眼见为实 用生物光子学手段可视化早期胚胎发育过程中的细胞周期调控

刘岩松+王硕

细胞是生物体结构和功能的基本单位，它通过细胞周期——即一个细胞经过自我复制和分裂产生两个子代细胞的过程——来实现自我增殖。有序的细胞周期是包括我们人类在内的多细胞生物个体发育的基础，而失控的细胞周期则是众多疾病包括癌症的罪魁祸首。 作为基础生物学以及生物医学领域一直以来的研究重点，对正常生理状态以及疾病状态下的细胞周期运行机理的深入解析，具有举足轻重的科学和社会意义。中南大学湘雅医院的袁凯教授一直致力于研究癌症细胞以及胚胎发育过程中细胞周期的调控规律和分子机制。

插上科学的翅膀

2000年，袁凯从湖南省长沙市望城一中考入新中国科技的摇篮——中国科学技术大学，在生命科学学院开始了自己的科研人生。中国科大勤勉务实、宁静致远的校风从此烙进了他的血液。本科阶段扎实的理论学习的同时，在青岛海边以及数次进入大别山天堂寨的动植物学实地考察，在他年轻的心里播下了好奇的种子。2004年，袁凯被保送进入中国科学技术大学分子与细胞生物学系攻读博士学位，加入了他的科研启蒙恩师姚雪彪教授主持的细胞动力学实验室，开始利用体外扩增培养的癌症细胞系，研究细胞周期有丝分裂过程中，储存遗传信息的姐妹染色体在子代细胞间精确分配的分子机制。在攻读博士期间，他鉴定了参与有丝分裂染色体分离的新蛋白，揭示了重要蛋白激酶和磷酸酶调控细胞有丝分裂进程的多种作用机理和分子机制，同时，开始接触并熟练掌握利用生物光子学探针技术来对细胞周期的基本过程进行实时成像，逐渐领悟了細胞生物学家们口中的“Seeing is Believing”的魅力所在。这些博士阶段的研究成果，最终整理成为了国际主流期刊上发表的8篇学术论文，其中第一及通讯作者论文5篇。袁凯也获得了中国科学院朱李月华奖学金、中国科学院院长优秀奖、香港求是奖学金、美国细胞生物学年会Travel Award等多项科研学术奖励。中国科学技术大学浓厚的科研氛围和恩师姚雪彪教授的言传身教，为他插上了科学的翅膀，去更广阔的国际舞台搏击长空。

坚定心中的理想

怀抱着进一步认识细胞周期的目的，特别是对胚胎发育过程中受精卵细胞如何通过细胞周期来自我增殖，最终形成自然界中形态各异的生物体的浓厚兴趣，袁凯在博士毕业后，于2010年远赴重洋加入了美国加州大学旧金山分校美国科学促进会会士双向电泳发明人Patrick H.OFarrell教授的实验室，开始利用模式生物果蝇来研究受精卵细胞快速增殖过程中的细胞周期运行规律和调控机制。在随后的6年里，袁凯在转盘式共聚焦显微镜下一遍遍的目睹着果蝇受精卵如何在2个小时之内从1个细胞增殖产生6000个细胞，并通过实验揭示了细胞周期蛋白Cyclin在驱动快速细胞周期以及保真有丝分裂姐妹染色体准确分离等方面的重要作用，更新了人们对有丝分裂进入以及有丝分裂后期起始的认知。当增殖产生足够数量的细胞之后，果蝇胚胎开始减慢细胞周期。袁凯博士解析了细胞周期延长的生物学机制，在导师Patrick H. OFarrell的指导下，提出了DNA复制放缓和迟复制现象的出现，是细胞周期延长的关键原因。这些重要研究成果，被整理成为了发表于国际权威期刊上的6篇高水平学术论文，其中第一及通讯作者论文5篇。在此过程中，这些在正常胚胎发育过程中让人匪夷所思的复杂细胞周期调控现象，也浇灌着袁凯心中那颗好奇的种子，催其生根发芽，渐渐枝繁叶茂，为他继续从事科研工作提供了强大的动力 。

长期以来，对细胞核内基因组中的特定DNA序列的成像只能通过繁琐的荧光原位杂交离体染色实验，如何对特定DNA序列进行活细胞实时成像观察，一直是细胞生物学领域一个技术难题。在研究果蝇胚胎的过程中，袁凯利用植物致病菌Xanthomonas中的TAL效应子，独立开发出了TALE-light技术，不但简化了对特定DNA序列的离体染色，而且实现了对靶标DNA序列的活细胞实时成像。TALE-light的应用前景，引起了美国加州大学旧金山分校HIV专家Mike McCune教授的注意，目前基于TALE-light的HIV新检测方法也正在研发之中。袁凯的这些科研成绩，也获得了美国Program for Breakthrough Biomedical Research （PBBR）博士后奖、美国加州大学旧金山分校临床与转化科学研究所Strategic Opportunities Support青年研究员奖等多个科研奖励的认可。生命科学研究者喜欢强调Serendipity （机缘凑巧）这个词，袁凯希望他在果蝇胚胎研究中“凑巧”开发的小技术，有朝一日能在临床上找到应用的空间。

明确未来的方向

袁凯特意指出，对特定DNA序列实现活体实时成像这一重要技术突破，主要是由一批年轻的中国科研工作者实现的，而他只是其中的一份子。美国加州大学旧金山分校的黄波教授和他的弟子陈宝惠博士、美国波士顿马萨诸塞医学院Ma Hanhui博士、美国霍华德休斯医学研究所Deng Wulan博士、以及中国科学院生物物理所的刘光慧教授等在该领域都做出了十分出色的成绩。袁凯希望能与这些同行一起继续努力，巩固中国力量在这个领域的优势。

2017年，袁凯入选第十三批国家“千人计划”青年项目。怀揣着对家乡的思念和热爱，他加入了中南大学湘雅医院，预备在全新的环境中，利用包括TALE-light在内的生物光子学荧光探针技术，在湘雅医院建立一个以活细胞显微成像为特点的早期胚胎发育研究平台。通过与临床医生的紧密合作，他希望自己的研究能推动基础科研与临床需求的完美结合，为家乡的健康事业贡献绵薄力量。