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【特别报导】2012诺贝尔奖预测(二)生理医学奖




今年汤森路透社(Thomson Reuters)选出在医药、物理、化学和经济领域有可能获得诺贝尔奖候选人,这些『汤森路透引文桂冠』(Thomson Reuters Citation Laureates)得主,在各自研究领域中以被大量引用的文献证明他们的在科学上的成就是『诺贝尔级』。

2012年汤森路透引文桂冠奖,在生理、医学部门得奖的三个研究分别是:细胞黏着 (Cell adhesion)、细胞讯息传递和调控 (Cell signaling and control) 基因调控 (Genetic Regulation)。

(一)、细胞黏着 (Cell adhesion)
研究者:
Richard O Hynes -美国麻省理工学院综合癌症研究所教授、美国霍华德-休斯医学研究所研究员
Erkki Ruoslahti -美国桑福德-伯纳姆医学研究所纳米医学中心特聘教授
Masatoshi Takeichi(竹市雅俊)-日本理化学研究所发生再生科学综合研究中心中心长

【特别报导】2012诺贝尔奖预测(二)生理医学奖

Richard O Hynes (左)、Erkki Ruoslahti(中)、Masatoshi Takeichi(右)

ynes和Ruoslahti在同时间研究相同的分子,促使对细胞之间如何连结有根本上的认知。Takeichi则研究另一分子cadherins的细胞间黏着功能,这些分子使多细胞生物体得以存在。

Hynes和Ruoslahti分别地发现一大蛋白质分子存在正常的纤维母细胞的表面,但不存在于肿瘤化的纤维母细胞上。Hynes把它称为对外部环境敏感的大蛋白分子 (LERTS蛋白质)。Ruoslahti则把它称为纤维连接蛋白(fibronectin),后来统称为纤维连接蛋白。当时最大的疑问是这巨大的分子究竟如何帮助细胞间黏着,以及细胞外成分,例如骨骼和肌腱的连接。后续研究累积间接的证据,发现在细胞外的纤维连接蛋白和细胞内组成细胞骨架的肌动蛋白丝有物理上的连接,甚至还发现了一个未知的元素参与这细胞的连结。Hynes和Ruoslahti各别以不同理念作更深入的探讨。

Hynesu以萤光标示的单株抗体测试到这连接细胞外的纤维连接蛋白和细胞内肌动蛋白丝的元素是一种穿透细胞膜的分子, 通过一系列複杂的步骤,他的研究小组得以克隆出此蛋白质,并命名此一跨膜蛋白为整合素 (integrin) ,作用于维持细胞和身体结构的完整性。

Ruoslahti 则将纤维连接蛋白分成各个区域并纯化出来, 发现其中仅含有108个胺基酸的小片段有促进细胞黏附的功能。分析其胺基酸序列, 发现此一小片段蛋白包含有RGD肽,这是目前在多细胞生物体中,所有已知的整合素群蛋白所含有的重要识别序列。事实上,细胞黏着分子机制早于5.3亿年前的寒武纪生命大爆发时即存在,并使多细胞生物得以演化出来。

在Hynesu和 Ruoslahti发现整合素前,研究人员已知道胰蛋白酶能分解蛋白质,可放鬆细胞之间的连结。一般而言,该作用是暂时性的,一旦将胰蛋白酶除去, 细胞间的黏着便可复原。Masatoshi Takeichi在京都从事博士研究,后来在卡内基研究所当博士后研究员,他发现胰蛋白酶溶液中若含有EDTA (EDTA可以有效地消除溶液中的正离子) ,即使已移除胰蛋白酶,细胞还是呈现分离状况。Takeichi 提出钙离子的存在使细胞黏着得以发生,在没有钙离子存在的状况下则细胞会保持分离。添加钙离子可使细胞再次彼此黏着。回到日本后,他的研究生Chlkako Yoshida以钙离子和黏着的关係,将其命名为钙黏素(cadherins)。

钙黏素和整合素对多细胞生物体的发生和维护是绝对重要的。他们告诉细胞在发育的过程中该往何处移动, 并和其他哪些细胞连结在一起。他们是伤口癒合的基础,活化的整合素将血液中的血小板黏着在伤口形成凝块,并聚集白血细胞于伤口附近抵抗感染。当出现错误, 例如原始观测中转化成肿瘤细胞的纤维母细胞因缺乏纤维连接蛋白, 而有不同的细胞外形并且转移入侵其他组织。后续在医疗应用上,无论是保持细胞在特定位置,促进伤口癒合,或延缓肿瘤扩散,减少白血球凝聚在错误位置进而减缓发炎反应。以RGD肽引导药物到特定的标的细胞,并合成类似物以更确切地到达标的。

(二)细胞讯息传递和调控 (Cell signaling and control)
研究者:
Anthony “Tony” R. Hunter –美国癌症学会教授、美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校分子生物学教授Anthony “Tony” R. Pawson -加拿大多伦多大学分子遗传学系教授、西奈山医院萨缪尔-兰能菲尔德研究所分子肿瘤学专家

【特别报导】2012诺贝尔奖预测(二)生理医学奖

Hunter和 Pawson 以两个密切相关领域的研究获得此项目的提名。Hunter发现酪胺酸磷酸化, 是几乎所有的细胞讯息传递的基础。Pawson 辨识出SH2蛋白质结构域,是连接磷酸化讯息受体和其讯息传递途径上的其他受体。Hunter和 Pawson 探讨有关多细胞有机体的一重要机制:细胞之间如何沟通?他们如何知道什幺时候成长,什幺时候减缓?发生癌症时,所有的细胞有可能加速器卡住了,或剎车系统损坏。是什幺原因导致这些故障呢?

在1970年代后期,许多研究人员集中在研究劳斯肉瘤病毒,其中含有一种致癌基因,V-SRC,这会导致鸡产生癌症。Hunter 决定找出由v-SRC编码的蛋白质。他在哈佛仅次于 Ray Erikson 研究团队之后发表,蛋白质将磷酸分子加到其他蛋白质上,为磷酸化的酶。在那个时候,只知道两个胺基酸:丝胺酸和酥胺酸可以被磷酸化。Hunter 发现 v-SRC的目标是第三个胺基酸:酪胺酸。因为酪胺酸磷酸化是前所未有的,Hunter 的突破是设计出一个方法来分离磷酸化的丝胺酸,苏胺酸和酪胺酸。色谱分析显示 v-SRC是磷酸化酪胺酸而非苏胺酸或丝胺酸。但是,当 Hunter 使用新的试剂时,不能重複这实验结果。原来旧缓冲液的酸硷值比标示的还要酸,用新鲜的缓冲液,磷酸化酪胺酸和磷酸化苏胺酸会一起移动而无法区分。只有较酸的缓冲液可以使磷酸化酪胺酸显露出来。 现在已发现数以百计的蛋白激酶,他们参与生长,分化,细胞分裂,细胞运动,突触传递,以及其他许多作用。其中大多数(但不包括 Src)是信号的受体。其中一些分布在细胞表面像是种天线。一个信号分子例如生长因子或荷尔蒙结合到天线,导致激酶自动磷酸化,活化其本身并开始一连串的活化,最终开啓标的基因。当信号从天线移除,整个序列反应迅速停止。这是在正常细胞中的状况,但半数以上的已知的酪胺酸激酶在癌细胞内会因为突变,而呈现持续活化的状态。

Pawson 的研究,帮助我们了解讯息传递是由蛋白激酶的活化开始。他也是在从研究致癌基因 Fps,开始了这项工作。Pawson 分析 Fps 转译出来的蛋白有三个区域, 包括酪胺酸激酶结构相当于 Src 蛋白的酪胺酸激酶。另一个蛋白域与磷酸化酪胺酸及其他蛋白域相互作用,以此 FPS 可以连结到它的目标,并磷酸化该目标蛋白。该连接域和 Src 蛋白相应的域相似,所以 Pawson 把它称为 Src 同源域 SH2。超过100个人类蛋白质含有SH2,它是一种特定的蛋白域存在于特定的蛋白内,用以确保细胞针对外界不同的刺激有特定的反应。

(三)、基因调控 (Genetic Regulation)
研究者:
C. David Allis–美国洛克菲勒大学核染质生物学与实验胚胎学实验室主任
Michael Grunstein -美国加州大学洛杉矶分校格芬医学院生物化学教授

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C. David Allis(左)、Michael Grunstein (右)

Allis 和 Grunstein 的杰出贡献是拓展了我们对基因调控的了解。他们以实验方法,发现由基因本身以外的因子,来控制基因表现的机制。

我们已经习惯了DNA中包含一系列的基因序列,像是一个生命蓝图。但是如果DNA是一个蓝图,那幺举例来说,两个遗传基因完全相同的双胞胎,应该完全一样,不可能只有其中一个患有自闭症或思觉失调症而另一个没有 ; 另外单一组遗传基因如何同时控制毛毛虫和蝴蝶的生成?

这个答案起始于了解 DNA的缠绕包裹过程。如果将一个中等大小的染色体伸展开来,其长度约有3.2公分长。将所有染色体伸展开则有 2到3公尺长,这样长的 DNA分子被装入直径只有 6微米的细胞核中。这紧密结构是藉由DNA缠绕在组织蛋白 (histone) 周围形成珠状的核小体 (nucleosome)而形成。这紧密缠绕的核小体大小约被的延展出来DNA 分子的四万分一。从1880年代被发现以来,组织蛋白一直被认为是基本惰性的包装材料。

在1980年代后期,Grunstein和他的同事们发现酵母菌的一组织蛋白的一部分对特定的基因调控是不可或缺的。没有此一组织蛋白,酵母菌还是可以存活,但它不能进行有性繁殖。这是第一个显示组织蛋白和DNA之间有直接互动的发现。不久之后,Allis和他的同事们发现一种酶,可以将一乙醯基加到核小体露出的组织蛋白尾部一个特定胺基酸上。一个多月后,他们发现另一个酶可以移除乙醯基。从本质上来讲,这两种酶的作用标记和移除标记的不是DNA本身,而是组织蛋白,并且利用这标记的存在来防止那域区DNA上的基因被读取而表现出来。另外有其他的酶以加上甲基或移除甲基,作类似的调控。

因此开启了表观遗传学或后生学的实验阶段,此一发现被快速应用在医学上。去乙醯酶的抑制剂被用来治疗罕见形式的淋巴瘤,而目前发现很多癌细胞有基因以外的修饰,选择性地添加或删除这些化学标记的可能性,使调控组织蛋白变成一个开发新药物的方法。

调控组织蛋白也和老化有关,一些实验动物克隆所产生的併发症,以及缺乏营养的孕妇对胎儿所造成的影响等等,Alis 和 Grunstein的基础研究有着深远的影响。

参考资料:
1. http://sciencewatch.com/nobel/predictions/cell-adhesion
2. http://sciencewatch.com/nobel/predictions/cell-signaling-and-control
3. http://sciencewatch.com/nobel/predictions/genetic-regulation