杨崇林 醉心细胞死亡程序 过程追求完美 结果顺其自然

【字体: 时间:2010年03月02日 来源:生物通

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  编者按:细胞程序性死亡这种创造性的毁灭模式被誉为细胞的绝唱,而它也为组织和个体发育赢得生机。它的发现让三位科学家摘得2002年诺贝尔奖的桂冠,但这仅仅是探索生命细胞死亡机制的开始。面对纷繁庞杂的细胞死亡机制,中国科学家杨崇林教授正醉心于探求其深层次奥秘。

  

编者按:细胞程序性死亡这种创造性的毁灭模式被誉为细胞的绝唱,而它也为组织和个体发育赢得生机。它的发现让三位科学家摘得2002年诺贝尔奖的桂冠,但这仅仅是探索生命细胞死亡机制的开始。面对纷繁庞杂的细胞死亡机制,中国科学家杨崇林教授正醉心于探求其深层次奥秘。

2010年的春天,从Science传来了中国科学院遗传与发育生物学研究所杨崇林教授收获的喜讯。他带领的研究小组在细胞程序性死亡研究方面的最新成果文章被Science收录了,这个春天洋溢着收获的喜悦。这其实是杨崇林教授从2005年回国以来以秀丽线虫(Caenorhabditis.elegans)为模式动物研究细胞程序性死亡机制的系列成果之一。

(图片说明:左:杨崇林,中:陈迪笛(Science文章第一作者),右:肖辉(Science文章第一作者))

杨崇林教授实验室主要以秀丽线虫为模式,运用正向和反向遗传、生化以及细胞生物学等综合手段,探索细胞程序性死亡的调控规律。同时寻找能特异性地结合人体细胞凋亡因子的小分子化合物,包括小分子RNA 适配物(aptamer)和天然化合物等,从化学遗传学的角度研究细胞凋亡的调控机制。

探秘程序性细胞死亡
面对生物通记者的提问,杨老师首先给我科普了一番。他的实验室主要集中力量研究细胞程序性死亡的诸多环节及其在个体发育中的作用。细胞程序性死亡的全过程分为几个重要的步骤,包括死亡信号启动和传递、死亡程序触发及其后凋亡细胞的清除(包括凋亡细胞的吞噬与降解)。

杨老师的研究涉及到其中的许多环节。2010年2月最新的Science文章解开了凋亡细胞吞噬过程的一个谜题。

凋亡细胞也爱“环保”
循环利用,可持续发展,在人类提出这些口号之前,细胞们已经践行多年。

在凋亡细胞的清除过程中,CED-1受体蛋白介导凋亡细胞吞噬过程,有趣的是,CED-1受体将凋亡细胞送入吞噬细胞中,完成使命后,它又重新回到岗位上,继续识别凋亡细胞,将其带入吞噬细胞使其被溶酶体降解,从而完成凋亡细胞的清除过程。

一直以来,CED-1在循环前的过程全被科学家们掌握了,而它如何脱离凋亡细胞,重新被利用的过程一直未被参透。

杨崇林教授恰好找到了其中的决窍。他和他的研究生们发现在线虫retromer复合体的突变体中存在着凋亡细胞清除障碍,并顺藤摸瓜,最终找到了引发障碍的原因,就是CED-1循环障碍。顺着这个线索,他们接着找出了介导CED-1受体循环的分子机制。

Retromer复合体主要通过吞噬受体CED-1来发挥作用。当凋亡细胞被吞噬时,吞噬细胞膜上的吞噬受体CED-1随着凋亡细胞一起内陷进入到吞噬小体上。而后retromer复合体可能通过与CED-1的蛋白质直接相互作用,使CED-1从吞噬小体上释放并重新回到吞噬细胞的细胞膜上,从而使该受体得以循环利用。

这一发现,主要回答了2个问题,1.CED-1如何回收利用。2. Retromer作为一个新发现的调控因子,在凋亡细胞清除过程中发挥着重要作用。

除了研究细胞凋亡的具体过程外,杨崇林实验室的工作还包括,寻找能特异性地结合人体凋亡因子的小分子化合物。实验室目前已经建立了人工合成的小分子RNA库,他们希望可以快速找到一些能干预细胞凋亡的化合物,经过改造将来应用到临床上去。目前实验室已经发现了几个小分子RNA可以与凋亡因子结合。但杨崇林教授告诉记者,目前这一块还处于起步阶段,还有比较长的路要走。

面对困难
做生命科学基础研究无疑会遇到庞大而繁杂的困难群,当记者问及杨老师什么困难是他遭遇的最大困难时,杨老师爽朗地笑了,想了一会,说道,没有什么印象特别深刻的困难。做科学研究不遇到困难是不可能的,但是,当解决了问题,研究结果得到同行认可时,这些困难显得微不足道,因为热爱自己的工作,所以很享受这个遇到问题,解决问题的过程。

困难也许无处不在,困难也许根本不存在,这在于每个人看待问题的角度,没有困难,就没有成功后的成就感。

我想,这是杨老师对科学的理解,也是他对科学的态度。套用鲁迅的话说,困难本来无所谓有,无所谓无。

呼吁更多的国人用elegans从事研究
在采访过程中,杨老师说,做细胞程序性死亡研究,秀丽线虫真是个好宝贝。目前,在中国大约有十几个实验室用秀丽线虫做模型动物,北京地区有十来个实验室,主要集中NIBS和中国科学院。这些实验室每月定期举行学术研讨会,由各个实验室的研究生介绍自己的课题进展,分享和探讨研究思路。他希望有更多的实验室用这个模型,更多的人参与他们的秀丽线虫非正式seminar,在讨论中碰撞出智慧的火花。

秀丽线虫是一个十分经典的研究模型,也是世界上唯一一个有完整细胞图谱的模式动物,线虫从单细胞发育成为多细胞的复杂过程(从1个细胞变为959个细胞),细数到每一个细胞都被完整的记录下来。

科研三准则
说起秀丽线虫,杨老师说起2002年的诺贝尔奖,三位诺奖得主令人映像深刻。

其中一位是Sydney Brenner,是线虫模型研究的始祖,他慧眼识珠,开创了以线虫为模式动物的新时代。正是因为他的开创性工作,才使得线虫这个模型现在被广泛使用,给生命科学的基础研究带来很大的便利,诺奖评委会给他的评语是,Creativity。

另一位是,John Sulston,他在研究线虫发育时,弄清了伟大的线虫细胞发育谱系图(就是上述1-959个细胞的发育谱系)并发现了发育过程中的细胞凋亡现象。目前,这个发育谱造福全球所有以秀丽线虫为模型的实验室。尤其值得称道的是,在当时的条件下,John Sulston在光学显微镜下,一个一个画细胞图,完成线虫的细胞谱系,可以想象,在那样的情况下,他需要多大的耐心与毅力。他因此获得诺奖,诺奖评委会给他的评语是,Fortitude。

最后一位H. Robert Horvitz,在线虫细胞图谱和细胞凋亡研究中都有重要贡献,他几十年如一日地坚持科学研究,解析了程序性细胞死亡和器官发生的遗传调控通路。诺奖评委会给他的评语是,Persistence。

杨崇林教授认为,创造性、毅力和坚持是他与研究生们共勉的3个词,做科学研究应该坚持这三点。

杨崇林教授说,还有句话用在我们生命科学研究者身上很合适。一次,他去参加儿子的家长会,儿子的老师用“过程追求完美,结果顺其自然”来勉励面对升学压力的孩子们。杨老师认为,做科学研究,也得有这种心态。

2009年系列发现

保守的凋亡调节因子
一个在线虫中参与凋亡激活的新因子,即腺苷酸转位酶1(worm adenine nucleotide translocase 1, WAN-1), 它与人类腺苷酸转位酶1(ANT1)同源。研究表明WAN-1定位于线粒体中,其功能缺失突变可影响线虫的发育而导致线虫死亡。wan-1表达量的降低或增加可分别抑制或诱导细胞凋亡。遗传学分析表明WAN-1特异性影响细胞凋亡的激活过程;而生化研究发现WAN-1可以与CED-9和CED-4形成复合体,凋亡起始因子EGL-1可以破坏该复合体进而激活凋亡通路。该研究不仅揭示了线虫中WAN-1在程序性细胞死亡中的调控作用,而且对进一步认识哺乳动物细胞凋亡过程中ANT1的作用机制有着重要的参考意义。由于WAN-1/ANT是一个重要的凋亡调控因子,它可能为肿瘤、神经退行性疾病等的治疗提供潜在的药物靶点。

DNA损伤与细胞凋亡
DNA损伤是诱发基因组失稳的主要因素。当DNA损伤发生后,细胞通过一系列的应答反应,包括细胞周期停滞,DNA修复以及细胞凋亡等,使基因组的稳定性得以维持。这些应答反应需要多种调控因子的参与。蛋白质精氨酸甲基转移酶(PRMT)通过甲基化修饰不同的蛋白质底物而参与调控细胞的多种重要生命活动,其中包括DNA修复等。但PRMT在细胞对DNA损伤的其它应激反应如细胞凋亡过程中是否发挥作用,目前尚知之甚少。

中国科学院遗传与发育生物学研究所杨崇林实验室以秀丽线虫为模式,探索蛋白质精氨酸甲基化这一重要的蛋白质翻译后修饰方式在调控DNA损伤诱导的细胞凋亡方面的作用机制。他们发现哺乳动物II型蛋白质精氨酸甲基转移酶PRMT5在线虫中的同源物,即线虫的PRMT-5,参与调控DNA损伤引起的细胞凋亡。他们发现在prmt-5基因缺失的突变体中,DNA损伤可诱导过量的细胞凋亡。这一过量细胞凋亡缘于依赖于转录因子CEP-1(线虫中肿瘤抑制因子p53的同源物)的凋亡起始因子EGL-1(促凋亡因子Puma和Noxa等的同源因子)的表达上调。该研究进一步发现哺乳动物细胞的转录协助因子p300在线虫中的同源蛋白CBP-1也参与了prm-5突变体中egl-1的过量表达。蛋白质互作分析发现PRMT-5可与CEP-1和CBP-1形成复合体,并能够甲基化修饰CBP-1。因此PRMT-5可能通过CBP-1对CEP-1的转录活性进行负调控, 从而使有机体避免在DNA损伤后发生过量细胞凋亡。前人发现PRMT5在多种肿瘤细胞中表达量增高,但其与肿瘤发生之间的因果关系还甚为模糊。因此,这一研究结果将为人们深入了解蛋白质精氨酸甲基转移酶在肿瘤发生中的作用机制提供新的思路。

(生物通 张欢)


后记:过程追求完美,结果顺其自然,这句话给我留下了深刻的印象,有多少实验可以重来,有多少人生可以重来,人生就像一场精心设计的实验,中间存在偶尔性,存在不确定性,但是,如果实验过程精细而完美,至少不会让我们留下遗憾。

杨崇林 博士,研究员,博士生导师 

  1998年于北京大学获博士学位。1998-1999为意大利 International school for advanced studies 分子神经生物学实验室访问学者。
1999-2005年先后在University of Maryland School of Medicine和University of Colorado从事博士后研究。 2005年入选中国科学院 "****"。  


细胞程序性死亡又称细胞凋亡,是多细胞有机体生长和发育过程中最重要的生命现象之一。通过程序性死亡,多细胞有机体可抑制细胞的过量增殖,清除衰老和畸形细胞以维持健康细胞的正常数量。细胞凋亡对组织和器官发育、免疫耐受性以及神经细胞的生长与发育等起着决定性的作用。大多数重大疾病均与细胞凋亡的失调直接或间接相关。譬如,神经退行性疾病包括老年痴呆症(Alzheimer’s disease)、帕金森氏综合症(Parkinson’s disease)和亨廷顿氏综合症(Huntington’s disease)等均源于神经系统细胞的过量凋亡;反之,细胞凋亡不足通常是各类癌症的直接原因。现已发现,细胞程序性死亡在进化上是一个非常保守的过程。在从原生动物线虫到高等动物人的多细胞生物中,细胞程序性死亡的相关基因十分保守且调控途径基本相似。因此,研究线虫的细胞程序性死亡能够使我们更好地了解人体细胞凋亡的调控机制。


  杨崇林实验室主要以秀丽线虫(Caenorhabditis elegans)为模式,运用正向和反向遗传、生化以及细胞生物学等综合手段,探索细胞程序性死亡的调控规律。同时寻找能特异性地结合人体细胞凋亡因子的小分子化合物,包括小分子RNA 适配物(aptamer)和天然化合物等,从化学遗传学的角度研究细胞凋亡的调控机制。


主要论文

1). Qinfang Shen, Fengsong Qin, Zhiyang Gao, Jie Cui, Hui Xiao, Zhiheng Xu, and Chonglin Yang, 2009, Adenine Nucleotide Translocator Cooperates with Core Cell Death Machinery to Promote Apoptosis in Caenorhabditis elegans. Molecular and Cellular Biology,  29(14): 3881–3893.

 

2). Mei Yang, Jianwei Sun, Xiaojuan Sun, Qinfang Shen, Zhiyang Gao, Chonglin Yang, 2009, Caenorhabditis elegans Protein Arginine Methyltransferase PRMT-5 Negatively Regulates DNA Damage-Induced Apoptosis. PLoS Genetics,5(6): e1000514. doi:10.1371/journal.pgen.1000514.

 

3). Hui Xiao, Didi Chen, Zhou Fang, Xiaojuan Sun, Jing Xu, Song Song, Jiajia Liu and Chonglin Yang, 2009, Lysosome biogenesis mediated by vps-18 affects apoptotic cell degradation in Caenorhabditis elegans. Molecular Biology of the Cell, 20: 21-32.

 

4). Chonglin Yang , Myoung Sook Kim, Devulapalli Chakravarty, Fred E. Indig and France Carrier, 2009, Nucleolin Binds to the Proliferating Cell Nuclear Antigen and Inhibits Nucleotide Excision Repair. Molecular and Cellular Pharmacology, 1(3):130-137.

5) Xiaochen Wang, Jin Wang, Keiko Gengyo-Ando, Lichuan Gu, Chun-Ling Sun, Chonglin Yang, Yong Shi, Tetsuo Kobayashi, Yigong Shi,Shohei Mitani, Xiao-Song Xie & Ding Xue, 2007,C. elegans mitochondrial factor WAH-1 promotes phosphatidylserine externalization in apoptotic cells through phospholipid scramblase SCRM-1. Nature Cell Biology, 9:541-549.

6). Chonglin Yang, Nieng Yan, Jay Parish, Xiaochen Wang, Yigong Shi and Ding Xue,2006,RNA aptamers targeting the cell death inhibitor CED-9 induce cell killing in Caenorhabditis elegans. Journal of Biological Chemistry 281:9137-44

7). Dony A Maiguel, Leslie Jones, Devulapalli Chakravardy, Chonglin Yang and France Carrier, 2004, Nucleophosmin sets a threshold for p53 response to UV radiation. Molecular and Cellular Biology 24(9): 3703-11

8). Jay Z Parrish, Chonglin Yang, Binghui Shen and Ding Xue, 2003. C. elegans CRN-1 nuclease cooperates with CPS-6 to promote stepwise apoptotic DNA fragmentation.  EMBO Journal 22(13): 3451-3460

9). Xiaochen Wang*, Chonglin Yang*, Jijie Cai, Yigong Shi and Ding Xue, 2002.  Mechanisms of AIF-mediated apoptotic DNA degradation in Caenorhabditis elegansScience 298: 1587-1591 (*Co-first authors)

10). Chonglin Yang, Dony A Maiguel and France Carrier, 2002. Identification of nucleolin and nucleophosmin as genotoxic stress-responsive RNA binding proteins. Nucleic Acids Research 30(10): 2251-2260

11). Chonglin Yang and France Carrier, 2001. The UV inducible RNA binding protein A18 (A18 hnRNP) plays a protective role in the genotoxic stress response. Journal of Biological Chemistry 276 (50): 47277-47284

12). Jianlong Lou, Roberto Marzari, Vittorio Verzillo, Frederica Ferreco, Daniel Pak, Morgan Shen, Chonglin Yang, Danielle Sblattero, Andrew Bradbury. 2001. Antibodies in haystacks: how selection strategy influences the outcome of selection from the molecular diversity libraries. Journal of Immunological Methods 253: 233-242.


 

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