生理学或医学奖：追溯生命衰老之“端”

孙　滔　吕　静

诺奖2009女性的胜利

10月12日,随着诺贝尔经济学奖的诞生,2009年度诺贝尔奖创造了女性得主的一个纪录——达到了前所未有的5位之多。尤其引人注目的是,来自印第安纳大学的奥斯特罗姆是诺贝尔经济学奖设立41年来(1969年设立)首位女性得主;布莱克本和格雷德师生两位女性同时获得诺贝尔生理学或医学奖。

此外,以色列科学家阿达•约纳特获得了诺贝尔化学奖,德国女作家赫塔•米勒获得诺贝尔文学奖。

在诺贝尔奖百余年的历史上,截至2008年,共有789位获奖者,其中只有35位女性,所占比例不到获奖总人数的5%。她们所获奖项主要集中在和平奖、文学奖及生理学或医学奖三个奖项,人数分别为12位、11位和8位。

或许,5位女性同登诺贝尔殿堂只是一个偶然,但我们期望,这个偶然能够进一步激励更多女性进入科学领域。

端粒和端粒酶领域的一系列发现贯穿着“发现现象/问题”→“提出概念/模型”→“实验验证”的思路,这个思路对科学工作者的启发意义不言而喻

一种叫做嗜热四膜虫的单细胞真核生物,让3位科学家获得了诺贝尔奖。

10月5日,瑞典诺贝尔基金会宣布,2009年诺贝尔生理学或医学奖授予加州大学旧金山分校伊丽莎白•布莱克本、约翰•霍普金斯大学卡罗尔•格雷德以及哈佛大学杰克•绍斯塔克等3位美国人,他们的成就是发现了“端粒和端粒酶是如何保护染色体的”。这是一种防止遗传信息随着年龄增长而丢失的一种生物守护机制。

在北京大学生命科学学院教授饶毅2002年写就的文章中,就已经有对该项研究的价值判断,认为这是值得拿到诺贝尔奖的研究。他还介绍说,中国复旦的留学生于国良也曾参与那里的早期一些工作。

不过饶毅强调,他不是在预测得奖,而是列出他认为值得得奖的研究工作。按照饶毅说法,“能做这样预计的人成百上千,因为这是评价已经做出的研究。”这正说明,这个领域的研究获奖也是生命科学界众望所归的结果。

前人的铺垫和留下的问题

组成我们身体的每个细胞中都包含整个的基因组DNA,这生命的蓝图,是包裹在染色体中的。每次当我们的细胞一分为二,形成新的细胞,其染色体必须完全复制,使每一个新细胞都得到准确的蓝图副本。

早在20世纪30年代,赫尔曼•缪勒(Hermann Muller ,1946年诺贝尔奖得主)就和巴巴拉•麦克林托克(Barbara McClintock ,即那位因发现玉米转座子而闻名的老太太,1983年诺贝尔奖得主)就观察到染色体末端所谓端粒的结构,似乎可以防止染色体互相缠绕,他们怀疑端粒可能对染色体有保护作用,但是,它如何运作一直是个谜。

——携带我们基因的长线形DNA分子排列在染色体中,端粒就是染色体末端的帽。

在20世纪50年代,当科学家开始了解基因是如何被复制之时,另一个问题出现了。当一个细胞将要分裂的时候,DNA分子上的碱基一个一个地复制。然而, DNA链的末端却不能复制。于是从理论上来说,细胞每分裂一次,染色体就会变短一点,这样DNA会越来越短。但通常事实并非如此。于是,对于生命遗传过程中如何能够保持遗传物质完整性的研究成为一个重要课题。

1961年,科学家又发现,多数生物细胞的增殖能力不是无限的,而是有一定的界限,当端粒长度减小到一定程度,就会促发细胞衰老、死亡。这个结论被称为Hayflick界限说——这是我们的生命有限的原因。

其机理又成为一个新的问题。

端粒作用的发现

布莱克本在其研究生涯的早期是从事DNA的排序工作。1975年布莱克本从剑桥大学桑格实验室获得分子生物学博士学位后来到美国耶鲁大学进行博士后研究, 而当时其实验室的高尔教授正以一种体长40〜60微米的原生动物——四膜虫为模式生物,研究其核糖体的基因。

1978年,布莱克本在四膜虫核糖体DNA分子末端结构中发现,其末端均含有大量的重复片段,该末端富含大约50个串联重复的六核昔酸(CCCCAA)。但当时她还不清楚这意味着什么。

这个时候,绍斯塔克刚刚走出著名基因工程学家吴瑞的实验室,他正试图在酿酒酵母中建构人工线性染色体,让它能够在细胞中像自然染色体一样复制。但当他将这种迷你染色体植入酵母细胞时,它会在复制过程中迅速退化——正如此前简单观测得到的理论所预示,没有染色体末端的复制机制,每次细胞分裂和复制其遗传物质,DNA链都会变短,最终退化。

1980年,在听了一次布莱克本的报告之后,绍斯塔克博士决定参与到布莱克本的工作中来。他在猜想,如果将布莱克本发现的这种重复序列注入到酵母细胞内,会发生什么。

二人决定做一个跨越物种边界的实验,布莱克本用四膜虫的DNA分离出CCCCAA序列,绍斯塔克将其整合到人工迷你染色体上,并将其放回酵母细胞内。1982年发表的研究结果引起轰动——这些DNA末端重复序列,即端粒DNA序列,能防止迷你DNA退化。

由于端粒DNA来自四膜虫这种生物,却会保护完全不同的生物酵母的染色体,这就证明存在一种前所未知的基本机制。随后,这一问题逐渐明朗,有着特有序列的端粒DNA存在于从原生生物到高等动物人类的绝大多数生物体身上,如1988年发现了人类端粒重复序列为TTAGGG。

绍斯塔克参与的这部分工作的意义不仅限于绍斯塔克人工染色体想法的实现,这还使DNA的大片段克隆成为可能,后来为人类基因组测序的工作立下了汗马功劳。正在美国国立卫生研究院(NIH)作博士后工作的廖新化博士认为,这也是绍斯塔克分享这次诺贝尔奖的重要原因之一。

师生合作做出伟大发现

但科学家此时仅仅只是摸着了端粒的尾巴。

布莱克本并不清楚这些重复序列是如何加到染色体末端的,因为带着四膜虫端粒DNA的人工染色体导入到酵母后,被加上了酵母的端粒而不是四膜虫的端粒序列。她推测可能有两种机制:一是端粒序列由重组而来;另一种可能则是这些序列在体内被合成。而后者中,如果有一种酶来参与合成过程的话,这个假设将更具有说服力。

这个黑匣子的打开一直等到格雷德德到来。

格雷德目前在巴尔的摩的约翰•霍普金斯大学,她是在做布莱克本的研究生时,和布莱克本一起发现了端粒酶,1984年的圣诞节,格雷德在细胞提取物中第一次发现了酶活动迹象。接着,她和导师一起纯化提取物,结果表明其由RNA和蛋白质组成。她们将分离出的物质称为端粒酶。

端粒酶可以延长端粒DNA,提供复制整条染色体的平台,使DNA复制不会错过最后部分染色体的整个长度。

“让一个研究生参加如此困难、少为人知的项目需要相当的胆识,”美国国家总医学科学研究所所长杰里米•伯格(Jeremy Berg)说,但是,格雷德带着对科学的热忱,又“充满了激情、精力和知识等成功所必备的品质”,伯格赞道,“就算在全A的学生中,她也是出类拔萃的。”

1985年,两位女性——格雷德和其导师布莱克本一道,把这项结果发表在了《细胞》(Cell)杂志上。

对衰老、癌症和干细胞的解释

格雷德在一个新闻发布会上说:诺贝尔奖“是颂扬基本的、好奇心驱使的科学,当时,我们并不知道这对某种特定疾病有什么影响”。

但事实上,布莱克本、格雷德和绍斯塔克的发现,增加了我们对细胞的认识新层面,揭示疾病发病机制的情况,并刺激了潜在的新疗法的开发。许多科学家猜测,不仅是个别细胞,当生物作为一个整体时,端粒缩短也可能是衰老的原因。在多数体细胞中,老年个体的端粒长度较年轻个体短得多,某些细胞,如T、B 淋巴细胞中的端粒酶活性随年龄的增加而下降。

端粒对某些罕见的遗传病和癌症的认识非常重要。经过50次分裂,绝大多数人类细胞的端粒酶都会关闭,当染色体被蚕食到一定程度就会阻止细胞分裂,或引发细胞自杀。而在干细胞中,端粒酶则一直保持活跃。

大部分正常的细胞不会频繁分裂,也并不需要很高的端粒酶活性。相反,癌细胞具有无限分裂且维持端粒的能力。那么,它们是如何避免细胞衰老的呢?一种日渐显然的解释发现,癌细胞往往(大约有85%)会增加端粒酶活性。因此,有人建议,癌症可能会用消除或者抑制端粒酶的办法治疗。这一领域正在进行一些研究,包括直接防止提高细胞端粒酶活性疫苗评估的临床试验。

一些遗传性疾病,目前已知是由端粒酶缺陷引起,包括某些先天性再生障碍性贫血,是骨髓干细胞的细胞分裂不足导致的严重贫血。某些皮肤和肺部的遗传性疾病也是由端粒酶缺陷而引起的。

但是,衰老的过程非常复杂,现在认为取决于一些不同的原因,端粒只是原因之一。廖新化称,端粒与端粒酶的发现只是衰老和癌症的correlator(相关者),勉强算得上indicator(指示者),还远不是causer(引起者)。

端粒和端粒酶的发现过程即成为了生物学研究史上的经典案例。廖新化认为,端粒和端粒酶领域的一系列发现贯穿着“发现现象/问题”→“提出概念/模型”→“实验验证”的思路,这个思路对科学工作者的启发意义不言而喻。

值得注意的是,这还是第一次有两位女性科学家同时获得诺贝尔生理学或医学奖。从奖单项来看,此前有192人获奖,其中女性只有8位,占4.17%。如果加上今年获奖的两人,则比例为5.13%。 ★