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我有一位90后女生,在科研上很有一套自己的想法,她决意读研正是奔科研而来。她听说我在论文选题上曾照顾师兄、师姐的研究兴趣,也准备选择一个自己感兴趣的研究方向——衰老与长寿。当她把这个想法告诉我时,我先是“惊”得张大了嘴,后是“忧”得皱起了眉!
我对传染病、恶性肿瘤、类风湿性关节炎等重大疾病做过初步研究,目前正承担一项肿瘤干细胞的国家级课题。尽管这些疾病或多或少都与衰老有联系,但专门从事衰老与长寿的研究,我还未做好立即投入的准备,甚至对它有点敬而远之。我所阅读过的相关论文,仅限于猴子节食与长寿关系的争论。
作为导师,在自己不太熟悉的领域“下海”,将来如何引导学生进入“深水区”?假如中途“搁浅”了怎么办?这样的担忧着实困扰了我很久,真有些左右为难。然而,俗话说得好:不入虎穴,焉得虎子!没有涉险,哪有奇遇?好在我在科研上也是个喜欢追赶“时髦”的人,不怕标新立异,就怕因循守旧。
既然学生主动请缨要求上马长寿课题,那么我也只好硬着头皮答应,谁让我承诺让她自选课题呢?我这样被动应承,与其说是“赶鸭子上架”,不如说是“舍命陪君子”!我还不知道这种“倒逼”是一种“正能量”还是“负能量”的传递哩!我掐指一算,至今我带的研究生也有十几位了,硕士、博士都有,这还是第一个把我“逼上梁山”的学生。
万事开头难,师生齐攻关
既然有挑战,就要去迎战,还是老老实实地从查阅文献开始吧!不读不知道,一读吓一跳!我们发现,衰老与长寿的杂志多如牛毛,发表的论文也数不胜数。仅就英文文献而言,估计至少也有上万篇,即使我们24小时连轴转,以一目十行的阅读速度,要把手头收集到的部分文献通读一遍,恐怕十天半月远远不够。
我们采取了一种“聪明”的速成求知法,就是边泛读,边交流,边梳理。泛读就是把我们收集到的文献通读一遍,基本把握文章要旨,然后就一些共性问题进行交流和讨论,最后以写科普博客的形式进行全面梳理。这种做法跟备课的效果奇似,不仅有助于我完整把握学科前沿的脉络,而且能让学生尽快厘清知识体系的逻辑。同时,学生的英文泛读能力也得到很大提升。在实验过程中,我也经常跟学生交流学习心得,不断总结实验经验,而不仅仅是我动脑,她动手!
关于衰老与长寿的机理已经研究得很多了,尤其是限食或称热量限制在酵母、线虫、果蝇、小鼠等动物细胞抗衰老中的作用,可以说想找到新的突破点已经很难了,套用一句话粗理不粗的歇后语说就是“狗咬刺猬,无从下口”!
根据现有资料,限食已被证明是通过一氧化氮信号转导促进线粒体发生并延长寿命。问题来了,线粒体发生的信号是如何感知并转导的呢?对此,文献中从未提及,我们也一无所知。我们只得边做边悟,希望从实验数据中追寻这个未解之谜的答案。
挑战与机遇并存
我们选用最简单的模式生物——酵母作为实验模型,尝试探讨营养限制过程中一氧化氮促进线粒体发生的作用机制。我们惊讶地发现,在酵母营养限制过程中的确伴随着一氧化氮的大量释放!这说明一氧化氮可能是营养限制导致长寿的重要信号。拿到实验结果后,学生一下子变得劲头十足起来。接下来,我们又意外地发现,营养限制可以使超氧化物歧化酶(抗氧化酶)活性显著升高!
第一个结果还来不及解释,第二个结果又难倒了我们。对此,学生感到有些茫然,不知道该如何解释这个结果。我告诉她,氧化与抗氧化的生化过程是这样的:超氧化物歧化酶催化超氧阴离子产生过氧化氢,后者再在过氧化氢酶或过氧化物酶作用下生成水和氧。也就是说,只有超氧阴离子增加,才会导致超氧化物歧化酶活性升高。反过来,有了超氧化物歧化酶,超氧阴离子就消失了。
我顺便提醒她注意了解哈曼的衰老自由基假说,没想到她竟敢挑战权威!她说:哈曼认为衰老是自由基破坏生物分子及伤害生物细胞的结果,只考虑到自由基有害的一面,没考虑到氧自由基还会存在有益的一面。事实上,氧自由基可以通过诱导抗氧化酶减弱其有害作用或增强其有益效果。
我趁热打铁,继续鼓励她思考一氧化氮与氧自由基及抗氧化酶的关系。她看到一篇文献上说,一氧化氮可以与氧竞争性结合线粒体呼吸链末端的细胞色素c氧化酶,进而可逆抑制其活性。一氧化氮浓度高时,细胞色素c氧化酶活性受到抑制,而氧浓度高时,抑制作用得以解除。我启发她:我们得出一氧化氮与超氧化物歧化酶同步提高的结果,应该可以解释为:一氧化氮进入线粒体并与细胞色素c氧化酶结合而抑制其活性,暂时阻断了呼吸链电子传递,导致超氧阴离子迸发及超氧化物歧化酶骤然增多,促进了线粒体的大量生成。
她听完我说的这番话,好像立刻豁然开朗,如释重负,但转瞬间却又皱起了眉头,并且反问我:如何对上述推论进行实验验证呢?
大胆假设,小心验证
我们以前曾发现,抗疟药青蒿素可以与血红素共价结合而使含有血红素的蛋白质失活。巧合的是,细胞色素c氧化酶正是一种血红素蛋白!我推测它应该可以与青蒿素结合并失活。假如用实验证实青蒿素也表现出长寿效果,那么以上推论就顺理成章了。
果然不出所料,青蒿素不仅能模拟酵母营养限制的长寿效果,而且还同步检测到细胞色素c氧化酶活性升高及青蒿素-血红素结合物形成!对此,学生似乎大惑不解:为什么青蒿素抑制了细胞色素c氧化酶后,它的活性反而升高?我这样解释道:那是因为细胞色素c氧化酶的活性变化是先低后高,你只检测到高活性阶段,未检测到低活性阶段。她听完后将信将疑,不止一次想测到活性低的那个阶段,但一直没有成功,我估计还是检测时机把握不当。
上述实验结果在我们脑海里画下了一个大大的问号:为什么线粒体的“破坏”反而能延寿?学生尝试用中医解读这个现象:线粒体呼吸链电子传递的暂时中断,氧自由基(“邪气”)升高促使抗氧化酶(“正气”)升高,由于正气压倒邪气,细胞的寿命就延长了。我虽然认可她的这个说法,但却认为太抽象,不足以将细胞的抗氧化能力与长寿联系起来!
正当我的思绪处于“短路”之中,她提议在信号通路上做做文章,看看信号通路相关的激酶是否出现变化。于是,我们抱着试一试的想法,对营养限制、青蒿素、精氨酸(一氧化氮前体)和硝普钠(一氧化氮供体)处理的小鼠中几个著名靶蛋白的表达水平进行了定量分析。让我们惊讶的是,营养限制的效果被上述几种处理模拟得惟妙惟肖,说明这些处理与营养限制一样有着共同的信号转导通路。
可是,这个结果并未让我们惊奇,因为都是已经报道过的“老生常谈”:线粒体功能异常导致的产能水平降低可激活AMPK及SIRT1,并上调相关信号转导通路。至此,我们在“原创”上遇到瓶颈,感到进退维谷,骑虎难下!
有心栽花花不发,无心插柳柳成荫
我们一致认为,要“立新”就得“破旧”。于是,我们分头思索如何在下一步实现“突破”。记得我曾有一个中午没有休息,翻来覆去地浏览着一家基因芯片公司的网页,希望找到一张合适的芯片。这时,“自噬”二字突然跳进我的眼帘,这让我想起自噬正是长寿机理之一。我们立即联系上这家公司,委托他们对我们的小鼠肌肉样本进行自噬基因表达谱分析。
然而,结果让我们傻眼:自噬基因的表达几乎没有变化!当时,我们的心情别提有多沮丧,就像一下子从“天堂”跌回“地狱”一般,尤其是学生脸上流露出来的那种失望情绪,至今让我难以释怀。在这种低落情绪笼罩下,我仍然不死心,怀着侥幸的心理再次浏览了一次全部芯片数据。
我突然发现两个重要的抗癌基因表达下调几十倍!我立即查阅文献,得知有人发现抗癌基因对端粒长度的负调控。换句话说,抗癌基因表达下调,意味着端粒延长!这个重要的线索一下子让我看到曙光!我立即打电话给学生,告诉她:抗癌基因下调表明端粒损伤减少,而端粒越长,细胞寿命也越长!目前,我们正在采用各种检测手段对上述推论进行验证,初步结果比我们预计的还要好!真应了那一句“踏破铁鞋无觅处,得来全不费工夫”!
我讲述上面的故事是想传达这样的意思,在研究生科研选题上,师生关系完全可以打破“上传下达”的旧模式,实现双向互动,既可照顾到学生的好奇心和探索兴趣,又能拓宽老师的科学视野和研究领域。可以说,没有学生的“逼宫”,我就不可能“冒失”地闯入世界科学前沿!
全文发表于《大学生》2013年第6期第72-73页
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