2018年拉斯克獎(Ⅰ)
——基礎醫學研究獎及醫學特殊成就獎

2018-10-23 10:48:26牛歡程杉丁衛

首都醫科大學學報 2018年5期

關鍵詞：研究

牛歡程杉丁衛

(首都醫科大學基礎醫學院生物化學與分子生物學系，北京 100069)

阿爾伯特·拉斯克(Albert Lasker)及其夫人瑪麗·沃(Mary Woodard Lasker)于1946年共同創立了拉斯克獎(Lasker Awards)。拉斯克獎在基礎研究、臨床研究、特殊成就和公共服務領域這四個領域頒發，迄今已成為美國最具聲望的生物醫學研究獎項，在醫學界素有“諾貝爾獎風向標”之稱。2018年9月11日，經過由世界各國杰出科學家組成的評審委員會評選，拉斯克基金會授予洛克菲勒大學的戴維·阿利斯(圖1)和加州大學洛杉磯分校的邁克爾·格倫斯坦(圖2)基礎醫學研究獎；授予耶魯大學的瓊·斯特恩茲(圖3)醫學特殊成就獎。

圖1 戴維·阿利斯(C. David Allis)[1]

圖2 邁克爾·格倫斯坦(Michael Grunstein)[1]

圖3 瓊·斯特恩茲(Joan A·Steitz)[2]

1 基礎醫學研究獎

在發現和闡明基因表達過程中組蛋白化學修飾的機制研究中，格倫斯坦和阿利斯分別作出了杰出的貢獻。格倫斯坦通過對酵母(Scerevisiae)進行遺傳研究，證實了組蛋白對細胞基因表達活化有顯著影響，并進一步為解析組蛋白中特定氨基酸在這一過程中發揮的作用奠定了關鍵的基礎；阿利斯發現了組蛋白乙酰轉移酶(histone acetyltransferase, HAT)，亦稱組蛋白乙酰化酶。這是一種能將乙酰基團與組蛋白中的賴氨酸殘基連接在一起的活性蛋白質，繼而又證明了組蛋白乙酰化酶的作用可表現為基因表達的協同激活劑。阿利斯和格倫斯坦的發現揭開了一種隱藏的基因控制層，使得此前生物化學研究中長期存在的困惑開始在真核生物的表觀遺傳水平逐步得到明確的解釋。

1.1 尋找研究組蛋白的適合模式生物

格倫斯坦于1970年來到加州大學洛杉磯分校工作。通過4年對海膽(Echinoidea)組蛋白基因在不同發育階段表達能力的研究，他對組蛋白在基因調控中的作用產生了極大的興趣。在此過程中，對于怎樣回答“為何在真核生物中存在多種組蛋白變異體或亞型”以及“它們的表達是如何進行調控的”等一些基本問題，需要綜合使用遺傳和生物化學研究方法，而其中的關鍵之一是減少組蛋白編碼基因的數量。海膽胚胎中的每個核心組蛋白約有400個基因拷貝負責編碼；而酵母細胞的核心組蛋白(H2A、H2B、H3和H4)僅有兩個基因拷貝，需要分析的變異體種類大為減少。于是格倫斯坦開始轉換酵母為研究對象。他與博士生約翰·沃利斯(John Wallis)和瑪麗·里科斯基(Mary Rykowski)一起研究發現，酵母組蛋白H2B的兩個亞型相當于彼此的序列變異體。因此，即使H2B基因縮減為唯一拷貝，酵母仍然可以順利生長。他們用單組蛋白基因構建酵母菌株，作為反向組蛋白遺傳學的實驗模型，最終獲得了成功。

阿利斯被譽為現代表觀遺傳學奠基人之一。他在20世紀70年代末開始專注于組蛋白與染色質的生物學研究，他利用一種單細胞纖毛原生動物——四膜蟲(Tetrahymena)為實驗模型。四膜蟲的滋養細胞中含有兩套功能不同的基因組：轉錄活化的體細胞大核和生殖小核。阿利斯希望從四膜蟲中提取并純化組蛋白乙酰轉移酶，他推測這種酶在大核中含量豐富。但由于酵母組蛋白H4的末端序列并不是生長必需的[3]，在實驗初期的屢屢失敗讓阿利斯一度懷疑能否真正找到組蛋白乙酰化酶的功能。幸運的是，加入阿利斯實驗室的博士吉姆·布朗內爾(Jim Brownell)設計了一種聰明的凝膠試驗，從大核提取物中檢測出了明顯的活性條帶。根據這一線索，他們隨后從四膜蟲中純化出了一種相對分子質量為55 000 的(p55)蛋白，經過分子克隆和鑒定，確認其具有乙酰轉移酶的活性。

1.2 認識組蛋白修飾在基因表達中的重要性

生物學家在20世紀70年代并不了解組蛋白在基因表達中的重要性，認為這些蛋白質更像是一種惰性分子，其功能是參與DNA的結合并形成核小體結構。直到1980年，多數科學家還普遍認為真核基因表達與原核細菌基因的情況所差無幾，主要受到轉錄調節因子的影響，與組蛋白化學修飾關系不大。1975年，格倫斯坦開創了在酵母中針對組蛋白的差異進行基因表達分析的先河，首次明確提出組蛋白是真核細胞基因轉錄活化的重要調節因子，并且于1988年進一步提出組蛋白及其修飾物本身就是某些轉錄調節蛋白的直接作用靶點[4]。

1995年，阿利斯在發表于PNAS的文章中報道了在四膜蟲中鑒定出一個具有乙酰轉移酶活性的蛋白亞基p55[5]，并于1996年進一步對p55進行克隆和測序，得知p55與酵母GCN5P是同源蛋白[6]，表明組蛋白及其乙酰化產物是基因調控的活躍參與者。阿利斯還證明，純化的GCN5P擁有組蛋白乙酰轉移酶活性，可以直接乙酰化組蛋白末端特定的賴氨酸殘基。

兩位科學家的研究將組蛋白修飾與基因調控緊密聯系起來，發現并證明基因表達過程中組蛋白乙酰化發揮著重要的作用，他們還明確指出組蛋白和染色質結構的變化所調控的是基因的轉錄活性而不影響DNA序列本身。在此基礎上，越來越多的醫學研究證實許多發育疾病源于組蛋白的錯誤修飾，因此組蛋白修飾位點也逐漸成為當今疾病治療和藥物設計的重要靶點之一。

1.3 揭示組蛋白化學修飾的生物學作用(圖4)

格倫斯坦以酵母為研究對象，除了發現組蛋白的乙酰化修飾對基因的轉錄活性有重要影響，還發現組蛋白的乙酰化在DNA復制、修復和異染色質形成中都發揮著不可忽視的作用。組蛋白上特定賴氨酸的乙酰化可成為許多調控因子的結合位點；而組蛋白的去乙酰化不僅具有轉錄抑制作用，也有可能是某些基因激活所必需的[7]。以啤酒酵母為例，他們找到了一種名為Hos2的組蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase, HDAC)，主要在基因激活過程中與基因編碼區域結合，其中組蛋白H3和H4尾部的賴氨酸去乙酰化是必需的；Hos2及其相關因子Set3是高效轉錄過程所必不可少的[8]。由此可見組蛋白的乙酰化和去乙酰化作用對于基因轉錄的調控至關重要。格倫斯坦還在對組蛋白的泛素化研究中發現，泛素化可調節組蛋白甲基轉移酶的活性，但并不影響甲基化酶的招募過程。

圖4 組蛋白的化學修飾與基因表達的表觀遺傳調控

阿利斯還多年專注于研究組蛋白修飾是如何傳遞染色質信號的。他們通過分析組蛋白乙酰轉移酶調節轉錄的共激活因子，發現了組蛋白乙酰化與基因特異性轉錄激活之間的聯系；將組蛋白磷酸化事件與有絲分裂過程相聯系，建立了組蛋白磷酸化和乙酰化事件之間的協同作用模型。他提出了表觀遺傳學著名的“組蛋白密碼(Histone Code)”假說：認為紛繁多樣的組蛋白修飾攜帶了一層超越DNA序列的表觀遺傳信息，協同調控著基因組遺傳信息的解讀。阿利斯通過研究組蛋白變異體H3.3對染色質結構狀態的動態調控，發現在組蛋白分子伴侶HirA介導下，H3.3使染色質處于活化狀態；而當組蛋白分子伴侶Daxx存在時，染色質則處于抑制狀態。從Daxx-H3.3/H4的復合物結構中可清楚看到組蛋白單個氨基酸的差別足以導致其經由不同的分子途徑進入截然不同的存在狀態[9]。

不同類型的組蛋白修飾深刻影響著染色質結構和狀態改變并引發組蛋白和DNA的聚合與分離，組蛋白的修飾也可以作為直接信號募集一些基因轉錄的調控因子，進而調節基因轉錄的“開/關”狀態。隨著更多組蛋白修飾類型和修飾位點的發現，基因轉錄調控的研究正在步入“組蛋白修飾酶時代”。通過對組蛋白修飾酶的深入研究以及相應修飾信號相互作用蛋白(reader/writer/eraser)的發現，對“組蛋白密碼”的認識和解讀將不斷取得進展并最終服務人類健康。

阿利斯和格倫斯坦對于組蛋白化學修飾的研究，開創了一個表觀遺傳研究的新時代。人們可以通過有效的藥物設計改變組蛋白的化學修飾狀態，探索基因轉錄調控的本質規律，嘗試控制表觀遺傳學相關疾病的發生和發展。隨著高通量大規模核酸測序技術的快速發展和應用，全基因組水平的基因表達調控研究將極大地推進表觀基因組學的誕生與進展。當前，RNA深度測序技術結合組蛋白修飾異常的發現已經開始在人類疾病的診斷和治療研究中得到應用，一些被發現的組蛋白修飾酶相繼成為腫瘤治療中有吸引力的潛在藥物靶點。表觀遺傳學這一新興的學科已經成為生命科學中發展最快的領域之一，其中不乏世界各地的華裔科學家所做出的一系列重要貢獻。

2 醫學特殊成就獎

斯特恩茲四十年如一日的努力為RNA領域的研究作出了重要的貢獻，同時她還在維護女性從事科學研究權益的事業上不遺余力。她對于科學發現的感言是：“如果你堅持自己的研究領域，你就會提出各種各樣的新觀點。一些觀點可能是被忽視的，而有些總是以一種意想不到的方式擺在你面前……”。斯特恩茲獲得的拉斯克醫學特殊成就獎表彰她長期在生物醫學領域發揮著師長和領導者的作用。她以發現RNA相關功能及作用而聞名，包括對核糖體如何通過互補堿基對與信使RNA相互作用的突破性研究，以及外顯子的拼接是由真核生物中的snRNPs參與形成的。她慷慨地指導初露頭角的科學家，并積極支持女性從事科學研究，這使她成為了大眾尤其是新興女性研究者的榜樣。斯特恩茲一直致力于讓科學界的所有成員都充分參與科學研究，因為她堅信，實現這一目標對于促進科學事業的創新與發展是非常必要的。

斯特恩茲出生于明尼蘇達州的明尼阿波利斯市，1963年在俄亥俄州的安提俄克(Antioch)學院獲得了化學學士學位。在麻省理工實驗室作為實習生的經歷，讓她第一次對分子生物學產生了興趣。而當時的分子生物學領域幾乎沒有成功的女性科學家，人們難免對女性從業者存有一些懷疑和偏見。在完成本科學業后，斯特恩茲申請了醫學院而并非研究生院，她想要成為女醫生而不是女科學家。然而，在她順利地被哈佛醫學院錄取后，她卻拒絕了邀請，轉而去攻讀生物化學和分子生物學這個當時的新興學科。她加入了諾貝爾獎獲得者、DNA雙螺旋發現人之一詹姆斯·沃森(James Watson)的實驗室，成為該實驗室第一位女研究生，她和沃森一起開始研究噬菌體的RNA及其轉錄。

1969年，斯特恩茲在Nature上發表了一篇開創性的論文，揭示了轉錄起始點的核苷酸序列特征[10]。1975年，她又發現了核糖體可利用互補堿基來識別mRNA的轉錄起始位點。1980年，斯特恩茲與邁克爾·勒納(Michael Lerner)合作發表了另一篇關鍵論文，利用自身免疫病患者的體內抗體和免疫沉淀法分離并鑒定出一種新的生物活性物質snRNPs[11]。通過檢測它們在剪接中的作用得知：snRNA是一種約150個核苷酸長的RNA，與蛋白質結合形成snRNP，參與轉錄新生pre-mRNA的剪接。斯特恩茲還發現了另一種RNP顆粒，即snoRNP，同樣可參與一些mRNA的剪接反應。通過對snoRNPs基因位置的分析，她發現內含子并不是人們一度所認為的“垃圾DNA”，而在很大程度上影響著“選擇性RNA剪接(alternative RNA splicing)”的現象。斯特恩茲對snRNPs和snoRNPs的發現幫助認識了一個神秘的事實：人類的基因數量僅是果蠅的兩倍，但選擇性剪接使人體內每個基因的實際編碼信息量獲得了大幅度增加。

斯特恩茲談到，當她剛開始從事科學事業時，并未意識到自己在潛意識上對女性也是存在著偏見的。直到2005年加入美國國家科學院(National Academy of Sciences)并撰寫《超越偏見與障礙》(BeyondBiasandBarrier)時，她才開始轉變思想，積極消除科學中的性別偏見，倡導實驗室的公平公正。十余年來，斯特恩茲領導Jane Coffin Childs基金會向初級專業研究者提供博士后獎學金。在整個職業生涯中，她全力以赴地為所有的成員能在科學界獲得足夠的包容和支持而奮斗，并激勵了無數從事STEM(science-technology-engineer-mathematics, 科學-技術-工程-數學)事業的女性工作者。