他众多实验室的研究证明激活GluN2A-NMDARs 可易化LTP的产生，而激活GluN2B-NMDARs促进LTD的形成。另外GluN2A-NMDARs和GluN2B-NMDARs的表达或功能异常与具有记忆障碍表征的脑疾病关联密切，如阿尔茨海默症、自闭症、卒中后认知障碍等。因此，近几年来王玉田团队针对NMDAR受体的N端结合域（NTD）的别构结合位点，通过计算机辅助筛药技术、BBB血脑屏障通透性测试、毒性结构剔除、电生理技术验证、点突变结合位点验证得到了一系列潜在的别构激活NMDAR的小分子药物（图1）。

图1. A. GluN1/GluN2A NMDA受体 (NMDAR) 卡通平面图。B. 计算机虚拟模拟GluN1和GluN2A之间的同调模型二聚体界面。C. 药物筛选流程示意图。

别构激活NMDAR的小分子药物自身并不会激活NMDAR，仅起到放大内源性递质对NMDAR的激活作用, 靶向增强开放的NMDAR功能, 进而双向增强LTP和LTD, 提升学习记忆能力。通过图2中学习记忆相关的行为学实验 (空间学习记忆相关物体新位置识别行为范式和物体记忆相关的新物体识别行为范式), 证实了该小分子药物可增强正常动物的学习记忆。更为重要的是该小分子药物亦可挽救阿尔茨海默症模型动物中记忆缺失 (空间学习记忆相关的水迷宫行为范式和工作记忆相关Y迷宫自发交替行为范式; 图2)。在目前阿尔茨海默症尚无特效药的背景下，本研究中的小分子药物或为阿尔茨海默症提供了一种缓解学习记忆障碍的新思路和治疗策略 (manuscript, in preparation)。  

 图2. 小分子药物增强学习记忆并对抗AD中记忆缺失。

帕金森病（Parkinson’s disease, PD）的发病与中脑黒质多巴胺神经元的死亡密切相关。目前的研究证据发现α-突触核蛋白 （α-synuclein）在中脑黒质多巴胺神经元的病理性高表达并聚集是导致其死亡的主要原因之一。利用siRNA等基因沉默技术降低PD动物模型中的病理性高表达α-突触核蛋白能够一定程度保护多巴胺神经元，但目前siRNA技术在穿透血脑屏障和神经元细胞膜，有效到达病灶方面仍不能够满足临床实际使用的要求。

在本研究中 （Communications Biology, 2021），王玉田院士团队创造性地设计了一种能够有效穿透血脑屏障和神经元细胞膜，并快速降解α-突触核蛋白的小分子多肽Tat-βsyn-degron。该多肽设计主要包括：（1）N端Tat结构域，能够有效穿透血脑屏障和神经元细胞膜；（2）βsyn结构域，识别结合α-synuclein；（3）degron结构域，介导α-synuclein与蛋白酶体的结合，诱发蛋白质降解。体外实验发现Tat-βsyn-degron能够有效地，特异地降低α-synuclein（图1）：

图1. 穿透血脑屏障和神经元细胞膜，并快速降解α-突触核蛋白的小分子多肽Tat-βsyn-degron的设计与体外功能验证。

并且Tat-βsyn-degronα-synuclein降低αsynuclein具有剂量效应关系，起效时间快（12h），不影响其他蛋白表达（图2）：

图2. 体外实验发现计量效应关系，起效时间与特异性。

体内实验发现，腹腔注射Tat-βsyn-degron能够显著降低PD的M83小鼠模型中α-突触核蛋白的聚集（图3）：

图3. Tat-βsyn-degron短肽在M83小鼠模型中的作用验证。

同时，α-突触核蛋白的寡聚体也会导致细胞死亡。我们的实验发现，在PD的MPTP小鼠模型中，Tat-βsyn-degron短肽在降低α-突触核蛋白的寡聚体，减少多巴胺神经元死亡的同时，能够挽救MPTP小鼠模型的运动损伤（图4）：

 图4. Tat-βsyn-degron短肽在MPTP小鼠模型中的作用验证。

以上实验结果表明Tat-βsyn-degron在两个PD动物模型中均能有效降低α-突触核蛋白，是一个有潜力的PD临床治疗手段。一直到现在对帕金森病的临床治疗没有特效药物，主要是左旋多巴为主对症治疗。而该治疗随用药时间的延长，疗效减弱，副作用严重，而不得不停用！本研究设计的小分子多肽是首例针对PD的致病因子之一α-突触核蛋白的药物，因而能够从发病的病因上进行根本治疗。加之该药可以通过外周血液通过血脑屏障进入脑内病变区域，具有很好临床开发价值。该药在世界范围的一类新药专利保护已经获批，正在准备进入正式的临床前的开发。

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