眼見為實 用生物光子學手段可視化早期胚胎發育過程中的細胞周期調控

劉巖松+王碩

細胞是生物體結構和功能的基本單位，它通過細胞周期——即一個細胞經過自我復制和分裂產生兩個子代細胞的過程——來實現自我增殖。有序的細胞周期是包括我們人類在內的多細胞生物個體發育的基礎，而失控的細胞周期則是眾多疾病包括癌癥的罪魁禍首。 作為基礎生物學以及生物醫學領域一直以來的研究重點，對正常生理狀態以及疾病狀態下的細胞周期運行機理的深入解析，具有舉足輕重的科學和社會意義。中南大學湘雅醫院的袁凱教授一直致力于研究癌癥細胞以及胚胎發育過程中細胞周期的調控規律和分子機制。

插上科學的翅膀

2000年，袁凱從湖南省長沙市望城一中考入新中國科技的搖籃——中國科學技術大學，在生命科學學院開始了自己的科研人生。中國科大勤勉務實、寧靜致遠的校風從此烙進了他的血液。本科階段扎實的理論學習的同時，在青島海邊以及數次進入大別山天堂寨的動植物學實地考察，在他年輕的心里播下了好奇的種子。2004年，袁凱被保送進入中國科學技術大學分子與細胞生物學系攻讀博士學位，加入了他的科研啟蒙恩師姚雪彪教授主持的細胞動力學實驗室，開始利用體外擴增培養的癌癥細胞系，研究細胞周期有絲分裂過程中，儲存遺傳信息的姐妹染色體在子代細胞間精確分配的分子機制。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控細胞有絲分裂進程的多種作用機理和分子機制，同時，開始接觸并熟練掌握利用生物光子學探針技術來對細胞周期的基本過程進行實時成像，逐漸領悟了細胞生物學家們口中的“Seeing is Believing”的魅力所在。這些博士階段的研究成果，最終整理成為了國際主流期刊上發表的8篇學術論文，其中第一及通訊作者論文5篇。袁凱也獲得了中國科學院朱李月華獎學金、中國科學院院長優秀獎、香港求是獎學金、美國細胞生物學年會Travel Award等多項科研學術獎勵。中國科學技術大學濃厚的科研氛圍和恩師姚雪彪教授的言傳身教，為他插上了科學的翅膀，去更廣闊的國際舞臺搏擊長空。

堅定心中的理想

懷抱著進一步認識細胞周期的目的，特別是對胚胎發育過程中受精卵細胞如何通過細胞周期來自我增殖，最終形成自然界中形態各異的生物體的濃厚興趣，袁凱在博士畢業后，于2010年遠赴重洋加入了美國加州大學舊金山分校美國科學促進會會士雙向電泳發明人Patrick H.OFarrell教授的實驗室，開始利用模式生物果蠅來研究受精卵細胞快速增殖過程中的細胞周期運行規律和調控機制。在隨后的6年里，袁凱在轉盤式共聚焦顯微鏡下一遍遍的目睹著果蠅受精卵如何在2個小時之內從1個細胞增殖產生6000個細胞，并通過實驗揭示了細胞周期蛋白Cyclin在驅動快速細胞周期以及保真有絲分裂姐妹染色體準確分離等方面的重要作用，更新了人們對有絲分裂進入以及有絲分裂后期起始的認知。當增殖產生足夠數量的細胞之后，果蠅胚胎開始減慢細胞周期。袁凱博士解析了細胞周期延長的生物學機制，在導師Patrick H. OFarrell的指導下，提出了DNA復制放緩和遲復制現象的出現，是細胞周期延長的關鍵原因。這些重要研究成果，被整理成為了發表于國際權威期刊上的6篇高水平學術論文，其中第一及通訊作者論文5篇。在此過程中，這些在正常胚胎發育過程中讓人匪夷所思的復雜細胞周期調控現象，也澆灌著袁凱心中那顆好奇的種子，催其生根發芽，漸漸枝繁葉茂，為他繼續從事科研工作提供了強大的動力 。

長期以來，對細胞核內基因組中的特定DNA序列的成像只能通過繁瑣的熒光原位雜交離體染色實驗，如何對特定DNA序列進行活細胞實時成像觀察，一直是細胞生物學領域一個技術難題。在研究果蠅胚胎的過程中，袁凱利用植物致病菌Xanthomonas中的TAL效應子，獨立開發出了TALE-light技術，不但簡化了對特定DNA序列的離體染色，而且實現了對靶標DNA序列的活細胞實時成像。TALE-light的應用前景，引起了美國加州大學舊金山分校HIV專家Mike McCune教授的注意，目前基于TALE-light的HIV新檢測方法也正在研發之中。袁凱的這些科研成績，也獲得了美國Program for Breakthrough Biomedical Research （PBBR）博士后獎、美國加州大學舊金山分校臨床與轉化科學研究所Strategic Opportunities Support青年研究員獎等多個科研獎勵的認可。生命科學研究者喜歡強調Serendipity （機緣湊巧）這個詞，袁凱希望他在果蠅胚胎研究中“湊巧”開發的小技術，有朝一日能在臨床上找到應用的空間。

明確未來的方向

袁凱特意指出，對特定DNA序列實現活體實時成像這一重要技術突破，主要是由一批年輕的中國科研工作者實現的，而他只是其中的一份子。美國加州大學舊金山分校的黃波教授和他的弟子陳寶惠博士、美國波士頓馬薩諸塞醫學院Ma Hanhui博士、美國霍華德休斯醫學研究所Deng Wulan博士、以及中國科學院生物物理所的劉光慧教授等在該領域都做出了十分出色的成績。袁凱希望能與這些同行一起繼續努力，鞏固中國力量在這個領域的優勢。

2017年，袁凱入選第十三批國家“千人計劃”青年項目。懷揣著對家鄉的思念和熱愛，他加入了中南大學湘雅醫院，預備在全新的環境中，利用包括TALE-light在內的生物光子學熒光探針技術，在湘雅醫院建立一個以活細胞顯微成像為特點的早期胚胎發育研究平臺。通過與臨床醫生的緊密合作，他希望自己的研究能推動基礎科研與臨床需求的完美結合，為家鄉的健康事業貢獻綿薄力量。