被诺奖青睐的这条小虫子虽然只能活1个月，但能回答人类生老病死的大问题 | 刘颖
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2024-10-11 17:24
北京
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线虫的衰老，
在很多形式上和人是有相似之处的。
我们认为在线虫上研究衰老获得的研究成果，
也许可以应用到高等生物上面。
刘颖 · 北京大学分子医学研究所教授
格致论道第65期｜2021年3月27日 北京
大家好，我叫刘颖，来自于北京大学分子医学研究所，主要从事生命科学领域的研究。今天我想和大家分享的主题是《小虫子解决大问题》。人的一生，会经历生老病死这一系列的阶段。在我们整个生命周期过程中，有非常多重要的生命科学问题，它们非常复杂。但是对于我来说，我关心的是两个问题——衰老和代谢。可能大家认为这是非常大的科学问题，但在我们实验室里，我们恰恰是用一只只小虫子，来研究人类生老病死的大问题。今天我想和大家分享，我们是如何用这些叫做线虫的小虫子来研究衰老和代谢的。我为什么要研究衰老？人类自古至今，从东方到西方，一直对于长生不老有着孜孜不倦的向往和追求。我国古时就有这样的神话故事，嫦娥偷吃了自己丈夫从西王母那里要来的长生不老药，于是才有了嫦娥奔月的故事。西方也有同样的传说，下图的名字叫做 The Fountain Of Youth，中文名是青春之泉。▲The Fountain Of Youth 青春之泉这幅画描述的是一处泉水，你可以将它想象为生命之泉。一片枯黄的落叶，落入这个泉水里之后，就可以重新变绿；或者濒临死亡的昆虫，落入这个泉水中，即刻就能飞起来；如果我们人类，尤其是老人，到这个泉水里去沐浴一场，立刻就能返老还童。西班牙有一位探险家，因为他想要去寻找青春之泉，开始了自己的航海旅行和探险，最终据说他在美国的佛罗里达州发现了青春之泉。在我博士快要毕业的时候，我就开始想，我将来到底研究什么呢？那时候，我就开始对衰老产生了兴趣，我好奇人类到底为什么会衰老？有没有什么办法可以延缓衰老？我们实验室会用到一些模式生物来进行科学研究，下图展示的是生命科学领域里比较常见的模式生物。大家可以看到，从左到右有细菌、酵母，还有我们常用的线虫、果蝇、斑马鱼、小鼠以及猴子。我的课题组主要是用线虫来研究衰老，为什么选择线虫呢？我先简单介绍下线虫，线虫的学名比较长，叫做秀丽隐杆线虫。线虫广泛分布在自然界中，即使是在室外的土壤中，我们也能够分离到线虫。但是大家一定不要觉得，线虫是那种爬行的、蠕动的、让人觉得非常恶心的小虫子。其实它们非常小，线虫的成虫大概只有一毫米。我们经常需要借助显微镜，才能对线虫进行观测。上图就是我们在显微镜下看到的线虫形态。可以看到它存在两种形态，比较大的形态是雌雄同体，比较小的形态是雄虫。在自然界中，雌雄同体的线虫占了绝大多数，可能有超过98%的虫子是以雌雄同体的方式存在的。线虫在实验室是非常好培养的，我们一般常用的是直径在几厘米到十几厘米的圆形的塑料培养皿。培养时需要在培养皿里面先铺上一层琼脂，琼脂上面再铺上一层细菌，就可以培养线虫了。因为线虫是以细菌作为食物的，而琼脂的存在可以同时为线虫和细菌提供它们各自所需要的一些营养物质。我们实验室这一个个小的培养皿，就是线虫们的生长环境。为什么我选择线虫来研究衰老呢？最关键的原因是它们的生命周期非常短。我们可以从下图看到，当线虫从卵里孵化出来时，它会经过四个幼虫期，可以分别将它命名为：L1、L2、L3和L4。然后它会变成有生殖能力的成虫，一般线虫产卵大概需要两到三天的时间。在线虫的产卵期结束之后，成年的线虫就慢慢地进入衰老期直到死亡。在显微镜下，我们可以观测到线虫的卵、一只只的幼虫。线虫每一次从前一个幼虫期进入到后一个幼虫期的时候，它都会完成一次蜕皮，然后变大，最终进入到成虫期。在实验室里，线虫培养环境的温度不同，它们的寿命也是不一样的。例如，我们如果在20摄氏度的培养环境下去培养线虫，它们的生命周期大概是20多天。如果想要了解某种实验条件是否能够延缓线虫的衰老，可能需要一个多月来获取实验结果。但如果相似的实验去研究小鼠，就需要两到三年的时间，才能拿到一次实验结果。在常用的模式生物中，线虫处于在进化上比较中间的位置，它不会像细菌、酵母这么低，它也会经历自己的发育、生长、生殖以及衰老的过程。所以我们用线虫做衰老的模型。大家从上面的视频可以看到，在显微镜下观察一只虫子，每天对这只虫子进行显微镜下的拍摄，去观察它的状态。虫子的每一个阶段都有明显的状态表现。比如结束产卵期之后，这只成年的虫子就会开始衰老。它衰老的时候，运动会明显减慢，不怎么动了，而且它的进食也明显减少了。我们在虫子进入成虫期之后，每天给它拍一张照片，把它年轻时候的照片和老年时候的照片从上而下排列在一起，可以发现一个很明显的现象：老年的虫子明显缩短了，它的个子变矮了，皮肤也出现了褶皱，包括它内部的肠道等组织结构，也发生了巨大的改变。
线虫的衰老，在很多形式上和人是有相似之处的。所以我们觉得借助线虫做衰老研究所获得的研究成果，也许是能够应用到高等生物上的。我们怎样利用线虫来研究衰老呢？我们在这里借助基因突变的形式。大家应该都知道，基因是指携带有遗传信息的一段DNA序列，基因突变在自然界中在进化的过程中是会经常发生的。例如，我们可以看到下图的背景是灰白色，它是一个灰白颜色的树干。如果大家仔细看的话，在这个树干上还趴着一只飞蛾，这是一种在英国很常见的飞蛾。因为这些蛾子本身的颜色和树干的颜色非常接近，使得它能够避免被自己的天敌发现，避免自己被捕食。但是随着英国工业革命的发展，环境污染严重，树干从灰白色被污染成黑色，这种白色的蛾子再趴在黑色树干上时，它们很容易被天敌发现并被吃掉，这对于飞蛾的生存非常不利。有些飞蛾就产生了基因突变，这个突变导致控制它身体颜色的基因发生改变，使得它从白色的飞蛾变成了黑色的飞蛾。大家可以从上图看到，图片左方有一个黑色的飞蛾。因为这种基因的突变，使得它的颜色又重新地接近于这种树干的颜色，重新产生了保护色。所以说对于飞蛾来说，这种基因突变是对于它是有利的。因为在自然界中这种基因突变的频率是非常低的，所以在实验室中我们常常会用化学试剂来对小虫子进行处理，提高它的突变频率，这种方式叫做化学诱变。这时我就想起小时候经常看的一部动画片叫《忍者神龟》，这四只忍者神龟本身就是基因突变产生的产物，基因突变使得它们具有了超能力。其实在实验中，我们希望去发现一些具有超能力的线虫，我们关注的超能力是什么呢？就是能够延缓衰老、延长线虫寿命的超能力。通过化学诱变产生基因突变的方式，科学家确实发现了有突变的虫子能够显著延长寿命。上图是线虫的生命曲线，横坐标是线虫的生长日期，即天数，纵坐标是指在一个培养皿里大概有百分之多少的虫子是存活的。可以看到，每一个白色的小方框组成的曲线，是在野外正常生长的野生型的线虫的生命曲线。在刚开始的几天，百分之百的线虫都是活着的。随着时间的推移，有的线虫开始死掉了。到了20天左右的时候，大概只有50%的线虫还是活着的。到了30天左右的时候，基本上所有的线虫都死掉了。但是科学家经过筛选，发现了有一个基因突变的虫子，这个基因叫做daf-2。黑色方框的这条曲线是突变虫子的生长曲线。可以看到，这种虫子的寿命有明显的延长。一直到80天左右的时候，这些虫子才全部死掉，它的寿命被延长到原来的2.5倍。除了daf-2 这个基因之外，科学家其实也筛选到一些其他的基因。例如，其中一个基因叫做eat-2。下图展示的白色方框依然是正常的野生型虫子的生长曲线，另外四组是带有eat-2 基因突变的。从图中可以明显看出，四只突变线虫的生长曲线中eat-2 基因的突变，同样也和daf-2 基因一样延长了线虫的寿命。eat这个词，其实就是我们中文词汇中“吃”的意思。eat-2基因突变导致的结果是什么？就是线虫吃的少了，间接地模拟了一种热量限制性的进食，用通俗的话来讲就是适当地节食。所以在线虫上的这个发现上告诉我们，也许适当地节食，或者是热量限制性的进食，可以延长一个物种的寿命。线虫上的发现，对于高等生物是否适用呢？另外一组科学家在猴子上做了实验。当大家刚看到上图这两只猴子的时候，我觉得你们的第一印象可能会和我一样，会觉得右边的这只猴子，明显比左边这只猴子要老。但是它们的年龄其实是差不多的，左边的这只猴子是25岁，右边这只猴子26岁，它们最主要的区别是左边的猴子它每天摄入的食物量，是右边的猴子的一半左右，也就是说它在进行热量限制性的饮食。所以从这个实验结果上，我们可以看到高等生物适度地节食也是能够延长寿命的。我们现在讲到了饮食，饮食与身体代谢紧密相关，我们该如何利用线虫来研究代谢？我自己非常关注代谢，我也好奇当我们摄入食物之后，这些营养物质进入我们的身体，我们如何感受到这些营养物质的存在？如何启动我们的合成代谢，把这些营养物质储存起来以备不时之需？大家饥饿的时候身体是怎样感觉到了饥饿，从而去启动分解代谢。比如说分解脂肪为身体提供能量，这些过程又是如何来实现的？在我自己的课题组，我们依然是用这种小虫子来进行研究。因为线虫可以非常聪明地感受到自己的饥饿，并且开始分解自己体内储存的脂肪。我们在实验室利用一种染料，叫做油红O，对线虫的脂肪进行染色。上图左边的这一组线虫是正常喂食的线虫，它的脂肪的染色，即红色是比较深的，说明它的体内此时储存着大量的脂肪。如果我使这个虫子饥饿12个小时，就变成了右边这组虫子，表明它这时候知道自己饿了，便开始启动自己脂肪的分解，染色的红色部分就变浅了。我们可以从图看到这些饥饿的虫子的基因表达水平。这些与脂肪分解相关的基因表达量都升高了，说明这些基因开始行使功能，开始促进脂肪分解。我们利用线虫来进行研究，主要是依靠它的两种研究优势。其中一种优势，就是我们可以通过一种叫做显微注入的技术，很轻易做出转基因的线虫。如上图所示，我们固定小虫子，用一种非常细的玻璃针在小虫子身上扎进去，并且一直让这个针尖，扎进它的生殖腺内。这时候从针的另一端，注入特定的想要表达的DNA，这样这个虫子所产生的下一代就能够表达基因。线虫的另外一个研究优势是因为这些虫子通体透明，我们可以直接在显微镜下对它进行观测。比如我们可以直接在显微镜下看到，它的每一次细胞分裂是如何发生的。通过研究线虫的两种优势，我们课题组建立了研究脂肪分解的转基因虫子。简单来说，就是我们将促进脂肪分解的基因，连上一段绿色的荧光蛋白。当虫子饥饿的时候，它需要促进脂肪分解，这时它会进行上调脂肪分解基因的表达，相应的绿色荧光蛋白就被同时高表达了。图中左边这组虫子，即正常喂食的虫子，绿色荧光是不会被表达的，也不会变亮。但是如果让这些虫子饥饿12个小时，它需要分解脂肪，所以绿色荧光同时也产生了，在显微镜下我们可以看到这些虫子变亮了。于是我们依然可以利用这些转基因的虫子，研究化学诱变产生的基因突变，或者是用基因敲低的方式，观察哪些基因的突变或者是缺失。即使是小虫子正常进食的时候，也能够启动脂肪分解的过程。通过这样的研究，我们目前发现了一个基因叫做HLH-11。当把线虫体内这个基因敲除掉的时候，可以看到线虫体内所有相当于控制脂肪分解的基因，表达水平都变高了，在图中都变成了红色。红色说明它的表达量是变高的。另外我们也可以通过技术手段，去直接监测线虫体内每一种脂肪分子的含量。可以看到，图上的每一个小点代表着每一种脂肪的分子。对于基因敲除的虫子，所有的小点都向左偏移了，说明它所有的脂肪含量都是在减少的。同时，我们也发现我们的研究确实对于高等生物也是适用的，因为在高等生物里面也有和线虫行使同样功能的同源基因。于是我们就在体外对我们人的肝细胞进行培养，同样去敲除我们发现的这个基因。图中左边是正常的人的肝细胞，如果我用油红O对脂肪进行染色，可以看到在这些细胞里面有一粒一粒的脂滴的存在，证明这些细胞是有大量的脂肪累积。但是当我将发现的这个基因敲除时，就变成了下图右边这一组细胞，基本上看不到脂滴的存在，这些细胞内的脂肪已经被分解了。如果今后能够通过这些方式上调脂肪的分解，是不是就有可能在我们正常进食的同时，也能激活自己的脂肪分解？如果能够实现的话，我想也许人类减肥就不再是一个难题了。文章和演讲仅代表作者观点，不代表格致论道讲坛立场。“格致论道”，原称“SELF格致论道”，致力于非凡思想的跨界传播，旨在以“格物致知”的精神探讨科技、教育、生活、未来的发展，由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院网络安全与信息化办公室主办，中国科普博览(中国科学院科普云平台)提供技术支持。欢迎关注格致论道官网: self.org.cn，微信公众号: SELFtalks，微博: 格致论道。
