操控细胞老化、成功延长酵母寿命

作者:孙宇晨 来源:www.5idf.cn 2020-09-06   阅读:


人类总是想尽办法想要常保青春,想要找回永恒的生命。近期研究发现,科学家能透过电脑模拟、基因工程来修改酵母的遗传物质DNA,让酵母走一条新的老化路线,成功让寿命可以变得很长。

先前研究细胞老化的焦点主要集中在遗传物质突变后如何改变生物寿命,以及找出相关的基因与其他重要因素,却对于细胞如何控制、调节老化的过程了解不多。为了更深入弄清楚细胞怎么决定走上不同的老化路线,美国加州大学圣地牙哥分校(University of California San Diego) 分子生物学与生物工程学的科学家运用单细胞摄影、延时摄影(time-lapse imaging )、微流控(microfluidics) 等新科技研究细胞老化过程所发生的细微改变。他们经过多年实验终于把细胞不同的老化路线辨识出来,发现细胞有一条主回路来控制老化的进行,与一般家庭控制家电的回路十分相似。

他们出乎意料之外发现,即使是遗传物质和环境都完全相同的酵母,老化的方式竟十分不同,据此成功找出酵母老化的两种路径。研究团队想知道控制老化的回路是否可行,透过电脑模拟、基因工程来修改酵母的遗传物质DNA,让酵母走一条新的老化路线,成功让寿命可以变得很长。

描绘细胞老化的蓝图

科学家之所以能够找出控制细胞老化的回路以及决定老化的路线,甚至修改老化的路线,让酵母的寿命变得更长,这都要归功于使用特殊的器材和新科技。研究细胞老化的常用材料,就是生活中随手可得用来做面食发酵的酵母,优点是构造简单、有细胞核、容易繁殖、观察。

酵母细胞老化是有计画的决策过程,而不是有害事件累积那样简单。传统上研究酵母细胞寿命的一大缺点就是十分花费精神体力、效率又不好,需要人工操作一次又一次把刚分裂出来的小酵母移开,也无法追踪细胞老化时的变化,以至于对细胞老化的了解始终非常有限。之前大都认为细胞老化是细胞内许多分子、构造损坏累积愈来愈多所造成。

细胞老化不但是有计画的决策过程,老化的路线还不只一条。细胞老化的两条路线一条是核仁路线(nucleolus) ,一半细胞老化是因为细胞核的核仁愈来愈不稳定,而核仁是蛋白质的上游工厂。另外一条是粒腺体(mitochondria) 路线,有另外一半细胞老化则是因为有细胞发电场之称、产生能量的粒腺体逐渐失去功能。有趣的是在细胞生命的早期就已经决定将来是透过粒腺体路线、还是核仁路线老化。

细胞核遗传物质结构不稳定与粒腺体减少,两种现象对细胞老化有重要的影响,虽然这方面已有不少研究,却仍然不清楚在细胞老化时,那一种才扮演决定性角色。科学家能够操控细胞老化、成功延长寿命是因为发现基因关闭与粒腺体路径不是独立发生,而是有交互作用,导致酵母在分裂、老化时会形成多重平衡状态。因此细胞需要早早决定老化路线,在分裂、老化时只会采取其中一种状态。这种计画性的老化照表操课,不会受到细胞内分子、构造、生理环境变化的影响。所以遗传与环境两者都会影响细胞决定老化路线,有细胞核的真核生物都有这种机制,包括人类。

科学家操控细胞老化、成功延长寿命的下一步,会把相同的模式运用在比较复杂的多细胞生物来做实验。研究多细胞生物比起单细胞的酵母难度更高,虽然有同样的基因,寿命长短却差很多。不同细胞会专门负责特殊的任务、细胞间还会分工合作、联络、交互作用等。希望有一天能够重新编写人类细胞老化的蓝图来延长寿命,同时也需要非常小心如何防止经过改造的长寿细胞有一天不受控制,如癌细胞原本都是人体的正常细胞,在病变之后不受控制不断分裂繁殖到处破坏。套用相同模式看似简单,仍然有许多挑战需要克服。

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