作者:李晨  匡敏 来源: 中国科学报 发布时间:2023-6-1
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花十年用“笨办法”解开谜题

 

用《白蛇传》中的经典桥段比喻BTL2、BAK1与病原微生物的效应蛋白之间的关系。受访者供图

■本报记者 李晨 通讯员 匡敏

深夜,电脑屏幕依旧闪烁着,于晓正在反复确认一组数据。它来自《欧洲分子生物学学会杂志》(EMBO JOURNAL)上的一篇研究论文。

“那一刻,仿佛是一束光照进了我的心房!”于晓用“众里寻他千百度。蓦然回首,那人却在,灯火阑珊处”来形容当时内心的激动。

凭借这篇论文提供的线索,于晓的研究终于摆脱了4年的徘徊,步入正轨。6年后,已经成为华中农业大学教授的她,揭示了植物维持先天免疫系统稳态的新机制。

相关成果近日发表于《细胞》。审稿人评价说,该研究突破了人们对植物感知病原机制的认识,对理解植物免疫系统具有深刻意义。

从有点蒙到打通“任督二脉”

正如动物和人类具有免疫力一样,植物在长期演化过程中,也进化出一套免疫机制来保护自己免受病原体的侵害。

那么,植物免疫系统是如何工作的?这一直是科学家关注的热点问题,也是于晓2013年在华中农业大学教授姜道宏指导下完成博士期间的研究后选择“大干一场”的方向。她就此踏上了赴美国得州农工大学求学的征途。

然而,这场征途远比她想象的艰难。“跨领域”是于晓面临的第一个考验。

博士阶段,于晓主要从事有关植物病原真菌DNA病毒的特性及其应用的研究,而在得州农工大学植物病理学和微生物学系,她的研究方向转变为植物免疫信号转导和调控机制研究。

研究发现,在植物体内,稳定、高效的免疫反应确保植物抵抗病原微生物侵害,但过度的免疫反应会导致植物细胞凋亡。为了维持免疫系统的稳健性,植物演化出一系列监控机制。

科学家发现,植物体内的关键免疫组分BAK1及其同源蛋白SERK4发生突变后,植物便会激活更强烈的免疫反应,导致细胞凋亡。那么,植物体内有怎样的监测机制?

得州农工大学生物化学与生物物理系教授何平和单立波发现了端倪——真正发挥监控作用的也许是细胞膜表面的蛋白。他们筛选并鉴定到两个可以抑制BAK1/SERK4相关细胞死亡的拟南芥突变体,并将其命名为btl1和btl2。

2013年,加入该团队的于晓也开启了相关工作。但刚换研究方向的她,一时之间有点蒙。“尽管自己以前也研究植物,但这两个方向有着天壤之别。刚刚进入课题组时,从实验到专业术语,自己一窍不通,压力一下子就有了。”

不会实验,于晓就硬着头皮观察其他同学是如何做的,得空了就反复练习;文献看不懂,就一点点查阅资料,由点及面不断深究。那几年,她几乎从未在零点前离开过实验室。

凭借着这股子韧劲,于晓对现在的研究领域越来越熟悉。

“但真正入门是得益于2016至2017年间撰写了一篇关于植物先天免疫反应研究进展的综述文章。”于晓回忆说,经过对该研究领域近千篇代表性文献的系统梳理,她脑海中的信息逐渐融会贯通,相关研究理论、方法形成了一张条分缕析的网络,自己的“任督二脉”被打通了。

查文献找蛛丝马迹

有了积累,于晓更加坚定了突破的信心。

经过进一步探索,于晓发现,BTL2蛋白质的突变可以完全抑制BAK1/SERK4引起的细胞凋亡;而BTL2激酶过度表达时,植物会出现细胞凋亡现象。这说明植物细胞死亡的诱导能力依赖于BTL2激酶。

但BTL2与BAK1又有何关系?为了探明二者互作的机理,于晓推测,BTL2可能是与细胞外的小肽进行互作从而引发植物细胞免疫凋亡。顺着这一思路,于晓本想顺藤摸瓜顺利解码,但第二个考验来了。

尝试了几乎所有方法,这条路仍未能走通。经历长达一年半的探索后,于晓只能另辟蹊径。

辛苦工作却打了水漂儿,失落的同时,于晓压力倍增。“发现这条路走不通时,4年的时光已经过去,但这一课题还没有取得实质性进展,心理落差难以言喻。尽管脑海里有过一丝放弃的念头,但心里的不甘很快将这个念头打消了。”她说。

山重水复疑无路,柳暗花明又一村。于晓想到了一个“笨办法”——到相关文献中逐篇查阅原始数据,寻找蛛丝马迹。

想要在浩如烟海的公共数据库里把线索“揪出来”,无疑是对耐心和细心的双重考验。尽管每天深夜关上电脑时已是头晕眼花,但她依旧坚信,数据里一定能找到线索。

功夫不负有心人。查阅近百篇文献数据后,细心的于晓终于在一篇发表于EMBO JOURNAL杂志上的研究论文中发现了线索:当用损伤相关模式分子处理后,BAK1功能缺失突变体表现出过度的免疫反应及细胞凋亡现象。仔细研读原始数据后,她发现,在BAK1功能缺失后,BTL2出现了明显的蛋白量表达增加,这意味着BAK1与BTL2可能有着直接的关系。

这就是本文开头提到的那一幕。

经过进一步验证,于晓证实了这一猜想。伴随着这一进展的突破,相关研究步入了正轨。

用先进实验技术揭示新通路

2019年12月,于晓带着尚未完成的课题回到母校华中农业大学,成为农业微生物资源发掘与利用全国重点实验室、湖北洪山实验室的固定研究人员。彼时,该课题免疫机制的信号通路还有待进一步探索,但这些工作的完成有赖于先进的实验技术支撑。

于晓刚在学校安顿下来,她的研究就因新冠疫情的影响一度中断。

如何把已经发现的BTL1和BTL2信号元件联系起来,打通信号途径,是于晓面临的一大难题。因为BTL1编码的基因CNGC20是钙离子通道,其体外活性检测相当困难。

正在犯难时,于晓在一次学术活动中认识了华中农业大学生命科学技术学院专门从事植物离子通道蛋白研究的薛绍武教授。薛绍武团队可提供钙离子通道信号分析,这一消息让于晓喜出望外。双方经过一番头脑风暴后,研究很快往前推进。

博士后陈亚菲正是在这一阶段参与进来的。她说:“实验进展非常顺利,在薛绍武团队的帮助下,我们通过3次实验就拿到了预期的结果。”

新机制终于揭晓:当BAK1家族蛋白失活时,BTL2得以激活,进而激活钙离子通道CNGC19和CNGC20,触发强烈的免疫反应。

“这个过程就像《白蛇传》中‘水漫金山’的桥段。”于晓打趣说,“如果把BAK1比作许仙,将BTL2比作白娘子,将法海比作病原微生物的效应蛋白,那么三者之间的关系可以这样形容:法海将许仙藏在金山寺的法座后,白娘子为了营救夫君,使出浑身解数,最终导致水漫金山,一发不可收拾。”

信号通路总算走通了,于晓感到非常振奋。她带着博士生戚培培夜以继日奋战,同时与得州农工大学的合作者保持着密切沟通,进一步揭示了BTL2通过多个植物细胞因子受体互作,形成更为强大的免疫调控网络。后续的写稿、投稿、修改、补充数据等工作有条不紊地进行着。

就在前不久,长达10年的科研成果终于在《细胞》发表。

回望一路走来的10年,于晓心中百感交集:“这段科研经历让我更加坚信——坚持,是科研的唯一捷径。”

《中国科学报》 (2023-06-01 第1版 要闻)
 
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