这种虫子突变之后,竟能掌握人类长寿的秘诀

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从古至今，人类对于长生不老都十分向往，秀丽隐杆线虫的成虫只有一毫米，它们不仅存在雌雄同体的形态，而且生命周期非常短，因此我们选择用线虫研究衰老。通过化学诱变产生基因突变的方式，我们发现有突变的虫子能够显著延长寿命，同时，适当地节食也可以有效防止衰老。用线虫研究衰老有哪些优势？我们怎么利用线虫研究代谢？出品：格致论道讲坛以下内容为北京大学分子医学研究所教授刘颖演讲实录：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叫做小虫子解决大问题。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，它们非常的复杂。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，我们恰恰是用一只只的小虫子，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TheFountainOfYouth，中文名是青春之泉。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。所以，我们人类一直向往着长生不老。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？为什么选择线虫研究衰老？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，我们一般常用的是圆形的，直径在几厘米到十几厘米的塑料培养皿。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的减少了。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，获得的研究成果，可能是能够应用到高等生物上的。如何利用线虫研究衰老？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，这是一种在英国非常常见的飞蛾。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

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