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细胞协奏曲——凭借昆虫卵子颠覆进化理论的生物学家

Jul 09, 2019 No Comments

Cassandra Extavour1

Cassandra Extavour


Cassandra Extavour改变了研究人员对动物发育的理解。她既是多样性的捍卫者,也是兼职女高音。

到1998年春天,Cassandra Extavour已经延毕两年了,但还是未拿到博士学位。Extavour从家乡多伦多搬到了马德里的一个开创性实验室,在那里她试图对果蝇的卵子进行基因修饰,使其由两种不同的基因构成。但是她一再受挫,实验室里也没有人能给与帮助。如果她在未来几个月内仍然无法完成果蝇卵子的基因编辑,那么她将不得不退出该项目。

当她和导师坐在一起回顾她做过的几十次不成功的测试时,他们想出了最后一个策略,使用另一种基因突变体改造果蝇。尽管导师向她保证,这种基因突变不会有任何不良影响,但无法提供数据来支持这一说法。即使时间不多了,Extavour也不愿意盲目接受导师的意见。她开始了长达数月的一系列实验,以证明导师的理论。在这个过程中,她开发了自己的工具,并提出了一个没有前人提到过的问题。

二十年后,Extavour在调查动物发育的一些最基本方面时,仍在追求原创研究问题和推翻惯例。在她位于哈佛大学(Harvard University)的实验室中,Extavour想要了解单细胞实体在进化过程中如何发育成多细胞生物,以及具有相同基因蓝图的细胞如何发育成拥有不同功能的多种细胞组成的生物体。

Extavour的好奇心和严谨的思维使她在一些情况下反驳了被广泛接受的关于发育和进化的假设。她颠覆了大多数动物如何产生卵子和精子前体的领先理论。在近日发表在《自然》(Nature)上的一篇论文中,她和她的团队解决了一个关于昆虫卵子惊人多样性的长期问题。

就像一个管弦乐队能演奏出美妙的协奏曲一样,一套精心平衡的基因控制着一个生物体的形式和功能。Extavour比大多数人更能欣赏这一点:她不仅是个科学家,同时也是个女高音。即使在改写科学教义的同时,她也在波士顿的专业合奏团演出,并时不时在从加拿大到西班牙的歌剧和合唱团中客串。

虽然大多数研究人员只使用少数经过充分研究的动物,例如果蝇和小鼠,但Extavour的成功则来自于她对相对冷门的模式生物——例如沙蚤和蟋蟀——的喜爱。由于典型的模式生物仅具有自然界中发现的多样性的一小部分,因此除了常见的模式生物之外,她还研究了各种动物,这些动物有助于揭示最常用的遗传工具。

Extavour还成为了多元化和包容性的捍卫者。作为一名同性恋黑人女性科学家,她饱受种族歧视和偏见。即使在成为终身教授之后,她仍然受到诸多质疑。她花时间指导来自代表性不足群体的学生,并帮助建立了泛美进化发育生物学学会(Pan-American Society of Evolutionary Developmental Biology)。该学会将美洲各地的数百名研究人员联合了起来。

博后期间曾和Extavour合作过,现在是维也纳复杂性科学中心(Complexity Science Hub)的进化系统生物学家的Johannes Jäger指出,虽然时间很紧,但对于Extavour来说,一切似乎都是可能的。她的一切都是非典型:她的背景,她是如何进入科学的。她的研究方法正在带来好处,她使用了一系列非常不同寻常的生物,她打破了传统,而且她成功了。

 

和谐的开端

从小,Extavour就与音乐结下不解之缘。科学则来得晚得多,甚至几乎是偶然的。

她的父亲在20世纪60年代从特立尼达和多巴哥搬到加拿大,是一名广播技术员和打击乐手。他曾在多伦多市中心的三居室地下室和他的四个孩子一起参加音乐会,并在他们的地下室练习。Extavour演奏的第一个乐器是钢鼓。在小学时,她学会了读谱并自学吹奏长笛,并借阅图书馆的乐谱。在大学里,Extavour在管弦乐队和二重奏中演奏,并开始演奏古典歌曲。Extavour唯一明确的职业目标是成为一名音乐家。

随后一位高中朋友燃起了她对大脑科学的兴趣。在她的本科学习结束时,她对分子遗传学产生了浓厚的兴趣。在多伦多大学,Extavour学习了科学和音乐知识,与巴洛克管弦乐队一起完成了她的第一次专业演唱会,并担任了发育生物学家Joseph Culotti的行政助理。在那里,Extavour第一次听到了她之后的研究核心问题——基因如何控制生物的生长和发育。

第二年夏天,她回到了Culotti的实验室,这次是以研究实习生的身份进去的。由于喜欢研究工作,且在科研上颇具才华,她决定继续研究生工作,并保留了演出的习惯。

在马德里攻读博士学位期间,Extavour在工程化果蝇的尝试中屡战屡败。但这不是她面临的唯一挑战。虽然她的导师待她与其他人并没有什么两样,但她觉得自己作为实验室第一位,也是唯一一位女性,受到了孤立。

这种局外人的感受她早已习惯。Extavour的父亲曾在多伦多工作时,作为为数不多的黑人雇员之一就曾遭到过歧视,这有助于培养她的适应能力。每当有人对她发表种族主义或歧视性评论时,她都会打电话给爸爸。爸爸会提醒Extavour,不能让那些东西阻止自己想做的事情。

但她想做的事情仍在不断变化。在她的博士学位即将结束时,Extavour考虑将研究放在一边并全职演唱。她认为,在一天结束时,她为人们表演的感觉可能比她在发现新事物时的感觉更好。

但她最终决定去英国剑桥大学(University of Cambridge)的动物学家和胚胎学家Michael Akam的实验室做博士后。在那里,她开始研究决定生殖细胞命运的机制——卵子和精子的前体——如何在动物体内进化。但首先,Akam指出,Extavour整理了他的实验室空间,并创建了详尽的试剂列表。她让每个人都能做得更好。Extavour也是一个非常严谨的思想家。在会议期间,如果有人拿出了不严谨的数据,Extavour会毫不犹豫地提出质疑。

在剑桥大学期间,Extavour写了一篇论文,该论文颠覆了发育生物学中一个被广泛接受的假设。流行的理论认为,大多数动物在发育早期形成了生殖细胞,这要归功于母亲遗传的分子。流行的模式生物,包括果蝇和线虫,都以这种方式产生它们的生殖细胞。一个值得注意的例外是小鼠。小鼠体内生殖细胞是发育后期形成的,信号诱导一些胚胎细胞迈出成为雌性卵子和雄性精子的第一步。

为了理解更广泛的情况,Extavour开始对现有数据进行首次审查,这些数据涉及从水母到海龟等各种生物中生殖细胞形成的机制。她阅读了1000多篇关于生殖细胞的学术论文,在近300篇论文中,她找到了关于细胞起源的相关信息,这使她得出结论,最常见的形成方法——可能是进化论中最古老的方法——在小鼠身上看到的过程。

加拿大蒙特利尔麦吉尔大学(McGill University)的进化生物学家Ehab Abouheif评价道,该论文激发了对生殖细胞如何在各种动物中进化的兴趣,并有助于推动“evo-devo”社区——一个对进化和发育规则感兴趣的科学家网络。从那时起,Extavour培育了一系列不同寻常的模式生物,如海葵和海胆——这种比较方法成为她研究的核心。

Cassandra Extavour2

1990年Cassandra Extravour在实验台边。

 

Evo-devo社群

Extavour于2007年搬到哈佛大学开办自己的实验室,研究生殖系统的演变和发展。在过去的12年中,她分析了指导生殖细胞在各种动物中形成的遗传机制,利用它们来研究细胞在给定相同起始材料的情况下如何分化成不同的类型。

在2014年和2016年,她的团队研究了蟋蟀中生殖细胞的起源,发现触发卵子或精子细胞发育的分子信使与小鼠中观察到的是一样的。这一发现支持了这样一种观点,即信号系统是古老的,遗传自小鼠和蟋蟀的最后的、共同的祖先,这种祖先存在于5亿多年前。

Extavour正在研究蟋蟀Gryllus bimaculatus,以研究其基因如何促进发育,并随着时间的推移而发生变化。她的一位研究生发现,蟋蟀的基因组中含有一种和果蝇oskar基因等价的基因,它对生殖细胞的产生至关重要,被认为是一种进化上“年轻”的基因。

在蟋蟀的基因组中找到一个等价的oskar表明该基因实际上相当古老,因为在进化过程中,蟋蟀比果蝇更早地从大多数其他昆虫中独立出来。她怀疑oskar在进化早期可能调控昆虫的大脑和神经系统的发育,后来才成为调控发育生殖细胞的重要因素。

Abouheif表示,这是一个有影响力的发现。了解oskar基因如何被重新利用,可以揭示基因如何进化并为新的发育过程做出贡献。

Extavour还使用她的标志性方法(新的和现有的数据)重新审视了进化原则。在近期《自然》(Nature)杂志上发表的一项研究中,她的团队对昆虫卵的形状和大小随时间变化的长期假设提出了挑战。

所有的昆虫卵都具有相同的功能——为发育中的虫子提供保护和提供能量——但它们各种各样的形状和大小让生物学家困惑了几个世纪。有些人认为,这些特征与成年动物的大小或胚胎发育的时间有关。但Extavour认为,没有全面的研究测试过这些想法。

因此,她和她的团队搜索了科学文献,并创建了一个包含超过10,000种昆虫卵的描述的数据库,发现卵的形状从完美的球形到香蕉形,并且尺寸变化也很大:有的比灰尘还小,有的则像蓝莓那么大。

研究人员努力寻找卵形状和大小与许多昆虫特征之间的联系,包括昆虫产卵的地方以及受精卵变成幼虫所需的时间。这个分析让人震惊:卵的形状和大小的演变很大程度上取决于卵的放置位置。放在水中的卵通常是小而球形的;储存在另一种动物体内的那些卵也很小,但往往形状奇特。

华盛顿州立大学(Washington State University)普尔曼分校的昆虫生理学家和进化生物学家Laura Lavine指出,这项研究结果挑战了卵大小与成年体型相关的旧假设。Lavine表示,许多科学家认为故事到此为止。现在故事从这项研究开始。了解卵如何根据环境做出变化可以揭示动物如何生长和进化的一些主要限制因素。

最终,Extavour希望她的任务是仔细检查昆虫的卵、胚胎和生殖系统,这将有助于她了解控制第一个多细胞生物进化的规则。她指出,研究为什么具有相同DNA的细胞在不同的环境中做出不同的事情——哪些程序创造精子细胞,或控制卵的大小——可以帮助解决这个难题。哈佛大学为解决这些问题,投资1000万美元设立了一个新的研究中心,Extavour共同领导该研究中心。

许多人都在期待Extavour的下一次突破。康涅狄格州纽黑文市耶鲁大学(Yale University)的进化生物学家Casey Dunn指出,Extavour是一位深刻的进化思想家,但她也做出实际行动,解决了发育相关的一些细节问题。

 

多样性捍卫者

2013年11月,Extavour不得不举办一场重要的研讨会——这是她申请哈佛大学终身教职的最后一个障碍。在展示她的科学成就之前,Extavour提醒观众,直到19世纪70年代末,女性才能到哈佛接受教育,100多年后她们才能和男性一样拿到哈佛大学的学位。如果不是这样,Extavour今天不会在这里。

加州大学(University of California)戴维斯分校的生物学家、当时是Extavour小组的博士生的Didem Sarikaya表示,很少人会关注自己所在机构的不光彩的历史。但Extavour长期以来一直都会站出来代表和支持科学界那些被排斥的人。哈佛大学的本科生、哈佛大学黑人科学家和工程师学会会长Rahel Imru指出,黑人科学家和工程师经常觉得没有归属感,Extravour经常指导该学会的成员。

Extavour表示,与黑人学生互动对她自己也很重要。在她的生活中,种族主义是始终存在的。在会议上,人们要求她倒咖啡,当她最近出现在哈佛一栋大楼门口参加商务晚宴时,一名保安人员以为她是晚餐服务员,让她站在服务区入口。

Extavour还指出,音乐给了她一些安慰,但她的朋友和家人绝对是至关重要的。Extavour的妻子,也是一名黑人女性,是一个宝贵的支持来源。

Extavour在她的博士后期间没有告诉同事她的性取向,她说她可以想象那些以女同性恋、男同性恋、双性恋、变性或酷儿(queer)形象出现的学生可能会被孤立。她办公室和实验室门上的彩虹旗贴纸旨在告诉学生,她欢迎每个人。她还指出,出去工作非常重要,因为它让年轻人知道,同性恋也能有工作,也能活得好好的。

Extavour从她的家人那里学习到,她不应该让别人的偏见定义她能做什么,不能做什么;他们也激励她为自己应该做的事情制定自己的标准。了解她的人说Extavour的目标很高。Dunn就指出,Extavour虽仰望星空,但脚踏实地。

 


原文检索:
Giorgia Guglielmi. (2019) The biologist using insect eggs to overturn evolutionary doctrine. Nature, 571: 24-26.
张洁/编译

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