国家自然科学基金申请标书(样本).doc

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技术作为分子水平的定量检测手段，建立一个具有国际水平、自主创新的药物筛选细胞模型，进行抗朊病毒药物筛选的研究。本研究可解决目前抗朊病毒药物筛选效率低及安全性差的关键技术问题，不仅能为今后的抗朊病毒药物筛选产业化研究提供关键参数，并且为解决我国重大传染病防治的可持续性研究提供相关科学依据。关 键 词(用分号分开，最多 5 个)朊病毒；酵母细胞；荧光蛋白；分子伴侣；抗朊病毒药物国家自然科学基金申请书项目组主要成员（注:项目组主要成员不包括项目申请者，国家杰出青年科学基金类项目不填写此栏。）说明:高级、中级、初级、博士后、博士生、硕士生人员数由申请者负责填报（含申请者），总人数自动生成。第 3 页版本 1.000.000编号姓 名出生年月性别职 称学 位单位名称电话电子邮件项目分工每年工作时间（月）1徐威1963-7-11女副教授博士沈阳药科大药物筛选及纯化策略42惠秀娟1961-9-27女副教授硕士辽宁大重组基因载体的构建43张慧丽1970-10-27女讲师硕士辽宁大药物筛选及检测44回晶1977-10-20女讲师硕士辽宁大模型的生化指标检测45刘剑利1980-2-10男助教硕士辽宁大药物成分纯化46李辉1981-1-15男助理实验师学士辽宁大酵母的发酵培养技术57孙世林1982-2-25女硕士生学士辽宁大模型的生化指标检测98游园园1983-3-21女硕士生学士辽宁大酵母活细胞的荧光测定99赵葳葳1982-6-13女硕士生学士辽宁大重组基因载体的构建9总人数高级中级初级博士后博士生硕士生10322003国家自然科学基金申请书经费申请表（金额单位：万元）第 4 页版本 1.000.000科目申请经费备注（计算依据与说明）一.研究经费23.80001.科研业务费11.3000（1）测试/计算/分析费5.7000激光共聚焦显微镜分析，dna 测序（2）能源/动力费1.2000培养和测试过程中的能源动力消耗（3）会议费/差旅费1.5000国内实验室合作交流，参加 2-3 次国内外学术会议（4）出版物/文献/信息传播费2.9000在国内外刊物上发表 8-9 篇论文以及资料费等（5）其它0.00002.实验材料费11.0000（1）原材料/试剂/药品购置费11.0000普通常规生化试剂，分子生物学药品，酶和试剂盒（2）其它3.仪器设备费1.5000（1）购置1.2000增购大型水平电泳装置及蛋白质转印装置各一台（2）试制0.3000制备人性化微生物接种装置一套4.实验室改装费0.00005.协作费0.0000二.国际合作与交流费2.50001.项目组成员出国合作交流1.5000前往美国国家卫生研究院（nih）masison dc 实验室合作交流2.境外专家来华合作交流1.0000邀请爱尔兰国立大学生物系 jones g 博士来华合作交流三.劳务费1.2500研究生人员及其它工作人员的劳务补贴四.管理费1.4500按相关规定 5%计算合 计29.0000与本项目相关的其他经费来源国家其他计划资助经费其他经费资助（含部门匹配）其他经费来源合计0.0000国家自然科学基金申请书查看报告正文撰写提纲报告正文（一）立项依据与研究内容1.项目的立项依据1.1.研究意义和社会应用前景朊病毒（prion，又称为朊蛋白）是一类能在动物和人中引起可传染性脑病（包括疯牛病、羊搔痒症、库鲁病、克雅氏病等）的病原体1, 2。它们是一类高度保守的糖蛋白（大约 250 个氨基酸，分子量在 2730 kda），其广泛存在于哺乳动物中，是通过人或动物单拷贝染色体基因的单一外显子编码，并通过 c 末端糖基磷酸酰肌醇锚定在细胞膜上的富含胆固醇、鞘脂和糖脂的去污剂抗性微区，从而使朊病毒可以从一个细胞移位到另一个细胞，在细胞间形成传播3。朊病毒不含有核酸成分，对热、酸碱、紫外线、离子辐射、乙醇、超声波等均能使普通病毒或细菌灭活的理化因子具有很强的抗性，因此具有极强的传染性4, 5, 6。朊病毒的高度传染性和致死性对整个社会造成了极大的危害。例如疯牛病，20 世纪80 年代中期至 90 年代中期是其暴发流行期，截至 2004 年，仅英国已经确诊的病牛就有177962 头，涉及 35181 个农场，共屠宰和焚烧病牛 1100 多万头，经济损失达数百亿英镑7。二十多年来，疯牛病就已扩散到了欧洲、美洲和亚洲的 31 个国家，受到疯牛病牵连的国家有一百多个，造成了巨大的经济损失和社会恐慌。另一类由朊病毒引起的常见的人类早老性痴呆症，即克雅氏病，也呈全球性分布状态，感染朊病毒后其潜伏期可从15 个月长达至 30 年以上，患者在出现临床症状后一般在一两年内死亡，剖检所见病灶组织与疯牛病类似8, 9。虽然动物朊病毒存在种属屏障，但其限制并不严格，将疯牛病病牛脑组织匀浆接种给绒猴或猿等灵长类动物，可使之发生神经症状，大脑病变呈海绵状10。近年来克雅氏病在欧洲发病率比过去几十年增长了 10 倍以上，这种增长目前被高度怀疑为是由接触或食用朊病毒感染的牛内脏所引起的（由疯牛病所引起的克雅氏病在医学上被称为新型克雅氏病）10, 11。另据科学推测，疯牛病的发源国英国已约有 50万人潜在感染新型克雅氏病，这些人可能都处于长短不同的潜伏期中，如果处理不当，到 2020 年以后新型克雅氏病将成为比艾滋病还要可怕的世界性的特殊传染病12。迄今为止，虽然在中国尚未出现较大范围朊病毒引发的疾病的报道，但是随着在各个领域中的国际交流与合作的与日俱增，中国存在着极大的感染外来朊病毒的潜在威胁。届时一旦感染，必将极度冲荡中国的社会稳定和经济发展。例如 2003 年非典病毒的流行与蔓延在中国造成了巨大的损失，2005 年至今禽流感病毒又在中国的许多地区发生，对国民的安全和中国经济的发展造成了巨大威胁。朊病毒与上述两类病毒的相似之处在于都是起源于动物（特别是人类食用的动物），这些病毒首先在动物物种内传播，在人类对动物生长自然环境进行了长期累积的非合理性改造后，进而通过基因突变等方式打破种间屏障，形成能够感染人体的变种病毒，最终对人类的生命健康造成巨大的威胁。因此，不仅要在科学的基础上制定合理的法规和制度隔离朊病毒的传染源以及控制其传播途径，更需要我们通过寻求经济、简单、安全、高效的抗朊病毒药物筛选模型进一步建立具有国际水平的国有自主知识产权的高通量的抗朊病毒药物筛选平台，从而尽快研发出预防和治疗朊病毒引发疾病的药物，这将具有重大的科学意义和实用价值。项目主持人这次申请的利用基因重组技术建立细胞水平高灵敏度抗朊病毒药物筛选模型的研究项目是一项国际前沿的生命科学领域的研究，它对于在此方向上与国际最前端科学研究同步起到至关重要的作用，其成果在国际上的专利申报将会填补国内研究在这一领域的空白，提高我国在朊病毒研究领域的国际地位。这种利用基因重组技术建第 5 页版本 1.000.000国家自然科学基金申请书立的高灵敏度抗朊病毒药物筛选细胞模型的建立，将直接铺平在细胞水平抗朊病毒药物筛选平台的产业化之路。本研究成果将会提供一个强大的工具，在更大的范围内，用更经济简单的方法寻找和设计出药效强、毒副作用小，特别是在中药领域的用于预防和治疗朊病毒的有效药物。目前临床统计结果暗示着某些中药中的芳香性生物碱成分可能具有抗朊病毒的效果，但是因为没有分子机理和细胞学上的论证，所以很难在国际市场上实现商业化。因此这个建立在我国的抗朊病毒药物筛选模型的研发会极大促进中药产业的发展，并届时将中药进一步推向世界市场，提高中药在国际上的知名度，同时带来巨大的经济效益。另外在国内通过利用本研究成果可以开发出效果明确、成本低廉的以中草药成分为主体的保健性食品和饲料，在早期切断人-人、人-动物以及动物-动物间的传播途径，从而在预防的角度上消除朊病毒对于人类的生命健康和社会经济的发展造成巨大的威胁。因此，这项研究的最终结果对于消除人们对于朊病毒所带来的潜在的恐惧将具有极大的现实效果，从而保障我国人民的健康生活，保证我国经济的健康发展，这也是我们这项研究所创造的另一方面的社会效益。1.2.国内外研究概况和发展趋势有关朊病毒的研究已经于 1976 年（美国国家卫生研究院的 gajdusek c.博士）和 1997年（美国加州大学的 prusiner s.博士）两次获得诺贝尔生理学和医学奖13, 14。然而，朊病毒的分子致病机制至今还没有彻底澄清，现有的有关其遗传和传染的模型也存在着许多分歧，因此 1997 年诺贝尔奖委员会授予 prusiner s.博士诺贝尔奖时预测在朊病毒研究领域中，必将诞生一批新的诺贝尔奖得主12。目前，关于朊病毒的分子致病机理和治疗药物筛选、开发的研究是国际上生物学、医学领域研究的前沿和热点。特别是在美国和欧洲，各级政府和财团投入大量的人力及物力进行这些方面的基础研究和产业化研发。在有关药物治疗的研究领域通过建立一系列的抗朊病毒药物筛选模型，迄今为止美国nih 的 caughey b.实验室、法国的 dormont d.实验室和意大利的 forloni g.实验室已经发现一些化学药物（如盐酸四环素、强力霉素等）在延长朊病毒感染潜伏期和延迟朊病毒蛋白沉积方面有一定作用15, 16, 17；另外最近美国加州大学的 scott mr.实验室还发现分支多胺能在活细胞中清除朊病毒18；德国的 kretzschmar h.实验室发现磷酸胞苷酰鸟苷寡聚脱氧核苷酸在机体感染朊病毒后能刺激机体先天免疫系统，延长存活时间19。另外美国加州大学旧金山分校的 korth c.博士与 prusiner s.博士在利用动物细胞药物筛选模型测试了广大范围的、能通过血脑屏障的化合物后，发现能治疗精神疾患的氯丙嗪与抗疟药阿的平具有在一定程度上治疗朊病毒的效能 20。但是据美国国家卫生研究院（nih）的基金委员会和美国食品及药物管理局（fda）推测，按照现在的理论和技术水平，真正在治疗药物上攻克朊病毒至少需要 10-20 年左右的时间。由于朊病毒在中国尚未被发现，另外此项研究所要求研究者自身的理论积累多、前期技术工作量大、多学科的综合能力强等原因，我国在分子水平上的朊病毒研究虽然已在中科院生物物理所、中科院病毒所和中国预防医学科学院病毒学研究所等几家国家重点实验室进行（如国家高分子重点实验室正在利用酵母朊病毒研究其病理性聚集机制），但是在细胞水平上的筛选抗朊病毒药物模型的研发还基本处于空白阶段。随着我国政府对病毒类传染病研究的逐渐重视和对朊病毒研究资金投入的不断增多，以及在该领域中，日益加强的国际人才交流和项目合作，使中国在有关朊病毒的分子致病机理和防治药物的研究方面也会不断地有新的突破，在其内容和水平上与国际前沿趋于同步。项目主持人及课题组是国内最早从事细胞水平上的抗朊病毒药物筛选模型这一领域研究的，目前在国内也是唯一的一家利用酵母细胞进行此类研究的实验室。申请者在第 6 页版本 1.000.000国家自然科学基金申请书2005 年 9 月份回国后，已经得到辽宁省教育厅高等学校科学技术基金资助（no.05l156），主持利用野生型酵母细胞尝试建立筛选有效中药成份的抗朊病毒药物初级筛选平台的研发项目，目前在辽宁大学所在的实验室已经建立了初级的野生型的酵母细胞的抗朊病毒药物筛选模型，并在理论研究和实验技术上取得了一定的进展。1.3.学术特色和立论依据在学术上，有关朊病毒的防治药物的研究是一个集合了分子生物学、细胞生物学、分子遗传学、蛋白质化学和临床药理学等多学科的新领域，它需要研究者具有广博深厚的理论基础和实验室间的团队合作能力。图 1. 分子水平类淀粉状纤维的形成机制（参照 booth, dr. & talaga d.相关文献制成）迄今在国际上关于朊病毒的研究结果显示，正常构象的朊病毒不具有致病性，而朊病毒一旦在某种条件下错误折叠后形成致病性构象，其中含有大量的非常稳定的片状折叠状构造21, 22。这种片状折叠状构造能诱导正常朊病毒的构象发生致病性转化，进一步在具有致病性构象的朊病毒分子间通过片状折叠交联（cross- sheet）聚集，形成类淀粉状纤维（amyloid fiber）的有毒片断，最终以块状高聚体形式（plaque）出现（图1），最终诱导机体内的免疫系统杀死脑神经细胞而导致一系列致死性疾病21, 22。最近在分子和细胞生物学水平的一系列国际上的研究结果进一步显示，虽然最终形成的块状形式导致神经细胞的死亡，但是在形成类淀粉状纤维的过程中的寡聚中间体更像是朊病毒病发生和传播的重要组分23, 24，而细胞内的分子伴侣（molecular chaperone）直接参与和调控这些寡聚中间体的形成25, 26, 27, 28, 29。因此，与单纯地在细胞外筛选分解、排除已形成的类淀粉状纤维或块状高聚体的化合物（近年来这种筛选模型在国际上已经退居为辅助方法）相比，探讨如何在细胞内通过药物作用改变分子伴侣活性从而抑制寡聚中间体的形成，在抗朊病毒药物的研究中具有更重要的现实意义。在美国和欧洲有关抗朊病毒药物的研发领域中，目前动物细胞模型主要用于抗朊病毒药物的筛选。例如，bach s.等研究者使用鼠神经肿瘤细胞长期感染朊病毒建立了一个哺乳动物体外试验模型用来筛选抗朊病毒聚集沉淀的抑制剂，并且筛选到几个有效的活性分子30。但是由于这个筛选系统的技术上的复杂性，只能局限在少数化合物中进行；更重要的是，由于这个筛选系统的实验成本过于昂贵，又具有哺乳类动物内朊病毒交叉传染的危险性，需要 p3 级以上的无菌实验室和大量的高级技术人员的工作才能保证药第 7 页版本 1.000.000国家自然科学基金申请书物筛选的进行，使得大规模的在已知化合物的范畴内筛选抗朊病毒药物缺乏实用的可能性。鉴于动物细胞模型的种种限制因素，研究者们正致力于寻求新的抗朊病毒药物筛选的细胞模型的研究。申请者在美国科学院院士 wickner r.博士（世界上第一个阐明酵母朊病毒跟动物朊病毒具有相似的形成机制）和高级研究员 masison d.博士领导的美国国家卫生研究院朊病毒研究国家实验室进行了 3 年的博士后研究工作。在此期间，我们发现出芽酵母（s. cerevisiae）自身携带着 4 种对动物安全无害的朊病毒 psi+、ure3、pin+和 nu+，这些朊病毒能够在体内和体外形成类淀粉状纤维，这些纤维跟与动物朊病毒形成的纤维在结构上具有很大的相似性，随后的深入研究发现酵母细胞内具有跟动物细胞内相似的类淀粉状纤维形成的生物化学环境和分子伴侣体系25, 26, 31, 32。2001 - 2002 年，美国芝加哥大学 lindquist s.博士领导的研究小组进一步验证了酵母模型研究动物朊病毒的可靠性和实用性33, 34, 35。基于以上发现，2003 年底法国生物学家 blondel m.博士的实验室在世界上首次报道了在野生型酵母细胞中使用 psi+，ure3 作为表现型筛选到一些抗酵母朊病毒聚集的化合物，并且证明这些化合物对于哺乳类细胞里的朊病毒同样具有抗聚集作用*1 36。这些研究强烈地暗示着建立在酵母细胞上的抗朊病毒药物筛选模型完全可以取代动物细胞模型，而且在操作的安全性上有强大的保障。因此，如果以项目主持人在酵母朊病毒领域的前期研究成果为基础，利用基因重组技术对于野生型酵母细胞进行改造（通过对于朊病毒基因的荧光标记引入作为国际标准药物筛选方法的实时荧光检测技术；通过调控朊病毒形成的分子伴侣的基因定点突变，增加酵母细胞体系对抗朊病毒药物的灵敏度），那么经过改造的酵母细胞可以做为在细胞水平的抗朊病毒药物筛选模型。该模型相对于传统的建立在哺乳动物细胞上药物筛选方式，在筛选药物效率上具有高效性；对操作者及周围环境具有极高的安全性*2；对于药物的广谱筛选具有灵敏性；对于药物筛选中的假阳性具有较高的辨别能力；而且更有利于大规模生产推广，具有经济性。目前项目主持人所在的辽宁大学蛋白质机能实验室同美国国家卫生研究院朊病毒研究国家实验室的高级研究员 masison dc.博士、爱尔兰国立大学酵母朊病毒研究实验室的助理教授 jones g.博士和中科院生物物理所国家高分子重点实验室的副研究员perrett s.博士建立了合作关系，已经为本项研究提供了理论和实验的援助，从而使得项目主持人在现有实验室的条件下，能够完成利用基因重组技术建立细胞水平高灵敏度抗朊病毒药物筛选模型的研究。注：*1. blondel m 博士在该论文中引用了项目主持人及其合作者在 nih 工作时（2003 年）发表在 mol.gen. genet.上的论文（详见“工作基础”）；*2. 酵母朊病毒只局限在特定条件下的酵母内部传播而不会传染给动物和人类 ，并且对于酵母的进化和生长是有益无害的，因此在实验废弃材料处理和实验操作上都是极安全的，可在一般级别的微生物实验室里进行。参考文献1. prusiner sb. 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(2003) isolation of drugs active against mammalian prions using ayeast-based screening assay. nat biotechnol. 21, 1075-81.2.项目的研究内容、研究目标，以及拟解决的关键问题2.1.研究目标本课题针对建立产业化抗朊病毒药物筛选平台的难点和瓶颈，根据目前国际上最前沿的利用酵母细胞作为筛选抗朊病毒药物模型的理论以及项目主持人的前期科研成果，利用基因重组技术改造酵母细胞，建立一个具有独立知识产权的高灵敏度抗朊病毒药物筛选细胞模型，并通过该模型进行抗朊病毒药物的筛选验证，最终达到完成建立产业化抗朊病毒药物筛选平台理论核心工作的目标。2.2.拟解决的关键问题本项目的立意与基本思路主要是针对野生型酵母细胞材料、以及目前建立在细胞水平的抗朊病毒药物筛选分析方法进行创新性改进。因此本项目拟解决的关键问题即为野生型酵母细胞作为高灵敏度抗朊病毒药物筛选模型的缺陷和现有筛选分析方法的不足 ，主要包括以下三点：第 10 页版本 1.000.000国家自然科学基金申请书2.2.1.野生型酵母细胞的一个巨大的缺陷是无法在酵母活体细胞内实时（real time）定量观察药物对于朊病毒的治疗作用，而这个结果是临床上药物测试前的一个重要的细胞学上的指标。2.2.2.野生型酵母细胞另一个重要的缺陷是对药物的灵敏度偏低。尽管 blondel m 的实验室通过在筛选体系中添加一定浓度的化学物质盐酸胍（guanidine，酵母朊病毒治疗药物，其机理是可竞争性抑制 hsp104 的活性）和一些其它的方法来提高细胞对于药物的敏感性，但是在操作上造成了系统的复杂性和检测上的不确切性。2.2.3. 在 对 于 初 筛 的 结 果 进 一 步 筛 选 的 过 程 中 ， 国 际 上 其 他 实 验 室 一 般 使 用sds-page/western blot 来在蛋白质水平通过检测细胞内朊病毒蛋白聚集体的可溶性的变化来评估抗朊病毒药物的作用效果，其缺点是不能够定量测定朊病毒蛋白聚集体的分子量大小的变化。而在 1.3.中我们讨论过，朊病毒蛋白聚集体的分子量大小是其致病性、传染性的根本原因，其聚集体的分子量大小的变化是抗朊病毒药物作用效果的重要指标。2.3.研究内容本课题首先利用在本实验室保存的野生型酵母细胞（j780 菌系，psi+，美国 nih 的masison d.博士提供）来测试和对比验证法国生物学家 blondel m.博士实验室的野生型酵母细胞（74d694 菌系，psi+）在抗朊病毒药物筛选工作中的准确性和灵敏度，并对于 blondel m.博士实验中证明的抗朊病毒药物 phenanthridine 和 quinacrine 在本实验体系中选用的感染朊病毒 psi+酵母菌系中的抗性做出定量化的评估。针对 2.2.1.使用野生型酵母细胞无法在活体细胞内实时观察药物对于朊病毒的治疗作用的巨大的缺陷，我们运用分子生物学上的基因操作技术，根据项目主持人在美国实验室的前期研究成果（融合 gfp 的朊病毒与野生型的朊病毒具有相似的致病性和结构特征）（song et al., eukaryot. cell., 2005），在酵母朊病毒 psi+的编码基因 sup35 上导入荧光标签 gfp 基因，利用荧光显微镜和共聚焦显微镜在酵母活体内定量观察药物对于朊病毒的治疗作用，克服野生型酵母细胞模型所不能够解决的缺陷，这是本课题组在思路与方法上解决目前抗朊病毒药物筛选中所遇到的技术难点的重大创新。在该基因重组菌株完成后，将对于其筛选药物性能对比原来的野生型菌株进行定量化的评估。针对 2.2.2.野生型酵母细胞对抗朊病毒药物的灵敏度偏低的缺陷，在项目主持人的前期研究中，我们发现分子伴侣 hsp70 和 hsp104 家族，对于朊病毒的生成、菌株间传播起到至关重要的调控作用,特别是分子伴侣 hsp70 的某些基因点突变型（l483w，a17v，r23h，g32d，g32s，r34k，c303