专访：漫漫科研路，唯有热爱与专注同行

——记广州生物医药与健康研究院裴端卿研究员和秦宝明研究员

　　

生物通报道：科研有时候是很枯燥的，但是对有些人来说，长期面对同一个需要解答的问题并不是煎熬。对他们而言这意味着无数次令人沉浸其中的尝试，执行idea的畅快，以及获得收获的欣喜。广州生物医药与健康研究院（GIBH）的一组研究人员就是这样，在自己的科研领域用热爱与专注浇灌着自己的“一亩三分地”，踏实走着自己的漫漫科研路。

裴端卿课题组多年来在体细胞重编程领域一直不断尝试和探索，陆续发表了多篇很有影响力的Nature子刊和Cell子刊文章。从2010年发表第一篇Cell Stem Cell文章开始，GIBH的裴端卿研究员就领导着课题组致力于体细胞重编程中的一个关键问题：重编程的细胞重塑如何发生？要回答这个问题并不容易，国内外许多实验室都在进行探索，并提出过一整套假设，甚至一度被证实成为定论。今年5月18日，该课题组终于在Nature Cell Biology杂志上报道了这一问题不同的答案，揭示了体细胞重编程中关键的重塑机制，阐明了细胞重塑、mTORC1和自噬之间的关系。这项成果结合了能量代谢转变与亚细胞结构重塑，是在机理与应用上自从2008年以来连续性的探索。

生物通在第一时间联系了裴端卿研究员和秦宝明研究员，听他们畅谈这项成果的来龙去脉，感受着他们对于科研的热爱与专注。

美丽的意外

众所周知，干细胞和体细胞在许多方面是截然不同的。那么，重编程过程中的代谢转变和细胞重塑怎么发生的呢？七年前，当时还是博士研究生的秦宝明与他的导师裴端卿研究员就代谢转变这一问题展开了研究。他们在研究线粒体对重编程影响的过程中意外发现，抗氧化剂维生素C能够大大促进体细胞重编程，提高重编程效率。这一成果以封面文章的形式发表在2010年初的Cell Stem Cell杂志上。这篇文章很快引起了学术界的高度关注，入选了“2010中国百篇最具影响国际学术论文”，还获得了“赛默飞世尔特约之2010实验室创新技术大奖”。（相关报道：专访裴端卿课题组：创新体细胞重编程技术）

不过，维生素C的这个作用与活性氧自由基ROS或者代谢转变并没有直接关联，因此这项研究并没有回答他们最初关于代谢转变以及细胞重塑的问题。随后，在裴端卿研究员的进一步指导下，秦博士及其同事继续进行着探索。细胞重塑涉及细胞整体体积变小以及多种细胞器（包括线粒体、内质网、高尔基体等）变少甚至消失。除了细胞大小，研究人员还特别关注线粒体生物合成的变化。秦博士介绍到：“线粒体是细胞的能量和某些关键代谢中间产物的工厂，在重编程早期变化非常快也非常大，是细胞重塑的重要部分，而且线粒体改变同细胞大小一样比较容易检测。”

裴端卿研究员将细胞形象地比喻为一个大房间，房间的结构和陈设决定了它的用途。多能干细胞相当于是一个新房间，可以在此基础上建立特异的结构与陈设。这意味着，体细胞重编程需要将原本的房间结构和陈设彻底清空。以往研究认为，自噬在重编程细胞重塑中起着关键作用，自噬缺失的细胞不能发生重编程。然而秦博士及其同事很早就发现，自噬虽然在重编程中被强烈激活，但阻断自噬之后细胞重塑和重编程依然可以发生，而且效率更高。

 “意外”的实验结果是相当令人头疼的，需要利用能想到的各种手段进行重复来确定。如果你的追求只是完成任务顺利毕业，那么“意外”真的是一种折磨。如果你热爱的是真理，享受的是发现的乐趣，那么“意外”就会成为一次美丽的契机。据介绍，这项研究的关键之一在于需要使用自噬完全缺失的细胞。siRNA或者过表达突变体只能大部分抑制自噬，并不能将其完全阻断。在裴端卿研究员的引荐下，秦博士等人从清华大学陈晔光教授实验室获得了一个自噬相关基因缺失的小鼠，结合过表达拯救实验获得了非常明确的实验结果，之前的结论得到了最终证实。秦博士说:“这块工作从开始引进小鼠到最终完成自噬缺失iPS细胞多能性的鉴定，前后用了近一年的时间，也是这项研究的画龙点睛之笔。”尽管这一发现至关重要，但开始的问题依然存在——究竟是什么导致细胞重塑的发生呢？

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缘起复活节岛

在排除了自噬可能性之后，为了寻找细胞重塑的真正原因，GIBH研究人员很自然地集中到自噬的重要上游抑制因素——雷帕霉素靶蛋白复合物1（mTORC1）上。

雷帕霉素最初是从复活节岛的土壤样品中提纯出来的，由于具有很强的免疫抑制作用，被用来减轻器官移植时的免疫排斥。后来，人们发现了雷帕霉素的作用目标——雷帕霉素靶蛋白（mTOR）。mTOR是细胞感受各种营养物质水平并控制生物合成和细胞分裂的关键激酶，在进化上非常保守。完全缺失mTOR的细胞和个体会彻底丧失生物合成能力，无法存活下去。

雷帕霉素和mTOR的生理功能与长寿、衰老和多种疾病有关。研究证明，雷帕霉素可以延长小鼠的寿命，与最经典的热量限制促进长寿的效果类似。目前普遍认为，这些效果都是通过抑制mTOR复合物I（mTORC1）起作用的。秦博士指出，热量或营养越多细胞的mTORC1活性就越强、合成代谢就越旺盛，这会产生很多问题。可能性之一是合成代谢需要激活线粒体提供能量以及中间产物，这会产生许多自由基，对细胞（尤其是干细胞）造成损伤，导致干细胞分化并逐步耗尽。秦博士兴致勃勃地说：“干细胞代谢异常损伤机体的再生能力，很可能这就是热量摄入过高导致疾病和衰老的关键原因之一。”

细胞重塑的奥秘

通常在营养充足时，mTORC1会启动生物合成并抑制自噬；在营养匮乏时mTORC1活性关闭，自噬得以激活。GIBH研究人员发现，重编程早期mTORC1被迅速关闭并激活自噬，如果人为保持mTORC1一直开启，细胞大小和线粒体都不会减少，即细胞重塑不会发生，同时重编程被严重抑制。那么体细胞“房间”究竟是怎样被清空的呢？秦博士认为，一方面mTORC1的关闭会使细胞内的生物合成大大降低，同时随着细胞快速分裂，细胞内的整体物质组成就越来越少，细胞重塑于是就发生了。（延伸阅读：我国科学家阐明体细胞重编程的关键重塑机制）

“我希望我们能做一些真正有挑战性的事情，也希望在重重压力下我们勿忘初衷”

自2006年正式面世以来，重编程技术已经成为了干细胞研究与应用的一个关键工具，尽管大部分研究看起来像是点滴式的进展，但实际上原本只露了一条狭缝的再生医学之门已经被彻底推开。对于裴端卿研究员来说，“我们很早开展了重编程研究就因为一直有兴趣、有新想法。”谈及未来，裴端卿研究员说，“重编程技术未来的方向很多，我们希望能做出一些对促进人类健康有价值的东西。”

要进行创新性研究，阻碍当然不少，比如实验经常失败或者结果总不理想、比如学生面临毕业但课题还没收尾，比如经费相比需求永远不够，但“我不能让任何眼前的困难阻碍了我们的前进道路，”裴端卿研究员说，“我希望我们能做一些真正有挑战性的事情，也希望在重重压力下我们勿忘初衷。”

（小编的话：科学本身是一个通过不同途径了解自然规律的摸索过程，以人类现在的能力可能还处于‘盲人摸象’或者‘管中窥豹’的阶段，因此出现结果差异是再寻常不过的事情。每一次新发现都是我们认识真相的重要一步，只有通过不断修正我们才能够接近真理，也许今天看起来完全相反的结果日后会在某个大框架下得到统一，而这正是科学研究的迷人之处。）

作者简介：

 

裴端卿 男，博士，研究员。研究领域：细胞命运调控。本科毕业于华中农业大学，CUSBEA项目博士毕业于美国宾夕法尼亚大学。先后在美国明尼苏达大学任副教授、清华大学教授、中国科学院广州生物医药与健康研究院研究员。获得2013年度“国家自然科学奖”二等奖、2010及2015年度两次获得广东省科学技术奖一等奖、2014年获第七届谈家桢生命科学奖创新奖。

秦宝明 男，博士，研究员。研究领域：代谢与细胞命运调控。本科毕业于北京大学生命科学学院。博士毕业于中国科学院广州生物医药与健康研究院。先后获得2013年度“国家自然科学奖”二等奖、2010年度中科院百篇优秀博士学位论文、院长优秀奖和优秀毕业生等奖励。以第一作者或通讯作者发表SCI论文7篇。

生物通编辑：叶予、王蕾

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