来源：科学大家
专题：《科学大家》聚焦新型冠状病毒
实时疫情入口
出品：新浪科技《科学大家》、未来论坛
主讲嘉宾：谢晓亮北京大学李兆基讲席教授、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
新冠肺炎席卷全球，控制疫情涉及四个方面：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，我今天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。在疫苗出来之前，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。
从上周中欧抗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。小分子药物，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。
血浆疗法虽好，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键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”，用来捕捉抗原。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的受体结合域（ReceptorBindingDomain，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，重新组装成大量新的病毒，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；病毒来了，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度中和抗体，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，近年来有不少成功的例子。
艾滋病原来是不治之症，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，三种单克隆抗体已获美国FDA批准，目前正在临床开发中。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），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。
以上这三种抗体药物都是中和抗体。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。
我这里顺便提一下癌症。截止年，全球将近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。想在血浆中直接找到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，曹云龙在几个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的专长。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，立马开始读文献，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教授，测序平台负责医院。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。医院的粟斌和郭向华研究员来到我们中心，完成单细胞测序技医院的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，人类基因组计划完成了，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CraigVenter测的是他自己的基因组。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条来自于母亲，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。简单地说，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。人与人相比，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。
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。现在只要美元，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，我们需要把单细胞里的微量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。用它来放大整个的基因组，覆盖率只有5%。
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？我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。在试管婴儿的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。这是年在北医三院诞生的首个“MALBAC婴儿”，一个非常漂亮的女婴。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的时候，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，点的位置不一样，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。单细胞转录组已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细胞从血液里分离出来，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细胞是由骨髓产生的，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