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扒一扒国自然基金最多的一百人 (3) —— 程和平

作者:MEI JEFF 来源:生物 360 日期:2017-01-12
导读

         2016 年年底,基金委公布了自 1986 年成立以来 30 年获得经费最多的科学家的排行榜,生命科学部的第一名为北京大学的程和平教授,今天小编就跟大家聊聊程和平院士。

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        2016 年年底,基金委公布了自 1986 年成立以来 30 年获得经费最多的科学家的排行榜,生命科学部的第一名为北京大学的程和平教授,今天小编就跟大家聊聊程和平院士。

        个人经历

        程和平于 1962 年出生,安徽桐城人。1980 年,程和平就读于北京大学数学力学系,但在读三年级时,渐渐对生物产生兴趣,就开始自主学习一些生物学方面的课程。1987 年,程和平获学士和生物工程专业硕士学位,同时辅修生物学系生理学专业,获得第二学士学位。

        由于成绩优异,老师们甚至主动为这个年轻人规划未来的人生:从事生物医学工程的研究。为此,他硕士毕业后留在北大,在无线电电子学系任教,以便掌握电子学及计算机软硬件的实验技能,为将来做生物工程大实验做准备。

        1990 年,28 岁的程和平留学美国马里兰大学 (Baltimore) 医学院生理系, 1995 年程和平获得博士学位。同年作为高级研究员(Senior Satff Fellow)加入 NIH 并于 1998 年成为 Tenure-track 研究员。

        1998 年,程和平在北京大学组建细胞钙信号研究室,获国家杰出青年科学基金。2000 获聘教育部长江特聘教授。

        2004 年,程和平获聘美国国立卫生研究院(NIH)终身资深研究员,此为 NIH 最高学术职位。

        2005 年,程和平与同仁共同创建“北京大学分子医学研究所”,任高级研究员。

        2006 年,程和平辞去了 NIH 的职位,全职回到北京大学分子医学研究所工作 。2007 年,程和平教授担任首席科学家主持科技部 973 项目 "心脏的重大基础和疾病机理研究"。2012 年入选“千人计划”国家特聘专家。2013 年和施一公同年放弃美国籍,恢复中国籍,并当选为中国科学院院士。

        程和平院士的妻子也是科学家,他太太是北京大学分子医学研究所所长肖瑞平教授。

        重要研究成果

        程和平院士早年主要从事细胞钙信号转导的研究,近年致力于线粒体生物医学研究。迄今发表论文百余篇,其中 10 余篇刊于 Science、Nature 和 Cell。

        1 回国前

        1993 年,程和平在马里兰大学 Jon Lederer 实验室发现细胞内钙释放的最小单位,并命名为“钙火花”(Calcium Sparks),论文在《Science》上发表。程和平为论文第一作者。通讯作者 W.Jonathan Lederer 博士是程和平的导师,Lederer 博士是马里兰大学生物医学工程和技术中心主任,医学院生理学教授,至今已发表十余篇 CNS。

        在发现自发性“钙火花”不久,程和平及其同事于 1995 年在《Science》上报道了其后续研究,钙火花也是心肌兴奋 - 收缩耦联过程中细胞内钙释放的最小单位。这篇报道提出:1)细胞表面膜上单个 L 型钙通道的开放,通过钙致钙释放机制,可触发肌质网的钙火花;2)一经触发后,钙火花是“全或无”现象,其时程、幅度及空间大小均不受 L 型钙流控制;传统的细胞钙瞬变(calcium transient)是由于钙火花在时间及空间随机触发并叠加的结果。特别是,细胞水平呈现的梯级式(graded)钙释放是由于不同数目的“全或无”式的钙火花累加所造成的。在一次强有力的心脏搏动中,单细胞可触发约一万个钙火花,整个心脏中钙火花数约是 5×1010 量级。所以研究小组确认了钙火花是心肌兴奋 - 收缩耦联的最小单位。

        程和平的一个重要理论成果是率先提出关于钙释放通道“钙适应(adaptation)”行为的理论模型。在人工脂质双层膜上,随着一个阶跃型增加的钙浓度,通道开放率亦突然上升,但随时间又逐渐下降。可是这种下降又不同于一般离子通道的失活,因为给以新的更大的阶跃式增加钙浓度,通道又重新活跃起来。这一现象自 1993 年首次报道后,一直不能得到很好的解释。1995 年,程和平的模型作为短文刊于《Science》,能够定性及半定量的解释这种行为,并引导了多个模型相继提出。

        程和平也在骨骼肌、平滑肌钙生理领域做出了重要贡献。在大脑血管平滑肌中,钙火花则出人意料地有松弛血管张力,而非如预期的收缩血管的作用。究其原因,是因为钙火花大多产生于紧靠表面的胞浆中,局部高钙激活钙敏感性钾离子通道(KCa)电流,引致细胞膜超极化,让 L 型钙内流失活,从而净效应是降低细胞整体的钙浓度和钙依赖性的收缩力。这一结果首次明确地表明,同样是钙离子,依其空间分布的不同,可以产生截然相反的生理效应,这一工作于 1995 年发表于《Science》。在骨骼肌单纤维中,另一亚型的钙释放通道的开放也产生火花,这些钙火花受电压依赖性及钙依赖性双重机制调控。前者已为众所周知,后者虽于 70 年代就已提出,但一直未能确证。钙火花研究为其存在提供了确凿的依据。这一工作于 1996 年发表于《Nature》杂志。

        1997 年,Jon Lederer 实验室于《Science》上报道了另一有关心衰心肌细胞收缩力下降的重大发现。用”钙火花”作用于“探针”,程和平等人发现在心衰心肌细胞中等量的 L 型钙电流只能引发正常数目 1 /2-1/ 3 的钙火花,而钙火花本身及其它兴奋收缩耦联的参量均未改变。因之,钙瞬变及细胞收缩幅度均大为下降。研究者们提出假说,造成这种 L 型钙流与钙火花脱耦联(uncoupling)的原因可能在于表面膜上 L 型通道与肌质网上钙释放通道的相对位置有所变化,而使钙释放通道偏离于 L 型通道周围的高钙浓度区而不能被有效地触发。如经证实,这将是一个革命性的观念,因为它将提示,仅仅是微观尺度上的分子之间的错位,而非蛋白质分子本身的异常,也足以造成危及人类的一个主要疾病。该文发表时,曾被《纽约时报》、《巴尔的摩太阳报》等知名媒体广为报道。

        2001 年,程和平研究团队在《Nature》发表论文公布其最新发现,论文结果表明:当单通道离子流被加强后,在阈刺激条件下能够探测到由少数钙离子通道活动产生的局部钙荧光信号,并且这种信号比细胞内钙离子释放产生的钙火花小一个量级,研究团队将其命名为“钙火星”,接着对其定量鉴定,证明钙火星在时间与幅度上和单个钙离子通道电流成正比。然后记录高幅度的钙火花和低幅度钙火星两种局部钙信号,结果发现,钙火花总在钙火星的基础上发生。程和平为该论文通讯作者。

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