可逆蛋白質磷酸化調控機制的發現者

可逆蛋白質磷酸化調控機制的發現及埃德蒙 · 費希爾的學術貢獻

分子生物學的三大支柱是微生物學、生物化學和遺傳學。蛋白質和核酸同為生物體內最基本的物質，前者是生物體內普遍存在的一類重要的有機大分子，主要由20種不同氨基酸結合而形成多聚體（一類長鏈多肽高分子化合物）。蛋白質是構成細胞的基本有機物，擔負起生命活動過程中各種重要功能。細胞內信息傳遞和調控是一切生命現象的基礎。

蛋白質的調控功能主要通過兩種方式實現：一是數量機制，即通過蛋白質含量的增減影響生物學功能；二是結構調控，即通過蛋白質空間結構的變化參與細胞功能的調控，這種調控機制更為快捷有效。蛋白質結構調控的方式較多，其中最普遍和最重要的就是可逆蛋白質磷酸化修飾，即蛋白質特定位點通過添加或去除磷酸基團調控蛋白質的活性，這一重大基礎性發現后被發展為蛋白質磷酸化組學，從而使得世人對許多生理調控機制有了全新的認識與了解。在可逆蛋白質磷酸化修飾示意圖中，腺苷三磷酸（ATP）失去末端1個磷酸根后的產物是腺苷二磷酸（ADP），Pi表示無機磷酸鹽，P表示磷酸基團。可逆蛋白質磷酸化作用幾乎調控著生命活動的每一個過程，如細胞的生長和分化，具體到基因復制轉錄、蛋白質合成和代謝調控，分子識別和信號轉導，肌肉收縮和擴張，腫瘤發生以及包括學習記憶在內的神經活動等都與蛋白質磷酸化密切相關。

酶是生物體內產生的具有催化功能的蛋白質，作為生物催化劑，在生物化學反應中發揮著不可或缺的作用。根據催化劑的反應類型不同，分為氧化還原酶、轉移酶、水解酶、裂合酶（裂解酶）、異構酶和合成酶（連接酶）6大類。生物體內的化學變化幾乎都是在酶的催化作用下進行的，酶具有極高的催化效率和高度的專一性（即特異性）。

激酶（kinase，屬轉移酶類EC2.7 亞類）和磷酸酶（又稱磷酸酯酶，phosphatase，屬水解酶類EC3亞類）的作用正好相反：前者通過添加磷酸基團實現蛋白質被磷酸化（即活化），后者則通過去除磷酸基團實現蛋白質去磷酸化（即鈍化），兩者在一個可逆動態過程中以相反的方向工作。可逆磷酸化是一種控制細胞蛋白活性的生化機制，非活性蛋白和活性蛋白構象之間的轉換通過變構效應的可逆共價修飾機制實現，其中最重要的就是蛋白質可逆磷酸化和去磷酸化，這兩個精致而復雜的過程都需要酶實現調控。研究表明，生物信號在細胞內傳遞的基本和主要方式是蛋白激酶催化蛋白質磷酸化和蛋白磷酸酶催化磷蛋白去磷酸化，此即蛋白質可逆磷酸化作用。已知人類細胞中含有500多種蛋白激酶和近200種蛋白磷酸酶。另有一類同樣催化產物為磷酸化合物的特殊酶卻不是激酶，而被稱作磷酸化酶（屬轉移酶類EC2.4亞類）。

1953年，埃德蒙 · 費希爾（Edmond Fischer）在到達西雅圖6個月內便開始與華盛頓大學的同事埃德溫 · 克雷布斯（Edwin Krebs）攜手合作（自此兩人成為終身摯友兼緊密合作者），共同研究糖原磷酸化酶的作用機理，想弄清楚它們是如何被磷酸化和去磷酸化的。埃德溫 · 克雷布斯了解科里夫婦（Cori，因對糖原代謝和生物調控機制的深入研究發現糖原磷酸化酶而榮獲1947年諾貝爾生理學或醫學獎）的工作，熟悉哺乳動物骨肌磷酸化酶，知道肌肉中的磷酸化酶需要腺苷酸AMP（即ATP失去末端2個磷酸根后的產物）作為輔助因子；而埃德蒙 · 費希爾在博士后研究期間曾純化過馬鈴薯磷酸化酶，發現該酶活性并不依賴AMP。這種差異促使他們鑒定促進磷酸化酶激活的因子，以確定5'-AMP作為磷酸化酶b激活劑的機制。雖然研究工作沒能取得預期成效（這個問題1961年被1965年諾貝爾生理學或醫學獎得主雅克 · 莫諾（Jacques Monod）所提出的酶調控變構模型解決），但他們在研究過程中卻偶然發現了兩種形式的磷酸化酶相互轉化的分子調控機制，即蛋白質的可逆磷酸化。1955年9月1日，二人聯名在第216卷第1期美國《生物化學雜志》（Journal of Bological Chemisty）同時發表得以榮獲諾獎的兩篇著名論文《骨肌提取物中的磷酸化酶》（埃德蒙 · 費希爾署名在前）和《在肌肉提取物中磷酸化酶b到a的轉換》（埃德溫 · 克雷布斯署名在前），他們的發現當時并沒有得到學界的充分認識和應有重視，2011年這兩篇論文被《生物化學雜志》列為百年來（1905—2005年）生物化學和分子生物學領域的經典論文。可逆蛋白質磷酸化是細胞中廣泛存在的一種基本代謝調控機制，其實質是一種控制細胞蛋白活性的生化反應。這一重大原創性發現為揭示生命信息傳遞和查清癌癥病因等奧秘提供了重要線索，為人類研究癌癥的發病機理及防癌治癌指明了一條道路，對現代生物化學和現代醫藥學都具有重要指導意義。

實現可逆蛋白質磷酸化調控的關鍵是發現了作用完全相對的激酶和磷酸酶的存在。可逆蛋白質磷酸化和去磷酸化是生物細胞中普遍存在的一種基本調控機制，這只是一種外在表現，決定這一調控機制更深層的原因是生物體內普遍遵循的反立法則，該法則在生物體內的體現，起決定作用的是DNA的對應互補和雙鏈反向互補。

1964年（會議論文集出版于1965年，期刊學術論文發表于1966年），厄爾 · 薩瑟蘭（Earl Sutherland，1971年諾貝爾生理學或醫學獎得主）在一次國際學術會議上首倡基于環腺苷酸（cAMP）的第二信使學說，享有“信號轉導之父”之美譽。蛋白質的可逆磷酸化調控機制的發現，圓滿解答了“第二信使如何調控細胞代謝和生理功能”這個重大問題，揭示了外界生物信息在細胞內傳遞的基本原理和方法，開創了細胞代謝、生長（發育）、增殖、分化、凋亡、癌變調控機理的研究，這些方面的研究與生物信號分子，如激素、神經遞質、細胞因子、癌蛋白（即癌基因的編碼蛋白）以及某些藥物所攜帶的生物信息在細胞內的傳遞密切相關，它對最終揭開生命之謎、控制生命過程，特別是對人類防癌和治病方面提供了戰略上的科學指導，具有重要理論價值和實踐意義。

埃德蒙 · 費希爾和埃德溫 · 克雷布斯首先鑒定出蛋白質可逆磷酸化，蛋白質可逆磷酸化是指蛋白質在蛋白激酶和蛋白磷酸酶的作用下，其構象和電荷會發生改變，從而影響其生物學活性，這一發現揭示了一個嶄新的酶調控機制，從而開拓了分子生物學和細胞生物學研究的新領域。蛋白質可逆磷酸化作用是生理調控機制的一種基本原理，它幾乎遍及所有重要的生命過程。激酶和磷酸酶之間的平衡失調，可導致各種疾病產生和致病性組織反應，血壓改變、炎性反應和腦信號轉導等都與此有關。人們有望由此研發出一些藥物逆轉這些平衡失調，以達到治病和防病之目的。目前，卟啉及其衍生物就是一種防止轉移、提供阻斷的有效抗癌藥物。細胞生化反應機制仍是當今最熱門、最活躍和最廣泛的研究領域。

埃德溫 · 克雷布斯和埃德蒙 · 費希爾在共同發現蛋白質可逆磷酸化機制以后，在研究方向上各自有所側重，前者重點關注蛋白激酶，后者則重點關注蛋白磷酸酶。結果埃德溫 · 克雷布斯的蛋白激酶研究進展得順風順水、成果豐碩，他發現并純化了大量的蛋白激酶，從而得知蛋白質磷酸化是細胞調控的基本機制。埃德蒙 · 費希爾的蛋白磷酸酶研究則困難重重、舉步維艱，這是因為活體細胞內蛋白磷酸酶數量很少，這為純化工作帶來了很大障礙，且純化的酶特異性較差。直到20世紀80年代才有幾種重要的蛋白磷酸酶被純化成功并被全面解析，這個結果說明人體內的可逆磷酸化以蛋白激酶的激活為主，蛋白磷酸酶則處于相對被動弱勢狀態。

埃德蒙 · 費希爾致力于蛋白質可逆磷酸化，特別是酪氨酸磷酸化調控細胞過程的研究，是蛋白質酪氨酸激酶（PTK）的發現者和靶向藥物治療的奠基人。根據他研究的與疾病相關的細胞再生、增殖和分化機制，可研發出具有針對性的精準醫學和靶向治療藥物，有望解決包括癌癥（如血液腫瘤、胃腸道腫瘤和乳腺癌等，約有一半的癌癥與蛋白激酶活性異常有關）、風濕病、心臟病和神經系統疾病等在內的醫學難題。瑞士諾華制藥公司推出的阿培利司（Alpelisib）是一種PI3Kα激酶抑制劑藥物，2019年5月24日獲美國食品藥品管理局（FDA）批準，用于治療晚期或轉移性乳腺癌。蛋白質可逆磷酸化理論還可以應用到基因表達、器官移植與再生以及心血管疾病治療等方面，它揭示了生命信息傳遞的真諦，為查清基因表達的調控鋪平了道路，釋明了環孢素（Cyclosporine）藥物是通過干擾磷酸化作用阻斷人體對移植組織的免疫反應（即抗排異作用），探明了動脈粥樣硬化（因膽固醇沉積在血管壁上而引發）的隱秘。1988年，埃德蒙 · 費希爾小組首次分離得到蛋白質酪氨酸磷酸酶（PTP），為研發治療2型糖尿病和肥胖癥的新藥作出重要貢獻。

1989年10月8—13日，第7屆環核苷酸、鈣離子和蛋白質磷酸化國際會議在日本神戶舉行，大會主題是“信號轉導中的生物學和醫學”，中心內容是討論環核苷酸、鈣離子等生物信使分子的作用機理以及蛋白質磷酸化問題，埃德溫 · 克雷布斯和埃德蒙 · 費希爾都應邀與會。前者在大會開幕式上做學術報告《蛋白質酪氨酸和蛋白質絲氨酸磷酸化之間的信號轉導》，后者在全體會議上做學術報告《蛋白質酪氨酸磷酸酶：一類與細胞內信號有關的新蛋白質家族》并出任“蛋白激酶和蛋白磷酸酶”專題討論的主持人。

2018年10月15日，西湖大學創始校長施一公院士在北京人民大會堂舉行的2018年全國科學道德和學風建設宣講教育報告會上發言，說：“再舉一個生命科學領域的例子。埃德蒙 · 費希爾和埃德溫 · 克雷布斯因為發現蛋白質的磷酸化于1992年獲得了諾貝爾生理學或醫學獎。但如果仔細閱讀他們發表于20世紀50年代的幾篇關鍵學術論文，你會發現他們當時對不少具體實驗現象的分析與我們現在的理解有一定差距，用今天的標準可以說不完全正確。但瑕不掩瑜，這些文章代表了當時最優秀、最有創意的突破。”科學是在不斷發展和進步的，如果拋開歷史背景而采用當今的標準去審視歷史上的科學，這種做法本身可能就是不科學的。

埃德蒙 · 費希爾所獲科學大獎與榮銜

1992年10月12日（周一），斯德哥爾摩卡羅琳醫學院諾貝爾大會宣布授予美國華盛頓大學（西雅圖）兩位教授埃德蒙 · 費希爾和埃德溫 · 克雷布斯當年諾貝爾生理學或醫學獎，頒獎理由是“他們發現作為一種生物調控機制的蛋白質可逆磷酸化”。二人平分當年諾獎獎金650萬瑞典克朗（諾獎揭曉時約合120萬美元，因時逢瑞典貨幣大幅貶值，領獎時則只約合95萬美元）。由于得到諾獎的青睞，全球生命科學界一度掀起了細胞信號轉導及代謝的相互作用研究的熱潮并取得一系列重要進展。

兩位諾獎得主均率親友團前往斯德哥爾摩參加1992年傳統的“諾貝爾周”系列活動。12月8日，埃德溫 · 克雷布斯和埃德蒙 · 費希爾各自履行了諾獎得主的唯一義務（非強制性），在卡羅琳醫學院分別發表諾貝爾演講《蛋白質磷酸化作用和細胞調控I》和《蛋白質磷酸化作用和細胞調控II》，I著重講述研究的歷史部分，II則側重講述研究的新進展。

12月10日下午，隆重的諾獎頒獎典禮在斯德哥爾摩音樂廳舉行，到場1800余人。卡羅琳醫學院諾貝爾大會成員漢斯 · 約爾恩瓦爾（Hans Evert J?rnvall）教授做頒獎致辭后，兩位獲獎者依次從瑞典國王卡爾十六世 · 古斯塔夫手中領取諾獎金質獎章和獲獎證書。當晚，盛大的諾貝爾晚宴在斯德哥爾摩市政廳一樓藍廳舉行，埃德蒙 · 費希爾作為兩位獲獎者的代表發表了晚宴致辭，他擅長從姓名中發掘提煉笑點，十分風趣地說：“我倆之所以能贏得諾獎得益于姓名中的優勢，是因為已有3個Fischer和1個Krebs獲得諾獎，我們6個是無人能打敗的，這樣我倆才能從眾多優秀的科學家中脫穎而出。”最后他還詼諧地說：兩個“Eds”勝過一個（源出西方諺語：兩人智慧勝一人）。他倆名字中的頭兩個字母都是“Ed”。

除諾獎以外，埃德蒙 · 費希爾獲得的主要科學獎項還有：瑞士化學學會頒發的維爾納獎章（Werner Medal，1952）、日內瓦大學頒發的若貝爾獎（Prix Jaubert，1968）、華盛頓大學（西雅圖）頒發的杰出講座獎（1983）、美國帕薩諾基金會頒發的老年組科學家獎（1988）、印第安納大學醫學院頒發的畢爾寧獎（Steven C. Beering Award，1991）、邁阿密自然生物技術冬季研討會頒發的終身成就獎（2005）、國際生物化學與分子生物學聯盟（IUBMB）頒發的IUBMB獎章（2009）。

埃德蒙 · 費希爾獲得的主要學術頭銜有：美國藝術與科學院院士（1972），美國國家科學院院士（1973），美國科學促進會會士（1992），西班牙皇家科學院外籍院士（1993），意大利威尼斯科學、藝術與人文學院外籍院士（1994），西班牙皇家醫學和外科學院外籍院士（1998），韓國科學技術院名譽外籍院士（2000），歐洲科學院（總部設在布魯塞爾，行政辦公室設在列日）國際院士（2004），英國皇家學會外籍會士（2010），等等。2007年11月至2014年11月，他出任阿爾伯特 · 愛因斯坦世界科學獎的頒獎機構——總部設在墨西哥城的世界文化理事會（WCC）——名譽主席。

埃德蒙 · 費希爾共獲6個國家8所高等院校的名譽博士稱號：法國蒙彼利埃大學（1985）、瑞士巴塞爾大學（1988）、美國俄亥俄醫學院（1993）、美國印第安納大學（1993）、德國波鴻魯爾大學（1994）、美國明尼蘇達州古斯塔夫 · 阿道夫學院（2004）、意大利熱那亞大學（2004）、英國蘇格蘭鄧迪大學（2008）。

埃德蒙 · 費希爾與中國的情緣

費希爾家族和中國的淵源悠長而深厚，埃德蒙因生于上海而始終把中國視為“第二故鄉”。2000年在闊別73年之后，埃德蒙 · 費希爾重返故里上海（訪問目的和行程不詳），2004年5月、2004年11月、2006年4月以及2008年10—11月又四度回到第二故鄉中國訪問講學，與內地科學家開展多方位的學術交流與合作。

2004年5月13日，埃德蒙 · 費希爾蒞臨長春吉林大學，次日在友誼會館多功能廳獲頒吉林大學名譽教授聘書，5月17日出席在東榮大廈禮堂舉行的以其名字命名的埃德蒙 · 費希爾信號轉導實驗室（FSTL）的揭牌儀式，出任名譽主任并做學術演講《新世紀伊始的基礎生物學研究》。出任FSTL創始主任的生命科學學院教授趙志壯是埃德蒙 · 費希爾教授最得意的門生之一。趙志壯是1984年第四屆中美聯合培養生物化學和分子生物學類研究生計劃（CUSBEA）學員，1990年5月獲俄勒岡州立大學生物化學兼生物物理學哲學博士學位，1990年9月至1994年6月在華盛頓大學（西雅圖）生物化學系的埃德蒙 · 費希爾實驗室從事博士后研究，后成為國際轉化醫學和干細胞領域的學術權威。2004年5月18日下午，埃德蒙 · 費希爾受邀至吉林大學附屬中學與孩子們座談，5月19日出席媒體見面會并與吉林大學師生座談科技和教育。2006年4月14—21日，埃德蒙 · 費希爾再度到吉林大學講學一周，4月19日下午在東榮大廈禮堂做主題演講《我的科學生涯》，這是由國家外國專家局倡議主辦的“與大師對話——諾貝爾獎獲得者中國校園行”系列演講活動之一。稍后，吉林大學安排埃德蒙 · 費希爾赴桂林游覽，旅途空隙他專心閱讀一本天文學方面的書籍。

2004年11月10日下午，埃德蒙 · 費希爾及其同事兼好友厄爾 · 戴維（Earl Warren Davie，1927—2020，1980年獲選美國國家科學院院士）共同訪問上海同濟大學，埃德蒙在一 · 二九禮堂發表公開演講《展望21世紀的基礎研究》，通過回顧一些歷史事例強調基礎研究的重要性和科學研究的不可預測性。他認為“科學和藝術的本質是相通的，兩者都需要直覺和想象力”，同時勉勵中國青年學子“多一些時間用于放松、思考、夢想，讓自己更富有想象力和創造力”。

2004年11月12日，埃德蒙 · 費希爾自上海飛抵長沙，平生首次來到三湘大地。11月13—15日，第一屆國際生命科學院士論壇在湖南師范大學舉行，本屆論壇由湖南師范大學和瀏陽生物醫藥園共同主辦，主題是“模式生物與人類健康”，包括模式生物與信號調節、模式生物與生物醫學、模式生物與人類健康、動物模型及發育調節、眼睛發育與疾病5個議題。埃德蒙 · 費希爾對基因技術（包括轉基因食品、胚胎干細胞基因療法和克隆技術等）的前景很是推崇，11月13日他在論壇上表示：“多數癌癥可以治愈，人類攻克癌癥指日可待。”顯然，這個預測過于樂觀了。當天埃德蒙 · 費希爾在湖南師范大學國際會議中心報告廳做學術報告《蛋白質可逆磷酸化》并被該校聘為名譽教授。2008年10月24日，埃德蒙 · 費希爾再次親臨在長沙舉行的第二屆國際生命科學院士論壇，與會者共同探討生命科學的前沿問題，這次論壇是湖南師范大學70周年校慶主要活動之一。

2006年2月17日，百奧邁科生物技術有限公司（Biomics Biotech）在江蘇南通市經濟技術開發區注冊成立。受公司創始人和董事長朱遠源博士之邀，2008年11月5—6日，埃德蒙 · 費希爾和厄爾 · 戴維一行由上海抵達公司總部參觀考察并舉行科技創新研究座談會。

2018年5月12日，埃德蒙 · 費希爾轉化醫學研究諾獎實驗室在中山大學附屬第七醫院（深圳）舉行揭牌儀式，埃德蒙 · 費希爾被聘為實驗室名譽教授，他本人缺席現場的揭牌儀式，其得意門生趙志壯是該實驗室的核心成員之一。

埃德蒙 · 費希爾首肯中國的學校教育，他覺得中國的中學教育比美國要好，特別是在理科基礎課程方面，1957年諾貝爾物理學獎得主楊振寧教授亦持類似觀點。中國學生學習很勤奮，但每天只知道學習，把太多信息塞入大腦，沒有時間放松、思考、追逐夢想以及發展自己的想象力，這種學習方式是有缺憾的。埃德蒙 · 費希爾深諳基礎研究之真諦，深知只有保持旺盛的好奇心并持之以恒才會有所成就，原始創新和科學突破是無法預測和規劃的，也是用金錢買不來的。