眼見(jiàn)為實(shí) 用生物光子學(xué)手段可視化早期胚胎發(fā)育過(guò)程中的細(xì)胞周期調(diào)控

劉巖松+王碩

細(xì)胞是生物體結(jié)構(gòu)和功能的基本單位，它通過(guò)細(xì)胞周期——即一個(gè)細(xì)胞經(jīng)過(guò)自我復(fù)制和分裂產(chǎn)生兩個(gè)子代細(xì)胞的過(guò)程——來(lái)實(shí)現(xiàn)自我增殖。有序的細(xì)胞周期是包括我們?nèi)祟愒趦?nèi)的多細(xì)胞生物個(gè)體發(fā)育的基礎(chǔ)，而失控的細(xì)胞周期則是眾多疾病包括癌癥的罪魁禍?zhǔn)住?作為基礎(chǔ)生物學(xué)以及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域一直以來(lái)的研究重點(diǎn)，對(duì)正常生理狀態(tài)以及疾病狀態(tài)下的細(xì)胞周期運(yùn)行機(jī)理的深入解析，具有舉足輕重的科學(xué)和社會(huì)意義。中南大學(xué)湘雅醫(yī)院的袁凱教授一直致力于研究癌癥細(xì)胞以及胚胎發(fā)育過(guò)程中細(xì)胞周期的調(diào)控規(guī)律和分子機(jī)制。

插上科學(xué)的翅膀

2000年，袁凱從湖南省長(zhǎng)沙市望城一中考入新中國(guó)科技的搖籃——中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，在生命科學(xué)學(xué)院開(kāi)始了自己的科研人生。中國(guó)科大勤勉務(wù)實(shí)、寧?kù)o致遠(yuǎn)的校風(fēng)從此烙進(jìn)了他的血液。本科階段扎實(shí)的理論學(xué)習(xí)的同時(shí)，在青島海邊以及數(shù)次進(jìn)入大別山天堂寨的動(dòng)植物學(xué)實(shí)地考察，在他年輕的心里播下了好奇的種子。2004年，袁凱被保送進(jìn)入中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)分子與細(xì)胞生物學(xué)系攻讀博士學(xué)位，加入了他的科研啟蒙恩師姚雪彪教授主持的細(xì)胞動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)始利用體外擴(kuò)增培養(yǎng)的癌癥細(xì)胞系，研究細(xì)胞周期有絲分裂過(guò)程中，儲(chǔ)存遺傳信息的姐妹染色體在子代細(xì)胞間精確分配的分子機(jī)制。在攻讀博士期間，他鑒定了參與有絲分裂染色體分離的新蛋白，揭示了重要蛋白激酶和磷酸酶調(diào)控細(xì)胞有絲分裂進(jìn)程的多種作用機(jī)理和分子機(jī)制，同時(shí)，開(kāi)始接觸并熟練掌握利用生物光子學(xué)探針技術(shù)來(lái)對(duì)細(xì)胞周期的基本過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)成像，逐漸領(lǐng)悟了細(xì)胞生物學(xué)家們口中的“Seeing is Believing”的魅力所在。這些博士階段的研究成果，最終整理成為了國(guó)際主流期刊上發(fā)表的8篇學(xué)術(shù)論文，其中第一及通訊作者論文5篇。袁凱也獲得了中國(guó)科學(xué)院朱李月華獎(jiǎng)學(xué)金、中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)優(yōu)秀獎(jiǎng)、香港求是獎(jiǎng)學(xué)金、美國(guó)細(xì)胞生物學(xué)年會(huì)Travel Award等多項(xiàng)科研學(xué)術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)濃厚的科研氛圍和恩師姚雪彪教授的言傳身教，為他插上了科學(xué)的翅膀，去更廣闊的國(guó)際舞臺(tái)搏擊長(zhǎng)空。

堅(jiān)定心中的理想

懷抱著進(jìn)一步認(rèn)識(shí)細(xì)胞周期的目的，特別是對(duì)胚胎發(fā)育過(guò)程中受精卵細(xì)胞如何通過(guò)細(xì)胞周期來(lái)自我增殖，最終形成自然界中形態(tài)各異的生物體的濃厚興趣，袁凱在博士畢業(yè)后，于2010年遠(yuǎn)赴重洋加入了美國(guó)加州大學(xué)舊金山分校美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)會(huì)士雙向電泳發(fā)明人Patrick H.OFarrell教授的實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)始利用模式生物果蠅來(lái)研究受精卵細(xì)胞快速增殖過(guò)程中的細(xì)胞周期運(yùn)行規(guī)律和調(diào)控機(jī)制。在隨后的6年里，袁凱在轉(zhuǎn)盤(pán)式共聚焦顯微鏡下一遍遍的目睹著果蠅受精卵如何在2個(gè)小時(shí)之內(nèi)從1個(gè)細(xì)胞增殖產(chǎn)生6000個(gè)細(xì)胞，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)揭示了細(xì)胞周期蛋白Cyclin在驅(qū)動(dòng)快速細(xì)胞周期以及保真有絲分裂姐妹染色體準(zhǔn)確分離等方面的重要作用，更新了人們對(duì)有絲分裂進(jìn)入以及有絲分裂后期起始的認(rèn)知。當(dāng)增殖產(chǎn)生足夠數(shù)量的細(xì)胞之后，果蠅胚胎開(kāi)始減慢細(xì)胞周期。袁凱博士解析了細(xì)胞周期延長(zhǎng)的生物學(xué)機(jī)制，在導(dǎo)師Patrick H. OFarrell的指導(dǎo)下，提出了DNA復(fù)制放緩和遲復(fù)制現(xiàn)象的出現(xiàn)，是細(xì)胞周期延長(zhǎng)的關(guān)鍵原因。這些重要研究成果，被整理成為了發(fā)表于國(guó)際權(quán)威期刊上的6篇高水平學(xué)術(shù)論文，其中第一及通訊作者論文5篇。在此過(guò)程中，這些在正常胚胎發(fā)育過(guò)程中讓人匪夷所思的復(fù)雜細(xì)胞周期調(diào)控現(xiàn)象，也澆灌著袁凱心中那顆好奇的種子，催其生根發(fā)芽，漸漸枝繁葉茂，為他繼續(xù)從事科研工作提供了強(qiáng)大的動(dòng)力 。

長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)細(xì)胞核內(nèi)基因組中的特定DNA序列的成像只能通過(guò)繁瑣的熒光原位雜交離體染色實(shí)驗(yàn)，如何對(duì)特定DNA序列進(jìn)行活細(xì)胞實(shí)時(shí)成像觀察，一直是細(xì)胞生物學(xué)領(lǐng)域一個(gè)技術(shù)難題。在研究果蠅胚胎的過(guò)程中，袁凱利用植物致病菌Xanthomonas中的TAL效應(yīng)子，獨(dú)立開(kāi)發(fā)出了TALE-light技術(shù)，不但簡(jiǎn)化了對(duì)特定DNA序列的離體染色，而且實(shí)現(xiàn)了對(duì)靶標(biāo)DNA序列的活細(xì)胞實(shí)時(shí)成像。TALE-light的應(yīng)用前景，引起了美國(guó)加州大學(xué)舊金山分校HIV專家Mike McCune教授的注意，目前基于TALE-light的HIV新檢測(cè)方法也正在研發(fā)之中。袁凱的這些科研成績(jī)，也獲得了美國(guó)Program for Breakthrough Biomedical Research （PBBR）博士后獎(jiǎng)、美國(guó)加州大學(xué)舊金山分校臨床與轉(zhuǎn)化科學(xué)研究所Strategic Opportunities Support青年研究員獎(jiǎng)等多個(gè)科研獎(jiǎng)勵(lì)的認(rèn)可。生命科學(xué)研究者喜歡強(qiáng)調(diào)Serendipity （機(jī)緣湊巧）這個(gè)詞，袁凱希望他在果蠅胚胎研究中“湊巧”開(kāi)發(fā)的小技術(shù)，有朝一日能在臨床上找到應(yīng)用的空間。

明確未來(lái)的方向

袁凱特意指出，對(duì)特定DNA序列實(shí)現(xiàn)活體實(shí)時(shí)成像這一重要技術(shù)突破，主要是由一批年輕的中國(guó)科研工作者實(shí)現(xiàn)的，而他只是其中的一份子。美國(guó)加州大學(xué)舊金山分校的黃波教授和他的弟子陳寶惠博士、美國(guó)波士頓馬薩諸塞醫(yī)學(xué)院Ma Hanhui博士、美國(guó)霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所Deng Wulan博士、以及中國(guó)科學(xué)院生物物理所的劉光慧教授等在該領(lǐng)域都做出了十分出色的成績(jī)。袁凱希望能與這些同行一起繼續(xù)努力，鞏固中國(guó)力量在這個(gè)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。

2017年，袁凱入選第十三批國(guó)家“千人計(jì)劃”青年項(xiàng)目。懷揣著對(duì)家鄉(xiāng)的思念和熱愛(ài)，他加入了中南大學(xué)湘雅醫(yī)院，預(yù)備在全新的環(huán)境中，利用包括TALE-light在內(nèi)的生物光子學(xué)熒光探針技術(shù)，在湘雅醫(yī)院建立一個(gè)以活細(xì)胞顯微成像為特點(diǎn)的早期胚胎發(fā)育研究平臺(tái)。通過(guò)與臨床醫(yī)生的緊密合作，他希望自己的研究能推動(dòng)基礎(chǔ)科研與臨床需求的完美結(jié)合，為家鄉(xiāng)的健康事業(yè)貢獻(xiàn)綿薄力量。