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你了解你的身体吗?10分钟了解它,揭秘30亿年生命密码

时间:2022-09-13 23:18:01 | 浏览:2482

△识别海报二维码,进入抗疫专题页面,我们同舟共济,打赢这场战疫了解细胞,才能了解你的身体机制,甚至能提前预知疾病。从350年前发现细胞,包括细胞核1831年被发现以来,这一百多年,我们叫细胞器也就是一二十种,非常少,而刘冀珑和他的团队发现了

△识别海报二维码,进入抗疫专题页面,我们同舟共济,打赢这场战疫


了解细胞,才能了解你的身体机制,甚至能提前预知疾病。从350年前发现细胞,包括细胞核1831年被发现以来,这一百多年,我们叫细胞器也就是一二十种,非常少,而刘冀珑和他的团队发现了一些新的细胞结构——细胞蛇。


为什么细胞蛇如此重要?观看他在@一刻talks上的分享。


*本期讲者:刘冀珑

上海科技大学生命科学与技术学院副院长、教授


四年前的夏天,我在海边散步,拍了屏幕上这张照片。我回头看到一个木桩,木桩上有个地图,地图上写着“Robert Hooke Trail”,就是罗伯特·胡克小路。


当时很奇怪,在这个小岛上为什么会有这个路标呢?后来一查谷歌,就发现这是罗伯特·胡克的家乡——英国的怀特岛,所以我当时很开心。


谁是罗伯特·胡克呢?学生物的同学都知道,这是个多才多艺的人。


这个画面的就是胡克。仔细看看这个画面,他手上拿到一支笔,因为他小时候希望成为一个画家,他手上还拿了个弹簧,因为他提出了胡克定律。在我们的高中或者初中的物理学教材里面的胡克定律就是他提出来的。


胡克定律是什么意思呢?弹簧拉的越长,力量越大,压得越短,它力量反弹的也越大,因为它的伸缩的长度跟它力量成正比,这就是胡克定律。


这画面右上方有月亮的黄金山,因为胡克也制造了望远镜,通过望远镜可以看到月亮上的黄金山,看到火星的运动。


胡克有一个非常有名的事情,看画面右下角,这是个复合的显微镜,它有两个棱镜。我们肉眼能看到的大概是头发丝大小的东西,但是胡克因为有显微镜,所以他能够把身边很小的东西,都拿到显微镜下看,他不但看还把它画出来,不但画出来,还把它描述出来。


比如针尖,我们看到针尖非常细、非常锋利。但是他拿到显微镜下看了以后,发现这针尖实际上不是那么锋利的,是钝的,中间的表面还是凹凸不平的。他把它画了出来,还用了一页的纸把它写出来,这是其中一个例子。


所以胡克就积累了很多小的东西,当然有的东西实际上是你可能难以想象的。他到卫生间,到小便池画了一些东西,那些精品把它放在显微镜下然后画下来。


所以积累了很多,最后他出了一本书。这本书的名字叫《显微术》,总共有58张图。因为他有很多描述,他的文字写得非常优美,所以大家如果想学英式英语,我建议你可以去读一读这本书。


这本书是1665年出版的,出版后就引起了轰动,因为大家肉眼都没法看到那么细微的东西,但是胡克把它描述出来。


其中很有意思的是,他除了看针尖之外,也看到我们平时喝葡萄酒的软木塞,把软木塞拿下来,用刀片把它切开,然后在他显微镜下看。


他看到什么呢?看到有很多孔洞一样的东西,他把它也描述出来。把它翻译成中文,就说这里面有很多很小的小盒子,他用英文Cells表示。


在当时修道院的那种小的房间,或者是监狱里面犯人的小房间牢房,我们叫cells,但这个cells在生物里面就叫细胞。谷歌是第一个把细胞这个单词用在生物体的。


那是1665年的354年以前,后面的科学家发现,细胞实际上是动物、植物,还有我们见到的微生物的基本的组成单位,是我们生命体的基本组成单位,所以细胞里面有很多有意思的东西。


胡克本人后来也是在牛津大学读书,然后在牛津大学做老师。这是第一个故事。


目前在教科书上还没有出现的一个结构,这个结构的名字叫细胞蛇。这个词英文是源自希腊语,cell的意思是细胞,Cytoophidia是蛇的意思。这个单词你看到的目前是复数,如果是单数的话,最后的dia要变成dium,这是单数。


在这个结构里面,我们发现有个重要的酶——CTP合成酶。这个反应式中,这个CTP叫CTP核酶或者叫CTP核脂酶,它是催化、代谢,是个非常重要的一个核苷酸。


我们身体内DNA很长,RNA也很长,但有四种基本的核苷酸。ATP、CTP、GTP、UTP。


线粒体里面就制造ATP,ATP是提供能量的载体,身体的很多反应是需要ATP的。每一天ATP在你身上周转的速度是可以相当于体重那么多。可以想象一下,这是个天文数量的计量。


GTP是同样的,也是作为RNA的基本组成部分,同时它也是能量载体。所以很多反应跟它有关系,所以CTP核酶被研究得非常的透。


在生物化学的教科书上,CTP核酶作为一个教科书范例来讲,酶和底物是怎么作用的,所以这是非常重要的酶。但是生物化学研究的一个主要的特点是把细胞打破了。


在细胞里面,细胞没有打破时是长什么样子的?我们喝咖啡的时候,经常会有个小东西,那就是果蝇,它的蛋白比较高的,或者是水果摊也会看到很多,它跟我们日常的家蝇是很类似的。它不是昆虫,有六条腿,也应该有两对翅膀,但是这一类后面的那些翅膀就变成平衡棒,所以叫双翅目。


为什么用它做研究?因为它跟我们很不一样。人从小孩到成年大概18岁,有人可能到了28岁还没成熟,但是果蝇从蛋到成虫只要十天时间。我们成年人或者是发育期的女性,每一个月大概排卵一到两个。果蝇是每半小时排卵一个,一天就排卵48个,所以它产量非常高,这也是为什么我用果蝇做实验。所以果蝇被遗传学、发育生物学做了非常好的一个模型。


果蝇腹部有一对卵巢卵管,就是这个卵巢,我们叫做像手一样,每根手指就相当于我们叫的卵巢管。这里面有很多细胞类型,但是主要有三种,一种是绿色的,我们叫体细胞,叫滤泡细胞,还有里面有16个生殖细胞,15个是叫nursing cell,就是护理细胞,就像提供营养RNA,还有蛋白质给洛美细胞。


所以我们现在看看CTP在果蝇的生殖系统长得什么样子,这里看到就是这个,CTP是绿色的,CTP核酶是绿色的,然后紫红色的是滤泡细胞的细胞核。所以你看到每一个细胞里面都有一根这种像杆状的结构。


这个是在2007年,我在牛津大学建实验室的时候,在一个偶然的情况下面发现了这个现象。所以当时很兴奋,觉得好像发现了一个跟纤毛一样的结构。


纤毛也是细胞器,直到最近一二十年才发现纤毛非常重要。但是后来,大概十年前,我花了两年多时间后发现它不是纤毛,所以一度非常沮丧,就不想做这个实验了。


2010年的元月份,我的一个同事就说,你最近有什么发现,我就跟他讲,我发现了个什么东西,我以为是纤毛,结果不是,所以就蛮沮丧的。他就说,你应该给它取个名字,所以在他的启发下,因为一杯咖啡启发下,我们最后决定给它取了个新的名字。


在生殖细胞里面,它里面有特别长的,还有特别小的那种,成千上万这种结构,这是在光学显微镜下能够看到的。所以我们最后把特别大的变化叫macro-cytoophidia,就是大的细胞蛇。那小的叫micro-cytoophidia,较小的细胞蛇。


当时就觉得这个可能是果蝇的。因为它雌性生殖系统那么能下蛋,是不是因为跟磁性的果蝇特别相关,所以我当时就提出一个猜测,这个东西是在雌性果蝇里面独一无二的。


猜测很快被证实是错误的。因为我打开果蝇的别的组织解剖就发现,在它的大脑、气管、肠道里面都有这个结构。最后我在2010年的5月份把这文章发表了。当时就说,我在果蝇里面发现一种像蛇一样的结构,所以我们决定给它取名叫细胞蛇。


这是在2010年5月初,当时投稿到一个杂志,审稿人觉得这个文章挺有意思的,所以不用修改,直接发表。这是目前为止我发表的所有文章里面速度最快的,而且是唯一的一个不用修改的文章,我也比较开心。


过了两个月,在2010年的7月份,在另外一个杂志叫《nature》,也是蛮好的一个杂志,普林斯顿大学的一个实验室发现在细菌里面,Cytoophidium就是CTP核酶也能形成这样的结构。


又过了一个月,加州大学圣地亚哥分校一个实验室发现,在我们平时做啤酒的酵母菌里面,CTP合成酶也能形成这个结构。


所以那年夏天有个北大的一个三年级的本科生到我实验室做实习,我说你看看人的细胞里面有没有?所以他花了三个月之后,发现人的细胞里面也有,所以我们第二年把文章发出来了。


头一年在佛罗里达大学的Marty Cohn实验室独立发表同样的结果,所以这五篇文章在两年之内都说明什么呢?说明细胞蛇是个非常保守的结构。


我们的地球有46亿年,生命是在38亿年前出现。原核生物也就是细菌和真核生物包括我们人,是在30亿年以前就已经分开了。但是他们的细胞经过风吹雨打,30亿年还一直存在,就说明这细胞蛇是一个非常古老的结构。


在我们的身体里面存在了非常多的细胞蛇,我们现在不知道确切的数量。但是非常多的细胞蛇存在这么久,默默在奉献。所以我们认为它一定是做了很多非常根本的工作。


所以从那时开始,我的实验室就以细胞蛇为主题,开始研究关于细胞蛇的结构和功能。


2010年《nature》杂志,他们也专门写了一篇综述,就是一篇新闻,就讲这细胞蛇是个很有意思的一个现象,它讲了五个结构,细胞蛇是其中之一。《细胞》杂志还有个细胞图片秀,他觉得这个图片挺有意思的,也邀请我发表在那里。


我要特别感谢这位老先生,这是我在牛津大学刚刚建实验室的时候,这个老先生是我的导师,他从美国赶过去的,这边是我三个学生。这个老先生现在92岁,我上个月去看他的时候,他还在自己亲手在做实验,所以他一直是我的楷模。


另外我也感谢我现在所在的上海科技大学,我是三年前加入的上海科技大学,这是我们的课题组,现在他们90%的人都在做细胞蛇的研究工作。


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