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表观基因组学研究的先驱:芬恩伯格 精选

已有 4887 次阅读 2023-11-5 09:21 |个人分类:博士培养|系统分类:人物纪事

表观基因组学研究的先驱:芬恩伯格

 

为期两天的第四届国际表观基因组学研讨会暨2023中国肿瘤甲基化标志物年会于 2023年10 月 29 日在上海青松城大酒店圆满落幕。本次会议由一个特别策划:纪念DNA甲基化与肿瘤相关联(Linking Methylation to Cancer, LMTC)发现40周年,芬恩伯格(Andrew P. Feinberg )教授的有关肿瘤DNA甲基化研究的这一重大发现,具有重要的理论和现实意义。

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多么熟悉的名字

安德鲁·芬恩伯格(Andrew P. Feinberg )曾经多么熟悉的名字?自2010年以来,我在多篇博文中讨论过他。

在《实验室轮转:找对人与事》一文中,首次提到他:“就说你现在正在轮转的实验室指导教师、做表观遗传学的Andrew Feinberg博士,刚建立起常见人类疾病表观遗传研究的新的、多机构的研究中心。美国国家人类基因组研究中心和国家神经健康中心提供了500万美元用于中心的建设,中心的研究人员将致力于开发研究所需的工具,然后系统地研究自闭症和躁郁症(bipolar disorder)等疾病的表观遗传信息。这是一个前途远大的研究领域。”(叶明:学会研究)东南大学出版社,2019年,44页 )

在《博士培养的基本构架》一文中,分析遗传医学研究所的导师构成中,对芬恩伯格做出初步的分析:他“本科(1973年),医学博士(1976年),公共卫生硕士(1981年),现任表观遗传学中心主任。Andrew Feinberg指导在读博士研究生1人(2009年入学),毕业1人(2002年入学)。”(同上书,55页 )

在《选谁做导师?》一文中,对经过轮转的三位导师从学术履历、科研水平与培养学生等几个纬度做出综合评估:“芬恩伯格、金蒂、赛多克斯都是受过严格、完善的博士、博士后训练成为科学的家,也都是在40左右成为霍华德休斯医学研究所研究员,并都在约翰霍普金斯大学成为副教授、教授的。”(同上书,57页 )

其中对芬恩伯格做了较为详细的分析:

“芬恩伯格在2001-2010年期间,共有20篇论文,5篇第一作者,15篇通讯作者。其中《科学》(IF: 30.927)2篇、都是通讯作者;《自然》(IF:29.273))1篇,唯一作者,应该是属于.’大家’写的那种综述。” (同上书,59页 )

芬恩伯格的研究开辟了遗传学研究的另外一条主要路径——表观遗传学,影响很大。在他50-60岁期间仍有多篇第一作者文章还是值得注意的。”(同上书,59页 )

“芬恩伯格的学生资料很少,我只查到一位学生,2002年入学的Hans Bjornsson(University of Iceland, College of Medicine)以第一作者身份在《美国医学协会期刊》上发表1篇论文(Bjornsson HT, Sigurdsson MI, Fallin MD, Irizarry RA, Aspelund T, Cui H, Yu W, Rongione MA, Ekström TJ, Harris TB, Launer LJ, Eiriksdottir G, Leppert MF, Sapienza C, Gudnason V Feinberg AP. Intra-individual change over time in DNA methylation with familial clustering. JAMA, 299:2877-2883. 2008.)《美国医学协会期刊》经常被列为医学期刊中拥有最高影响因子之刊物〔同级刊物有《新英格兰医学期刊 (The New England Journal of Medicine)与《柳叶刀医学期刊》)。”(同上书,64页)

这些博文,历时三年(2010-2012),记录了儿子与芬恩伯格的认识与交往的过程。

         为什没有选他?

2010年2月8日,儿子接到霍普金斯大学医学院人类遗传学博士项目的offer。2月10日上午,儿子根据他申请项目的主页http://humangenetics.jhmi.edu/ ,确定了面试老师的名单,包括Carol Greidr(格雷德),Andrew P. Feinberg(芬恩伯格)、宋红军等8位面试导师,另加上一位是该项目指定的负责人David Valle共9位老师。2月16日飞美国巴尔的摩面试。面试结束后,在返程的飞机落地时,就接到电子邮件“已经被录取了,随后寄出正式的录取通知书”。

这时,儿子已经经过四场面试,正式录取通知书四份,多伦多大学、华盛顿圣路易斯大学、霍普金斯大学,最早视频面试的宾夕法尼亚大学的正式录取通知书最迟收到。儿子在考虑去哪个学校:多伦多大学是公立大学,儿子本科就在这里读,虽然也有奖学金,不是很多;但需要联系一位教授,由他支付部分学费;自己还需要负担一些生活费。从学术发展的角度,最好选择非本科就读的学校为宜,可以接受更多的学术思想与学习更多的实验技术。儿子率先拒了多伦多大学,也将机会留给了其他同学。通过面试交谈与资料阅读,儿子初步确定学校的“预选导师”, 宾夕法尼亚大学只有一人,该校视频面试的是两位华裔老师。由于没有直接见到相关导师,录取得又慢,友好程度与积极欢迎程度都比较低,所以放弃了;尽管它提供的奖学金数额最高,而且是常青藤盟校,最后还是果断拒绝了。华盛顿圣路易斯大学与霍普金斯大学都是提供路费与食宿,前者选定了两位,后者选定了4位,所以,最后确定了霍普金斯大学。4位“预选导师”中,芬恩伯格就在其列。

入学后,芬恩伯格主动联系了我儿子,积极欢迎他来实验室做轮转,儿子很快就应允,加入芬恩伯格实验室,学习表观遗传学的原理与相关技术。主要是因为我儿子的本科是分子遗传学专业,博士项目是人类遗传学,芬恩伯格是该项目的全职教授。

儿子入学后,方才得知霍普金斯大学医学院选轮转导师与博士论文导师是可以在全院任何一个项目上的教授。所以,后两个轮转分别是神经科学系与分子生物学系的导师,最后确定了跟神经科学系导师做博士论文。这在一般意义上就是转系、转专业了。学籍管理仍在遗传医学研究所,必修课程仍按人类遗传学博士项目规定执行,但博士论文研究与学术活动主要在神经科学系,可以称之为“一人两系”。美帝的科研教学体制是按科学规律不是按行政要求设置的,十分科学与人性。中国大学要做到这样,不知要费多少手续,需要多少人签字盖章?在教室与系所利益驱使下,几乎是不可能的!

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之所以没有选择芬恩伯格教授主要有如下几个原因,第一,他的博士学生太少,从2000-2010年只有二位博士生,一位已经毕业,目前在读一位;第二,学生论文的难度太大,2002年入学的Hans Bjornsson(本科是University of Iceland, College of Medicine)以第一作者身份在《美国医学协会期刊》(JAMA, 299:2877-2883. 2008.)上发表1篇论文。该刊经常被列为医学期刊中拥有最高影响因子之刊物〔同级刊物有《新英格兰医学期刊》与《柳叶刀医学期刊》) ;第三,研究周期太长,有个课题着重研究了甲基化——一种特殊类型的表观遗传标记。DNA样本来自冰岛大约600个人,分别于1991年和2002年至2005年间采得。研究人员测量了111个样本中每个样本的DNA甲基化总量,并比较了同一个人的采自2002年至2005年间和1991年的DNA甲基化总量。其结果就是那位已经博士位第一作者的论文。第四,芬恩伯格的年龄偏大,已经60岁,另两位导师都50岁不到;第五,芬恩伯格当时已不是霍华德研究员了,另两位导师都是霍华德研究员,有稳定的经费支持与旺盛的科研精力。其中,还有一个比较隐蔽的深层原因,可能就是饶毅曾指出的“中国人,包括海外华人,学习人类遗传学的特别少”。( 饶毅:《中国的人类基因研究为什么弱?》科技日报  2018-09-17 )所以,不得不放弃了芬恩伯格。

良好的学术背景

芬恩伯格的大学,先在耶鲁大学接受了通识教育,在耶鲁大学的定向研究荣誉项目中学习数学和人文学科,然后转学到霍普金斯大学的医学预科,加速医学项目(一年的人类生物学),获得文学学士学位(B.A.,1973年)。

本科毕业后,芬恩伯格进入霍普金斯大学医学院攻读医学专业,三年后(加上预科一年)获得医学博士学位(M.D.,1976年)。医学博士毕业后,芬恩伯格在宾夕法尼亚大学(University of Pennsylvania)进行医学临床培训。

1979年考入霍普金斯大学公共卫生学院,攻读公共卫生硕士学位,并获得硕士学位(M.P.H.,1981年)。

然后,芬恩伯格在霍普金斯大学成为Vogelstein的第一个博士后,开始从事癌症研究。“Bert Vogelstein教授(1949年出生),他做的工作是诺贝尔奖级的。他1970年宾夕法尼亚大学本科毕业,1974年霍普金斯大学MD毕业。1995年起成为霍华德休斯医学研究所研究员,被誉为“世界被引用之王”:论文被引用次数约39800次,不知还有没有超过他的人;有人统计,在20年内引文数最多之科学家排名(1983-2002)中,Bert Vogelstein名列榜首。作为第一作者和通讯作者,他 science 28篇,nature 28篇,cell 15篇(截止到2007年初)。”(同上书,54页 )

芬恩伯格被认为是癌症表观遗传学领域的创始人,1983年,他与伯特·沃格尔斯坦(Bert Vogelstein)一起发现了癌症中DNA甲基化的改变。可以这么理解,如果DNA包含的是拼写出单个基因的“单词”,那么表观遗传学就是基因组的“语法”,它负责告诉这些基因,在特定组织中是否应该被开启或关闭。

芬恩伯格在加州大学圣地亚哥分校(UCSD)从事发育生物学博士后研究。完成博士后的科研训练之后,芬恩伯格去了密歇根大学医学院工作,并在1986-1994年成为霍华德研究员。1994年回到霍普金斯大学任教至今。

由于良好的临床医学与科学研究的双重学术背景,芬恩伯格是在霍普金斯大学担任法赫德讲座教授、生物医学工程、心理健康、肿瘤学、生物统计学、分子生物学和遗传学、精神病学和行为科学教授,主要受聘在医学院的内科学系,同时也被聘在医学院的肿瘤学系、分子生物学与遗传学系,研究领域为内科医学、发育和疾病的表观遗传学、表观遗传学与癌症。

       杰出的学术成就

芬恩伯格的多学科研究侧重于理解遗传和环境因素影响正常发育和疾病的表观遗传机制。他的早期工作发现DNA甲基化模式的改变是癌细胞的早期标志。随后,他发现了人类肿瘤中IGF2印记的缺失,并为癌症的表观遗传假说提供了第一个证据,证明了表观遗传变化导致癌症风险增加的机制。从那以后的几十年里,芬恩伯格和他的同事们塑造了我们对DNA甲基化和其他表观遗传变化的理解,以及它们在流行病学和医学中的应用,并为表观基因组的研究引入了开创性的统计和实验室方法。他和同事们在癌症中发现了人类印记基因和印记缺失(LOI),并通过对贝克威斯-魏德曼综合征的研究证明了癌症的表观遗传假说。

芬恩伯格给出了一个系统地将表观遗传信息地融合到传统的遗传学研究中的框架。和遗传序列从双亲传递给孩子一样,位于我们基因上的表观遗传“标记”也能被遗传。这些“标记”——通常是甲基基团——附着在基因骨架上并能传递信息,例如标记某个基因来自双亲中的哪一方。这些标记通常还能打开或关闭基因。但也同DNA序列发生变化一样,获得或丢失表观遗传标记也能导致疾病如癌症的发生。 所以,在研究常见疾病(如癌症、心脏病和糖尿病)的影响因子时,应该同时考虑到先天遗传信息和表观遗传信息(Epigenetics)。

芬恩伯格的研究表明,原来一直认为癌症是单个细胞核DNA发生了一系列明显生物学改变而引起的一组疾病的观点可能被一种更复杂的说法所代替,那就是癌症最早开始于干细胞的甲基化改变。芬恩伯格提出“表观遗传学改变在肿瘤发生中早过突变”的难点,他们认为 肿瘤发展需要三个步骤。第一步,在特定的器官或是组织的祖先细胞内发生由不正常的肿瘤起源基因所介导的表观遗传学损伤。这导致一系列的准备引发新的生长的细胞产生。第二步,这群发生了遗传学改变的祖先细胞发生突变,例如白血病发生中的染色体重排。以前认为这是肿瘤发生的第一步。第三步,就是遗传学以及表观遗传的不稳定,并导致肿瘤的进一步发生。(Feinberg AP, Ohlsson R, and Henikoff S. The epigenetic progenitor origin of human cancer. Nature Reviews Genetics, 7:21-33, 2006.)

芬恩伯格的研究发现,人类DNA上的表观遗传(epigenetic)化学标记一生中不断变化,并且变化程度在家庭成员之间是相似的。据此认为,表观遗传特征虽然不能进行严格意义上的遗传,却能够被我们的遗传组成所影响。这一发现将有助于解释为什么疾病易感性会随着年龄增长而增加。芬恩伯格和同事在实验中着重研究了甲基化——一种特殊类型的表观遗传标记。DNA样本来自冰岛大约600个人,分别于1991年和2002年至2005年间采得。研究人员随后又测量了从美国犹他州拥有北欧和西欧血统的人身上采集的DNA样本,这些样本的采集时间跨度为16年,最后得到了相似的结果。不过研究人员同时发现,同一家庭内的成员之间倾向于拥有同一类型的变化——如果一个家庭成员随着时间丢失了甲基化,那么其他家庭成员也会发生类似的丢失。

最近,他开创了表观基因组学领域,开发了分子和统计表观基因组分析的关键工具,发现了驱动许多区分正常组织和癌症的基因差异表达的CpG岛“海岸”,绘制了正常造血发育中甲基化组的第一张图谱,同时还发现了诱导多能干细胞(iPSC)重编程涉及正常组织发育和癌症的关键表观遗传靶标。他领导了人类癌症的第一个全基因组亚硫酸氢盐测序分析,发现了与核纤层相关的异染色质对应的大的低甲基化结构单元,以及在上皮-间质转化中破坏这些单元的机制。他也是人类表观基因组学研究其他常见疾病的先驱,首次进行了EWAS/GWAS综合分析,并发现了与环境相互作用导致类风湿关节炎和糖尿病的隐藏基因组变异。他还帮助创建了表观遗传流行病学领域,发现了疾病遗传变异的表观遗传中介。他也做出了一些重要的理论贡献,包括癌症的表观遗传祖假说和熵在表观遗传发育和疾病中的作用。

芬恩伯格的变革性工作是在进化生物学方面,获得了美国国立卫生研究院院长先锋奖,他在进化、发育和癌症中追求基因驱动的表观遗传可塑性的新模型,这可能有助于解释拉马克式遗传,使表观遗传学与达尔文主义相协调。他用蜜蜂作为模型来测试这些想法,他发现了甲基化在整个生物体中介导可逆行为的第一个证据。他证明了他的模型,即癌症的进展是由表观遗传不稳定性引起的,而不是转移特异性的驱动突变,发现了一种可逆的潜在生化机制。他还从全基因组亚硫酸盐测序(WGBS)数据中开发了第一个表观遗传能量景观,使用香农熵可以量化全基因组的甲基化随机性,并将熵与染色质结构联系起来。他是为数不多的几个人之一,他在变革性评论论文中的概念思维,他广泛使用的先进方法论,以及他影响深远的实验研究,改变了我们做科学和思考科学的方式。

芬恩伯格是2001年科学信息研究所被高度引用(前0.1%)的研究人员之一,他发表了250多篇同行评议的研究和评论文章。他的随机引物法是一种核酸标记技术,对现代分子生物学起了重要作用,这使得他的论文成为汤森路透有史以来被引用最多的100篇论文之一。

芬恩伯格因其开创性的工作获得了国内和国际的认可,包括美国国家医学院院士(2007年)和美国艺术与科学院院士(2009年)、美国科学促进会(2011年)、美国医生协会和美国临床研究协会。Andrew P. Feinberg教授获得了NIH颁发的表彰具有杰出创造力的科学家的癌症表观遗传学先驱Feodor Lynen奖,两次DP1奖,以及乌普萨拉大学(2007年)、卡罗琳学院(2010年)和阿姆斯特丹大学(2013年)的荣誉博士学位。2011年,他被任命为约翰·霍普金斯大学首届吉尔曼学者,2015年被任命为彭博杰出教授(约翰霍普金斯大学医学院、怀廷工程学院和彭博公共卫生学院)。

他是美国医学遗传学学院的创始成员,并担任《癌症研究》、《美国人类遗传学杂志》和《癌细胞》的副主编。他主持或共同主持了许多关于表观遗传学和癌症基因组学的研讨会和研讨会,是美国国立卫生研究院表观遗传学路线图倡议和国际人类表观基因组联盟的关键领导人。自2014年以来,他一直担任国家环境健康科学咨询委员会的成员,最近被任命为NIH理事会的成员。

 

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在第四届国际表观基因组学研讨会的开幕式上,芬恩伯格带来了主题演讲,题为Epigenetic Plasticity as a major driver of Cancer Progression的报告。芬恩伯格系统性地讲述了肿瘤与表观重塑的关系,主要介绍了表观遗传随机性模型,阐述了随机性表观遗传变异可能是进化和发育的驱动因素,而促进表观遗传重塑的基因变异也有助于生物适应外界变化的环境。此外,芬恩伯格还从DNA甲基化图景及表观遗传势能图景的建模为我们提供了理解肿瘤表观遗传学的新视角。

 

 




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