生理學或醫學獎：追溯生命衰老之“端”

孫　滔　呂　靜

諾獎2009女性的勝利

10月12日,隨著諾貝爾經濟學獎的誕生,2009年度諾貝爾獎創造了女性得主的一個紀錄——達到了前所未有的5位之多。尤其引人注目的是,來自印第安納大學的奧斯特羅姆是諾貝爾經濟學獎設立41年來(1969年設立)首位女性得主;布萊克本和格雷德師生兩位女性同時獲得諾貝爾生理學或醫學獎。

此外,以色列科學家阿達?約納特獲得了諾貝爾化學獎,德國女作家赫塔?米勒獲得諾貝爾文學獎。

在諾貝爾獎百余年的歷史上,截至2008年,共有789位獲獎者,其中只有35位女性,所占比例不到獲獎總人數的5%。她們所獲獎項主要集中在和平獎、文學獎及生理學或醫學獎三個獎項,人數分別為12位、11位和8位。

或許,5位女性同登諾貝爾殿堂只是一個偶然,但我們期望,這個偶然能夠進一步激勵更多女性進入科學領域。

端粒和端粒酶領域的一系列發現貫穿著“發現現象/問題”→“提出概念/模型”→“實驗驗證”的思路,這個思路對科學工作者的啟發意義不言而喻

一種叫做嗜熱四膜蟲的單細胞真核生物,讓3位科學家獲得了諾貝爾獎。

10月5日,瑞典諾貝爾基金會宣布,2009年諾貝爾生理學或醫學獎授予加州大學舊金山分校伊麗莎白?布萊克本、約翰?霍普金斯大學卡羅爾?格雷德以及哈佛大學杰克?紹斯塔克等3位美國人,他們的成就是發現了“端粒和端粒酶是如何保護染色體的”。這是一種防止遺傳信息隨著年齡增長而丟失的一種生物守護機制。

在北京大學生命科學學院教授饒毅2002年寫就的文章中,就已經有對該項研究的價值判斷,認為這是值得拿到諾貝爾獎的研究。他還介紹說,中國復旦的留學生于國良也曾參與那里的早期一些工作。

不過饒毅強調,他不是在預測得獎,而是列出他認為值得得獎的研究工作。按照饒毅說法,“能做這樣預計的人成百上千,因為這是評價已經做出的研究。”這正說明,這個領域的研究獲獎也是生命科學界眾望所歸的結果。

前人的鋪墊和留下的問題

組成我們身體的每個細胞中都包含整個的基因組DNA,這生命的藍圖,是包裹在染色體中的。每次當我們的細胞一分為二,形成新的細胞,其染色體必須完全復制,使每一個新細胞都得到準確的藍圖副本。

早在20世紀30年代,赫爾曼?繆勒(Hermann Muller ,1946年諾貝爾獎得主)就和巴巴拉?麥克林托克(Barbara McClintock ,即那位因發現玉米轉座子而聞名的老太太,1983年諾貝爾獎得主)就觀察到染色體末端所謂端粒的結構,似乎可以防止染色體互相纏繞,他們懷疑端粒可能對染色體有保護作用,但是,它如何運作一直是個謎。

——攜帶我們基因的長線形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50年代,當科學家開始了解基因是如何被復制之時,另一個問題出現了。當一個細胞將要分裂的時候,DNA分子上的堿基一個一個地復制。然而, DNA鏈的末端卻不能復制。于是從理論上來說,細胞每分裂一次,染色體就會變短一點,這樣DNA會越來越短。但通常事實并非如此。于是,對于生命遺傳過程中如何能夠保持遺傳物質完整性的研究成為一個重要課題。

1961年,科學家又發現,多數生物細胞的增殖能力不是無限的,而是有一定的界限,當端粒長度減小到一定程度,就會促發細胞衰老、死亡。這個結論被稱為Hayflick界限說——這是我們的生命有限的原因。

其機理又成為一個新的問題。

端粒作用的發現

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桑格實驗室獲得分子生物學博士學位后來到美國耶魯大學進行博士后研究, 而當時其實驗室的高爾教授正以一種體長40?60微米的原生動物——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分子末端結構中發現,其末端均含有大量的重復片段,該末端富含大約50個串聯重復的六核昔酸(CCCCAA)。但當時她還不清楚這意味著什么。

這個時候,紹斯塔克剛剛走出著名基因工程學家吳瑞的實驗室,他正試圖在釀酒酵母中建構人工線性染色體,讓它能夠在細胞中像自然染色體一樣復制。但當他將這種迷你染色體植入酵母細胞時,它會在復制過程中迅速退化——正如此前簡單觀測得到的理論所預示,沒有染色體末端的復制機制,每次細胞分裂和復制其遺傳物質,DNA鏈都會變短,最終退化。

1980年,在聽了一次布萊克本的報告之后,紹斯塔克博士決定參與到布萊克本的工作中來。他在猜想,如果將布萊克本發現的這種重復序列注入到酵母細胞內,會發生什么。

二人決定做一個跨越物種邊界的實驗,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,并將其放回酵母細胞內。1982年發表的研究結果引起轟動——這些DNA末端重復序列,即端粒DNA序列,能防止迷你DNA退化。

由于端粒DNA來自四膜蟲這種生物,卻會保護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制。隨后,這一問題逐漸明朗,有著特有序列的端粒DNA存在于從原生生物到高等動物人類的絕大多數生物體身上,如1988年發現了人類端粒重復序列為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現,這還使DNA的大片段克隆成為可能,后來為人類基因組測序的工作立下了汗馬功勞。正在美國國立衛生研究院(NIH)作博士后工作的廖新化博士認為,這也是紹斯塔克分享這次諾貝爾獎的重要原因之一。

師生合作做出偉大發現

但科學家此時僅僅只是摸著了端粒的尾巴。

布萊克本并不清楚這些重復序列是如何加到染色體末端的,因為帶著四膜蟲端粒DNA的人工染色體導入到酵母后,被加上了酵母的端粒而不是四膜蟲的端粒序列。她推測可能有兩種機制:一是端粒序列由重組而來;另一種可能則是這些序列在體內被合成。而后者中,如果有一種酶來參與合成過程的話,這個假設將更具有說服力。

這個黑匣子的打開一直等到格雷德德到來。

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

端粒酶可以延長端粒DNA,提供復制整條染色體的平臺,使DNA復制不會錯過最后部分染色體的整個長度。

“讓一個研究生參加如此困難、少為人知的項目需要相當的膽識,”美國國家總醫學科學研究所所長杰里米?伯格(Jeremy Berg)說,但是,格雷德帶著對科學的熱忱,又“充滿了激情、精力和知識等成功所必備的品質”,伯格贊道,“就算在全A的學生中,她也是出類拔萃的。”

1985年,兩位女性——格雷德和其導師布萊克本一道,把這項結果發表在了《細胞》(Cell)雜志上。

對衰老、癌癥和干細胞的解釋

格雷德在一個新聞發布會上說:諾貝爾獎“是頌揚基本的、好奇心驅使的科學,當時,我們并不知道這對某種特定疾病有什么影響”。

但事實上,布萊克本、格雷德和紹斯塔克的發現,增加了我們對細胞的認識新層面,揭示疾病發病機制的情況,并刺激了潛在的新療法的開發。許多科學家猜測,不僅是個別細胞,當生物作為一個整體時,端粒縮短也可能是衰老的原因。在多數體細胞中,老年個體的端粒長度較年輕個體短得多,某些細胞,如T、B 淋巴細胞中的端粒酶活性隨年齡的增加而下降。

端粒對某些罕見的遺傳病和癌癥的認識非常重要。經過50次分裂,絕大多數人類細胞的端粒酶都會關閉,當染色體被蠶食到一定程度就會阻止細胞分裂,或引發細胞自殺。而在干細胞中,端粒酶則一直保持活躍。

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

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,是骨髓干細胞的細胞分裂不足導致的嚴重貧血。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,衰老的過程非常復雜,現在認為取決于一些不同的原因,端粒只是原因之一。廖新化稱,端粒與端粒酶的發現只是衰老和癌癥的correlator(相關者),勉強算得上indicator(指示者),還遠不是causer(引起者)。

端粒和端粒酶的發現過程即成為了生物學研究史上的經典案例。廖新化認為,端粒和端粒酶領域的一系列發現貫穿著“發現現象/問題”→“提出概念/模型”→“實驗驗證”的思路,這個思路對科學工作者的啟發意義不言而喻。

值得注意的是,這還是第一次有兩位女性科學家同時獲得諾貝爾生理學或醫學獎。從獎單項來看,此前有192人獲獎,其中女性只有8位,占4.17%。如果加上今年獲獎的兩人,則比例為5.13%。 ★