由一道试题引起对“四膜虫”的展望

张卓鹏

最近南通通州区高三模拟考试中出现一道生物多选题，该题答案引起教师争议。原题如下：

下列关于某人B淋巴细胞和胰岛B细胞内基因、酶以及ATP的说法，正确的是（ ）

A. 酶和ATP都是基因表达的产物

B. 基因种类相同，酶种类不完全相同

C. 与ATP合成有关的酶种类相同

D. 两种细胞内合成ATP的主要场所是线粒体，合成酶的场所是核糖体

参考答案：BCD。

有师生认为选项D有误，原因是认为酶的化学本质一般为蛋白质，少数为RNA，合成蛋白质的场所是核糖体，而合成RNA的场所是细胞核、线粒体，故觉得“合成酶的场所是核糖体”表达不严谨。但也有师生认为选项D正确，原因是题干强调的是“某人B淋巴细胞和胰岛B细胞内”，即人体细胞内，认为人体细胞中的酶都是蛋白质。

分歧的焦点在于人体细胞中有没有以RNA作为酶的实例。这引起了笔者对“四膜虫”的回忆和展望，“四膜虫”在诺奖史上多次建立功勋，然而最近似乎有点被人们淡忘。

1 酶概念因“四膜虫”而修改

在20世纪90年代之前，酶的定义为：酶是活细胞产生的具有催化作用的一类蛋白质。由酶催化的反应称为酶促反应，酶所作用的物质称为底物，酶所具有的催化能力称为酶的活性。

20世纪80年代，美国科学家切赫和奥特曼研究发现少数RNA也具有生物催化功能，两人同时荣获1989年诺贝尔化学奖。他们关于核糖核酸（RNA）具有催化活性的发现，使生物学的两大领域发生了根本变化：它不但修正了“所有的酶都是蛋白质”的长期存在的传统理念，而且对于生命起源的问题也需要从不同的角度来认识了。其中切赫就因为在四膜虫中发现了核酶而获得当年的化学奖。而人体细胞中有没有以RNA作为酶的实例目前未见报道，故原题答案为BCD。

20世纪90年代后，将酶的定义修改为：酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物，其中绝大多数酶是蛋白质。

2 “四膜虫”再成诺奖“得主”

2009年诺贝尔生理学或医学奖授予了3位美国科学家——伊丽莎白·布莱克本、卡萝尔·格雷德、杰克·绍斯塔克，以表彰他们发现了端粒和端粒酶保护染色体的机理。然而，当大众和媒体的视线更多地聚焦在3位科学家的经历和该项研究对人类癌症和衰老重要意义的时候，却忽略了一个小小的生命——只有约50 μm大小的四膜虫。

1978年，布莱克本正是在这个单细胞真核生物中发现了染色体的末端——端粒，并于1985年和她的学生格雷德在四膜虫中进一步发现了形成端粒的端粒酶。因此，在某种意义上，四膜虫再次成为诺贝尔奖“得主”。布莱克本在研究四膜虫的染色体时，证实在染色体的末端的一个DNA序列可以多次重复。在1980年的一次研讨会上，布莱克本报告了她的发现。其研究结果引起了绍斯塔克的兴趣。于是，他们进行了一项在遥远物种之间的跨界的实验。

布莱克本从四膜虫的DNA中分离出了CCCCAA序列。而绍斯塔克把这个序列复制到微型染色体中并把它们放回酵母细胞内。布莱克本和绍斯塔克证明了以前未曾认识到的重大机理的存在，并在1982年5月的《细胞》杂志的论文中阐述了端粒的作用：在端粒中有一个特定的DNA序列保护染色体不被降解，保护染色体免于退化（图1）。

3 四膜虫的简介

其实，四膜虫离人们并不遥远，它们广泛分布在世界各地的淡水水体中，只是单细胞的它只有针尖大小，不被人们注意。

四膜虫是一种单细胞真核生物，分布在全球的淡水水域中，属于原生生物门纤毛虫纲，与一般人所熟知的草履虫在形态生理上十分相似。四膜虫外观呈椭圆长梨状，体长约50 μm，全身布满数百根长约4～6 μm长的纤毛，纤毛排列成数十条纵列，是不同种间纤毛虫分类的特征之一。四膜虫身体前端具有口器，有三组三列的口部纤毛，早期在光学显微镜下观察时看似有四列膜状构造，故据此命名。

四膜虫细胞最大的特点是在一个细胞中有两种核：小核和大核。具有众多染色体的四膜虫大核好比一个丰富的资源库，为研究遗传物质DNA代谢所需的分子提供了基础。这也是作为染色体末端的端粒最早在四膜虫中发现的重要原因。

在过去50年中，科研人员在以四膜虫为实验对象的基础研究中取得了一系列突破性成果。如20世纪60年代第一个微管动力蛋白的发现、70年代端粒的发现、80年代核酶与端粒酶的发现、90年代组蛋白乙酰化翻译后修饰功能的发现成为当下热点研究表观遗传学的经典文献之一、大核DNA重整中RNAi机制的存在作为共同发现者被评为2002年美国Science杂志十大科学发现之一。

4 “四膜虫”的研究展望

2005年底，美国科学家完成了嗜热四膜虫大核基因组的测序计划并建立了相应的预测基因数据库。比较基因组学的研究表明，嗜热四膜虫较酵母等单细胞模式生物和人类具有更多的直系同源基因，其中就包括了58个与人类疾病有关的基因；作为先进的分子遗传学工具，四膜虫中已建立起一系列成熟的基因重组和细胞转染等分子遗传学操作方法和技术，使得在嗜热四膜虫中进行基因敲除/插入、基因表达抑制和基因过表达等十分方便快捷。同时，四膜虫还具有生长快速、培养简单经济、操作精确度高和可控性强等特点，是一种重要的单细胞真核模式生物。

然而，一直以来，有关四膜虫的社会认知度和关注度却远不如其他真核模式生物，直接导致了各国四膜虫研究投入的不足和四膜虫研究群体的减少。在我国，20世纪80年代是四膜虫研究的鼎盛时期，北京大学陈阅增先生和华东师范大学张作人先生等在四膜虫的有性生殖等方面取得了重要进展。90年代随着传统四膜虫研究小组陆续关闭或改变研究兴趣，我国四膜虫研究进入低谷。

进入21世纪，中科院水生生物研究所和山西大学等单位通过和国际顶尖四膜虫实验室的合作，使我国四膜虫研究重新得到快速发展。其中，和美国罗切斯特大学合作构建了世界上第一个纤毛虫全基因组基因表达芯片分析平台，完成了嗜热四膜虫3种典型生理或发育状态共20个时期的全基因组表达数据的采集和分析，为四膜虫功能基因组学的开展奠定了基础，被同行评价为纤毛虫分子生物学研究中的重要里程碑，以此为基础建立的四膜虫基因表达数据库已成为世界四膜虫研究的重要资源。

综上分析，“四膜虫”有望成为21世纪分子遗传学的“明星材料”，如同当年孟德尔研究遗传定律选用的“豌豆”、摩尔根选用的“果蝇”一样，名垂青史。我们共同期待着小小四膜虫在下一个十年对科学研究的又一巨大突破！