生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)：追溯生命衰老之“端”

孫　滔　呂　靜

諾獎(jiǎng)2009女性的勝利

10月12日,隨著諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎(jiǎng)的誕生,2009年度諾貝爾獎(jiǎng)創(chuàng)造了女性得主的一個(gè)紀(jì)錄——達(dá)到了前所未有的5位之多。尤其引人注目的是,來(lái)自印第安納大學(xué)的奧斯特羅姆是諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎(jiǎng)設(shè)立41年來(lái)(1969年設(shè)立)首位女性得主;布萊克本和格雷德師生兩位女性同時(shí)獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

此外,以色列科學(xué)家阿達(dá)?約納特獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng),德國(guó)女作家赫塔?米勒獲得諾貝爾文學(xué)獎(jiǎng)。

在諾貝爾獎(jiǎng)百余年的歷史上,截至2008年,共有789位獲獎(jiǎng)?wù)?其中只有35位女性,所占比例不到獲獎(jiǎng)總?cè)藬?shù)的5%。她們所獲獎(jiǎng)項(xiàng)主要集中在和平獎(jiǎng)、文學(xué)獎(jiǎng)及生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)三個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng),人數(shù)分別為12位、11位和8位。

或許,5位女性同登諾貝爾殿堂只是一個(gè)偶然,但我們期望,這個(gè)偶然能夠進(jìn)一步激勵(lì)更多女性進(jìn)入科學(xué)領(lǐng)域。

端粒和端粒酶領(lǐng)域的一系列發(fā)現(xiàn)貫穿著“發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象/問(wèn)題”→“提出概念/模型”→“實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”的思路,這個(gè)思路對(duì)科學(xué)工作者的啟發(fā)意義不言而喻

一種叫做嗜熱四膜蟲的單細(xì)胞真核生物,讓3位科學(xué)家獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。

10月5日,瑞典諾貝爾基金會(huì)宣布,2009年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予加州大學(xué)舊金山分校伊麗莎白?布萊克本、約翰?霍普金斯大學(xué)卡羅爾?格雷德以及哈佛大學(xué)杰克?紹斯塔克等3位美國(guó)人,他們的成就是發(fā)現(xiàn)了“端粒和端粒酶是如何保護(hù)染色體的”。這是一種防止遺傳信息隨著年齡增長(zhǎng)而丟失的一種生物守護(hù)機(jī)制。

在北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授饒毅2002年寫就的文章中,就已經(jīng)有對(duì)該項(xiàng)研究的價(jià)值判斷,認(rèn)為這是值得拿到諾貝爾獎(jiǎng)的研究。他還介紹說(shuō),中國(guó)復(fù)旦的留學(xué)生于國(guó)良也曾參與那里的早期一些工作。

不過(guò)饒毅強(qiáng)調(diào),他不是在預(yù)測(cè)得獎(jiǎng),而是列出他認(rèn)為值得得獎(jiǎng)的研究工作。按照饒毅說(shuō)法,“能做這樣預(yù)計(jì)的人成百上千,因?yàn)檫@是評(píng)價(jià)已經(jīng)做出的研究?！边@正說(shuō)明,這個(gè)領(lǐng)域的研究獲獎(jiǎng)也是生命科學(xué)界眾望所歸的結(jié)果。

前人的鋪墊和留下的問(wèn)題

組成我們身體的每個(gè)細(xì)胞中都包含整個(gè)的基因組DNA,這生命的藍(lán)圖,是包裹在染色體中的。每次當(dāng)我們的細(xì)胞一分為二,形成新的細(xì)胞,其染色體必須完全復(fù)制,使每一個(gè)新細(xì)胞都得到準(zhǔn)確的藍(lán)圖副本。

早在20世紀(jì)30年代,赫爾曼?繆勒(Hermann Muller ,1946年諾貝爾獎(jiǎng)得主)就和巴巴拉?麥克林托克(Barbara McClintock ,即那位因發(fā)現(xiàn)玉米轉(zhuǎn)座子而聞名的老太太,1983年諾貝爾獎(jiǎng)得主)就觀察到染色體末端所謂端粒的結(jié)構(gòu),似乎可以防止染色體互相纏繞,他們懷疑端?？赡軐?duì)染色體有保護(hù)作用,但是,它如何運(yùn)作一直是個(gè)謎。

——攜帶我們基因的長(zhǎng)線形DNA分子排列在染色體中,端粒就是染色體末端的帽。

在20世紀(jì)50年代,當(dāng)科學(xué)家開始了解基因是如何被復(fù)制之時(shí),另一個(gè)問(wèn)題出現(xiàn)了。當(dāng)一個(gè)細(xì)胞將要分裂的時(shí)候,DNA分子上的堿基一個(gè)一個(gè)地復(fù)制。然而, DNA鏈的末端卻不能復(fù)制。于是從理論上來(lái)說(shuō),細(xì)胞每分裂一次,染色體就會(huì)變短一點(diǎn),這樣DNA會(huì)越來(lái)越短。但通常事實(shí)并非如此。于是,對(duì)于生命遺傳過(guò)程中如何能夠保持遺傳物質(zhì)完整性的研究成為一個(gè)重要課題。

1961年,科學(xué)家又發(fā)現(xiàn),多數(shù)生物細(xì)胞的增殖能力不是無(wú)限的,而是有一定的界限,當(dāng)端粒長(zhǎng)度減小到一定程度,就會(huì)促發(fā)細(xì)胞衰老、死亡。這個(gè)結(jié)論被稱為Hayflick界限說(shuō)——這是我們的生命有限的原因。

其機(jī)理又成為一個(gè)新的問(wèn)題。

端粒作用的發(fā)現(xiàn)

布萊克本在其研究生涯的早期是從事DNA的排序工作。1975年布萊克本從劍橋大學(xué)桑格實(shí)驗(yàn)室獲得分子生物學(xué)博士學(xué)位后來(lái)到美國(guó)耶魯大學(xué)進(jìn)行博士后研究, 而當(dāng)時(shí)其實(shí)驗(yàn)室的高爾教授正以一種體長(zhǎng)40?60微米的原生動(dòng)物——四膜蟲為模式生物,研究其核糖體的基因。

1978年,布萊克本在四膜蟲核糖體DNA分子末端結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn),其末端均含有大量的重復(fù)片段,該末端富含大約50個(gè)串聯(lián)重復(fù)的六核昔酸(CCCCAA)。但當(dāng)時(shí)她還不清楚這意味著什么。

這個(gè)時(shí)候,紹斯塔克剛剛走出著名基因工程學(xué)家吳瑞的實(shí)驗(yàn)室,他正試圖在釀酒酵母中建構(gòu)人工線性染色體,讓它能夠在細(xì)胞中像自然染色體一樣復(fù)制。但當(dāng)他將這種迷你染色體植入酵母細(xì)胞時(shí),它會(huì)在復(fù)制過(guò)程中迅速退化——正如此前簡(jiǎn)單觀測(cè)得到的理論所預(yù)示,沒(méi)有染色體末端的復(fù)制機(jī)制,每次細(xì)胞分裂和復(fù)制其遺傳物質(zhì),DNA鏈都會(huì)變短,最終退化。

1980年,在聽(tīng)了一次布萊克本的報(bào)告之后,紹斯塔克博士決定參與到布萊克本的工作中來(lái)。他在猜想,如果將布萊克本發(fā)現(xiàn)的這種重復(fù)序列注入到酵母細(xì)胞內(nèi),會(huì)發(fā)生什么。

二人決定做一個(gè)跨越物種邊界的實(shí)驗(yàn),布萊克本用四膜蟲的DNA分離出CCCCAA序列,紹斯塔克將其整合到人工迷你染色體上,并將其放回酵母細(xì)胞內(nèi)。1982年發(fā)表的研究結(jié)果引起轟動(dòng)——這些DNA末端重復(fù)序列,即端粒DNA序列,能防止迷你DNA退化。

由于端粒DNA來(lái)自四膜蟲這種生物,卻會(huì)保護(hù)完全不同的生物酵母的染色體,這就證明存在一種前所未知的基本機(jī)制。隨后,這一問(wèn)題逐漸明朗,有著特有序列的端粒DNA存在于從原生生物到高等動(dòng)物人類的絕大多數(shù)生物體身上,如1988年發(fā)現(xiàn)了人類端粒重復(fù)序列為TTAGGG。

紹斯塔克參與的這部分工作的意義不僅限于紹斯塔克人工染色體想法的實(shí)現(xiàn),這還使DNA的大片段克隆成為可能,后來(lái)為人類基因組測(cè)序的工作立下了汗馬功勞。正在美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院(NIH)作博士后工作的廖新化博士認(rèn)為,這也是紹斯塔克分享這次諾貝爾獎(jiǎng)的重要原因之一。

師生合作做出偉大發(fā)現(xiàn)

但科學(xué)家此時(shí)僅僅只是摸著了端粒的尾巴。

布萊克本并不清楚這些重復(fù)序列是如何加到染色體末端的,因?yàn)閹е哪はx端粒DNA的人工染色體導(dǎo)入到酵母后,被加上了酵母的端粒而不是四膜蟲的端粒序列。她推測(cè)可能有兩種機(jī)制:一是端粒序列由重組而來(lái);另一種可能則是這些序列在體內(nèi)被合成。而后者中,如果有一種酶來(lái)參與合成過(guò)程的話,這個(gè)假設(shè)將更具有說(shuō)服力。

這個(gè)黑匣子的打開一直等到格雷德德到來(lái)。

格雷德目前在巴爾的摩的約翰?霍普金斯大學(xué),她是在做布萊克本的研究生時(shí),和布萊克本一起發(fā)現(xiàn)了端粒酶,1984年的圣誕節(jié),格雷德在細(xì)胞提取物中第一次發(fā)現(xiàn)了酶活動(dòng)跡象。接著,她和導(dǎo)師一起純化提取物,結(jié)果表明其由RNA和蛋白質(zhì)組成。她們將分離出的物質(zhì)稱為端粒酶。

端粒酶可以延長(zhǎng)端粒DNA,提供復(fù)制整條染色體的平臺(tái),使DNA復(fù)制不會(huì)錯(cuò)過(guò)最后部分染色體的整個(gè)長(zhǎng)度。

“讓一個(gè)研究生參加如此困難、少為人知的項(xiàng)目需要相當(dāng)?shù)哪懽R(shí),”美國(guó)國(guó)家總醫(yī)學(xué)科學(xué)研究所所長(zhǎng)杰里米?伯格(Jeremy Berg)說(shuō),但是,格雷德帶著對(duì)科學(xué)的熱忱,又“充滿了激情、精力和知識(shí)等成功所必備的品質(zhì)”,伯格贊道,“就算在全A的學(xué)生中,她也是出類拔萃的?！?/p>

1985年,兩位女性——格雷德和其導(dǎo)師布萊克本一道,把這項(xiàng)結(jié)果發(fā)表在了《細(xì)胞》(Cell)雜志上。

對(duì)衰老、癌癥和干細(xì)胞的解釋

格雷德在一個(gè)新聞發(fā)布會(huì)上說(shuō):諾貝爾獎(jiǎng)“是頌揚(yáng)基本的、好奇心驅(qū)使的科學(xué),當(dāng)時(shí),我們并不知道這對(duì)某種特定疾病有什么影響”。

但事實(shí)上,布萊克本、格雷德和紹斯塔克的發(fā)現(xiàn),增加了我們對(duì)細(xì)胞的認(rèn)識(shí)新層面,揭示疾病發(fā)病機(jī)制的情況,并刺激了潛在的新療法的開發(fā)。許多科學(xué)家猜測(cè),不僅是個(gè)別細(xì)胞,當(dāng)生物作為一個(gè)整體時(shí),端粒縮短也可能是衰老的原因。在多數(shù)體細(xì)胞中,老年個(gè)體的端粒長(zhǎng)度較年輕個(gè)體短得多,某些細(xì)胞,如T、B 淋巴細(xì)胞中的端粒酶活性隨年齡的增加而下降。

端粒對(duì)某些罕見(jiàn)的遺傳病和癌癥的認(rèn)識(shí)非常重要。經(jīng)過(guò)50次分裂,絕大多數(shù)人類細(xì)胞的端粒酶都會(huì)關(guān)閉,當(dāng)染色體被蠶食到一定程度就會(huì)阻止細(xì)胞分裂,或引發(fā)細(xì)胞自殺。而在干細(xì)胞中,端粒酶則一直保持活躍。

大部分正常的細(xì)胞不會(huì)頻繁分裂,也并不需要很高的端粒酶活性。相反,癌細(xì)胞具有無(wú)限分裂且維持端粒的能力。那么,它們是如何避免細(xì)胞衰老的呢?一種日漸顯然的解釋發(fā)現(xiàn),癌細(xì)胞往往(大約有85%)會(huì)增加端粒酶活性。因此,有人建議,癌癥可能會(huì)用消除或者抑制端粒酶的辦法治療。這一領(lǐng)域正在進(jìn)行一些研究,包括直接防止提高細(xì)胞端粒酶活性疫苗評(píng)估的臨床試驗(yàn)。

一些遺傳性疾病,目前已知是由端粒酶缺陷引起,包括某些先天性再生障礙性貧血,是骨髓干細(xì)胞的細(xì)胞分裂不足導(dǎo)致的嚴(yán)重貧血。某些皮膚和肺部的遺傳性疾病也是由端粒酶缺陷而引起的。

但是,衰老的過(guò)程非常復(fù)雜,現(xiàn)在認(rèn)為取決于一些不同的原因,端粒只是原因之一。廖新化稱,端粒與端粒酶的發(fā)現(xiàn)只是衰老和癌癥的correlator(相關(guān)者),勉強(qiáng)算得上indicator(指示者),還遠(yuǎn)不是causer(引起者)。

端粒和端粒酶的發(fā)現(xiàn)過(guò)程即成為了生物學(xué)研究史上的經(jīng)典案例。廖新化認(rèn)為,端粒和端粒酶領(lǐng)域的一系列發(fā)現(xiàn)貫穿著“發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象/問(wèn)題”→“提出概念/模型”→“實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”的思路,這個(gè)思路對(duì)科學(xué)工作者的啟發(fā)意義不言而喻。

值得注意的是,這還是第一次有兩位女性科學(xué)家同時(shí)獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。從獎(jiǎng)單項(xiàng)來(lái)看,此前有192人獲獎(jiǎng),其中女性只有8位,占4.17%。如果加上今年獲獎(jiǎng)的兩人,則比例為5.13%。 ★