2016诺贝尔生理学或医学奖 大隅良典：做别人没做过的事

曹玲

“大隅教授是一个对科学非常专注的人，从不追求热门，不追求在影响因子高的杂志上发表文章，也不觉得需要和别人竞争什么，他喜欢做别人没有做过的事情。”

一人独揽大奖

当地时间10月3日，瑞典卡罗琳医学院宣布将2016年诺贝尔生理学或医学奖授予日本科学家大隅良典，以表彰他在细胞自噬机理研究中取得的成就。

近几年来，细胞自噬一直被视作得诺奖的热门而屡屡出现在各类诺奖预测名单中，国内这个领域的研究人员纷纷表示一点也不感到意外。“10年前大家就认识到细胞自噬的工作极其重要，会得诺奖，只是不知道何时得奖。”中科院生物物理所张宏研究员说。

现年71岁的大隅良典是日本知名分子细胞生物学家，目前担任日本东京工业大学名誉教授。从照片上来看，他的造型非常像宫崎骏，区别在于宫崎骏戴的是黑框眼镜，他戴的是无框眼镜。接到获奖消息时，他还在实验室工作，对自己单独获奖感到十分意外。“这一领域的研究发展迅速。我刚开始做研究的时候，每年只有约不到20篇关于细胞自噬的论文发表，如今这一数字超过5000。在过去的15年间，细胞自噬研究经历了巨大的变化。”他说。

细胞自噬领域还有几位重磅人物，此前有人预测奖项还可能会颁发给美国密歇根大学的丹尼尔·克利昂斯基（Daniel Klionsky）教授和德克萨斯西南医学中心的贝丝·莱文（Beth Levine）教授。前者最早在《科学》杂志上发表综述介绍自噬，2005年创办了此领域第一本杂志《自噬》，目前他任主编，张宏任副主编;后者于1999年发现了第一个与乳腺癌抑制因子相关的哺乳动物自噬基因beclin1，这是科学家们首次发现与人类基因相关的自噬基因。此外，大隅良典的两位高足——大阪大学教授吉森保和东京大学教授水岛昇也是这个领域的顶级学者，大大推动了自噬研究的发展。

张宏表示他非常理解此次的生理学或医学奖为何只颁给大隅良典一个人，他表示：“大隅教授不光建立了细胞自噬研究模型，还找到了相关的基因，对于自噬分子机制的理解也是更高一筹。”接受采访时，张宏说自己正在给丹尼尔·克利昂斯基和贝丝·莱文写电子邮件，“主要是安慰他们，得不得奖没有关系，贡献是大家都认可的”。

中科院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所胡荣贵研究员也表示，大隅良典一个人得奖毫无争议，实至名归。“他原创性地建立了细胞自噬的框架，他的工作非常系统和深入，没有人能够超越他。”

“自噬”（autophagy）来源于希腊语的“自我”（auto）和“吞噬”（phagein），自噬表示的就是“自己把自己吃掉”（self eating）。20世纪50年代中期，科学家发现了一种新的细胞器，含有消化蛋白、碳水化合物和脂类的酶，被称为溶酶体，能够降解细胞内部物质。

20世纪60年代，新的研究发现，溶酶体里有时会出现大量的细胞组分甚至是其他细胞器，细胞似乎有一种策略能够将大型“货物”运输到溶酶体中。进一步的生化和显微分析表明，细胞是通过一种新的囊泡运输机制，将这些大型物体送入溶酶体来实现降解。1963年的国际溶酶体大会上，比利时细胞生物学家克里斯汀·德·迪夫（Christian de Duve）将这种细胞中存在的包裹细胞质和细胞器的膜泡发生现象定义为自噬，这些囊泡也被命名为自噬体。1974年，迪夫因其1955年发现了溶酶体而获得诺贝尔生理学或医学奖。

20世纪七八十年代，研究人员主要关注另外一种降解蛋白质的系统，即蛋白酶体。这个领域于2004年获得诺贝尔化学奖，此后研究者们对蛋白酶体展开了大量研究。蛋白酶体可有效降解蛋白质，但是这个机制并不能解释细胞是如何处理掉大型蛋白复合物以及老的细胞器。那么自噬或许能解释这个问题，如果真是如此，那自噬背后具体的机制又是怎样的呢？

因为细胞自噬现象研究起来比较困难，所以长期以来人们对此知之甚少。直到20世纪90年代大隅良典进行了一系列实验，他利用面包酵母鉴别出编码自噬作用的关键基因，然后进一步阐明了酵母中自噬作用的分子机制，并且发现人类的体细胞中也有类似机制，而且更为复杂。

诺贝尔生理学或医学奖评委会主席朱琳·吉拉斯在评价大隅良典的研究成就时表示：“你可以这样理解，此前溶酶体一直被认为是一个垃圾场。在大隅良典的研究成果发布之前，人们知道细胞中存在这样一个机构，但是他的研究显示，溶酶体并不是毫无用处的垃圾场，而是一个回收站，它拥有非常复杂巧妙的工作机理。”

追踪酵母液泡

2012年，大隅良典在接受《细胞生物学杂志》（Journal of Cell Biology）采访时表示，自己从事科学研究很可能受到父亲的影响。大隅的父亲是日本九州大学的一名工程教授，所以他从小就对学术生活非常熟悉。高中时，他对化学感兴趣，进入东京大学理学部学习化学，但很快发现化学并非真的吸引他。

上世纪60年代早期是分子生物学的黄金时代，他想转而从事这方面的研究。当时日本的分子生物学实验室并不多，大隅进入今堀和友教授的实验室研究大肠杆菌中的蛋白合成。遗憾的是，他并没有获得非常好的结果，博士毕业时，发现自己很难找到一份好的工作。在导师的推荐下，他去美国纽约洛克菲勒大学的杰拉尔德·埃德尔曼（Gerald Edelman）那里从事博士后研究。埃德尔曼因为发现免疫球蛋白的轻重双体结构而获得1972年诺贝尔生理学或医学奖。

2016年诺贝尔生理学或医学奖得主、日本分子细胞生物学家大隅良典。他因发现了细胞自噬机制而荣获该奖项

大隅良典说，那是他生命中最困难的时光。他原本研究的是大肠杆菌，但是在埃德尔曼的实验室，他转到哺乳动物细胞和发育生物学领域，要建立一种用于小鼠体外受精研究的系统。他对早期胚胎学知之甚少，而且只有少量的卵子来开展研究，这让他感到非常沮丧。一年半之后，麦克·贾温斯基（Mike Jazwinski）加入埃德尔曼博士的实验室，大隅决定和他一起研究酵母中的DNA复制。这是他首次接触酵母细胞，没料到这种细胞此后贯穿了他的整个学术生涯。

1977年大隅良典回到东京大学担任助教，1986年才晋升为讲师，1988年晋升为副教授，终于拥有了自己的实验室，那一年他已经43岁。他对《细胞生物学杂志》说：“我并不会说那时我拥有一个非常成功的研究生涯;我遇到很多困难，不过这些困难主要是我自己造成的。”

回到日本之后，他就开始认真研究酵母的液泡。当时，液泡被认为是细胞中的垃圾桶，没有多少人对它感兴趣，因此他认为研究液泡中的物质转运将是不错的选择，他不会遇到太多竞争。选择研究液泡生理学的另一个原因是当他还在埃德尔曼的实验室时，曾尝试过分离酵母细胞的细胞核，发现获得纯的液泡比较容易。利用这些制备的液泡，他能在液泡膜上发现很多主动转运系统，包括将质子泵进液泡中的液泡型ATP合成酶。于是他决定研究酵母液泡的裂解功能，那时人们对液泡内被降解的物质是什么，以及这些物质怎么降解的都知之甚少。他曾多次表示他对显微镜的热爱。“我非常喜欢用显微镜观察。液泡是在光学显微镜下唯一可看到的酵母细胞器，我经常观察它们。在显微镜下观察，是我能发现液泡具有生理功能的根本原因。”

液泡是一个细胞器。由于酵母细胞比较容易研究，因此它们经常被用来作为人类细胞的模型，尤其是在鉴别对于复杂细胞通路非常重要的基因时，酵母细胞非常有用。不过大隅良典遇到了一个棘手的挑战，由于酵母细胞非常小，即使在显微镜下也不容易分辨其内部的结构，同时研究者也并不确定酵母细胞中是否存在自噬过程。大隅推断：是否能在自噬过程处于活性状态时，干扰液泡中的降解过程，随后自噬体就会在液泡中累积，从而在显微镜下被观察到。

因此他培养了缺失液泡降解酶的酵母突变体，同时通过让细胞“挨饿”逐渐地刺激酵母发生自噬。结果令人震惊，不到一个小时，液泡中就充满小型的囊泡结构，而且这些结构不会被降解，这些囊泡就是自噬体。他的实验证明了酵母中存在自噬作用。更重要的是，他找到了一个可以验证和表征自噬过程中关键基因的方法。1992年，大隅发表了这个关键性突破。

之后，他利用基因工程改造的酵母开展了进一步的研究。如果对自噬有影响的基因失活，那么这个自噬体积累过程不会发生。大隅良典将酵母细胞暴露在特殊的化学物质中，以诱导其基因发生随机的突变，然后再诱导这些细胞进行自噬。在发现酵母中存在自噬过程后的一年内，他就鉴定出和自噬有关的第一个基因，在接下来一系列研究中，他进一步确定了这些基因所编码的蛋白质的性质，结果显示，自噬过程被一系列级联的蛋白和蛋白复合体控制，每一种都能调节自噬开始和进行过程中的具体阶段。

在确定酵母的自噬机制后，一系列问题诞生了，那就是其他生命体中是否也有相应的机制控制自噬过程？研究人员很快发现，我们的细胞中运行着几乎相同的机制，通过使用可用的研究工具，科学家们调查了自噬在人类机体中的重要性。

自噬在细胞应对短暂的生存压力时，降解自身的非必需成分来提供营养和能量，从而维持生命。细胞为什么会出现这种反应？沃约·德雷蒂奇（Vojo Deretic）在《科学美国人》上写道：“想一想当食物匮乏时，生物体会有怎样的反应：它的生理活动肯定不会立即停止，而是开始分解体内储存的营养物质。最先被分解的是脂肪细胞，如果一直没有食物供应，肌肉细胞最终也会被分解，为基本的生理活动提供能量。同样，当细胞缺乏养分时，它们也会分解自己的一部分，维持基本的生理活动。不论细胞的养分是否充足，自噬体始终处于活跃状态，也就是说，它一直在一点一点地吞噬细胞质，不断更新细胞质中的各种组分。如果遇到养分不足、缺氧、生长因子缺乏等特殊情况，细胞就会组装更多的自噬体。因此，当细胞缺乏养分时，自噬体的活动就会增强，将细胞质中的蛋白质和细胞器（不管其功能正常与否）分解成可利用的养分和能量。”

越研究越重要

自噬是一种进化上非常古老和保守的代谢途径，在细胞对抗饥饿以及其他困境时扮演了至关重要的角色。在感染后，细胞可以通过自噬来消灭入侵的细菌或是病毒，自噬作用也有助于胚胎发育和细胞分化。同时，自噬也用于消除受损的蛋白质和细胞器，这是细胞内部的质量控制机制，对于对应老化带来的消极影响有着至关重要的作用。无论哪一种自噬功能的丧失都会影响到细胞的健康，甚至于基因组的完整性和稳定性，导致疾病的产生，如癌症、衰老、肝损伤、神经退行性便便和微生物感染等等。

“细胞自噬最基本的功能就是自我循环，除此之外它还可以清除衰老的细胞器或者被氧化损伤的蛋白。如果我们的细胞里存在损坏的或有毒的蛋白质，长期积累会引发神经退化性疾病，如阿尔兹海默症、帕金森症或者糖尿病。”胡荣贵说。

即使自噬系统运作良好，它仍可能对人体不利。当癌症病人接受了放疗及化疗后，自噬系统可能救活奄奄一息的癌细胞，使癌症无法根治。“自噬作用对肿瘤细胞来说有双向调节的作用。在肿瘤产生过程中，细胞中氧化损伤的蛋白累积会造成更多的蛋白质损伤，最后导致DNA损伤，DNA损伤无法修复就会导致癌变，这时候自噬作用可以抑制正常细胞的恶性转化和肿瘤发生。在肿瘤出现之后，肿瘤周边有血管供应氧气和营养物质，但内部的癌细胞没有办法得到充足的营养和氧气，它们需要调整代谢状态，保证在恶劣的环境下生存，此时自噬作用能帮助癌细胞抵抗不良体内微环境和细胞应激，促进肿瘤细胞生存与疾病的发展。”胡荣贵说。自噬在癌症中所起的作用极其复杂，由于自噬在癌症临床治疗的巨大潜力使得自噬与癌细胞的关系成为当今的一个研究热点。

目前，大量的研究正在如火如荼进行中，为多种疾病开发可以让病灶自噬的药物，一些调节自噬的药物也被用于临床肿瘤治疗的研究中。在肿瘤发展阶段，细胞在面对各种死亡刺激，如放疗、化疗及靶向治疗时，反应性地提高细胞内基础自噬水平以适应恶劣环境而促进肿瘤发展，联合应用自噬抑制剂可以提高多种肿瘤治疗的敏感性。比如雷帕霉素是一种传统的免疫抑制剂，后来发现它可以作为一种有效的自噬诱导剂，让某些肿瘤对化疗药物更敏感。另一方面，自噬的持续激活会最终导致肿瘤细胞自噬性死亡，对于一些耐药或者凋亡耐受的肿瘤细胞，通过诱导自噬性死亡可能会取得更好的治疗效果。

很多疾病的发病率，都随着年龄的增长而升高，比如癌症和神经退行性疾病。有科学家认为，原因可能在于年龄增加后自噬作用的效率降低了，尤其是负责清除异常蛋白及细胞器的系统。如果它们的工作效率降低，会导致有害物质大量累积，最终引发疾病。这种理论可以解释为什么热量限制可以延长多种实验动物的平均寿命，也就是民间所说的吃饭要吃七分饱。这是因为限制养料的供给会让细胞感到“饥饿”，加速自噬，从而减缓衰老。

自噬现象和疾病的关系越来越密切，了解如何控制自噬作用，对于治疗疾病甚至延缓衰老进程都有重大意义。“实际上，我们在这个领域的研究还仅仅只是刚刚开始。”张宏说，他从2009年进入这个领域的研究，在高等生物中建立了筛选体系，已经找到11个酵母中不存在，但是在多细胞生物中存在的自噬基因。“目前对自噬的研究局限于酵母或者哺乳动物细胞器里，对发育过程中自噬是如何被调控的，特别是人体中的机制，我们所知甚少，自噬和疾病的关系只是触及一些皮毛，距离转化到临床药物的过程就更远了。”

张宏和胡荣贵都是2009年认识大隅良典的，他经常来中国进行学术交流，和中国学者合办了中日自噬交流会，目前已经召开了四届会议，分别在西安、东京、敦煌和北京举办，下一届打算在奈良召开。大隅良典还发起了国际自噬研讨会，去年在中国黄山召开，张宏是大会主席。黄山是张宏的故乡，会议期间，他还带大隅教授去自己出生的农村看了看。“他为人诚恳，非常低调和谦虚，从不指手画脚，是一个很好的典范，在业内深受大家敬重。”张宏说。

胡荣贵也持有相同的看法，他说：“大隅教授有着浓厚的学者气质，是一位德高望重的科学家，大家对他的尊敬是公认的。”

“他是一个对科学非常专注的人，从不追求热门，不追求在影响因子高的杂志上发表文章，也不觉得需要和别人竞争什么，他喜欢做别人没有做过的事情。”张宏说。大隅良典在接受日本媒体采访时也曾说过：“大家都做的领域不是要争第一就是要快出成绩，我对此不感兴趣，我喜欢观察谁都没有见过的现象。”他表示自己没有很强的竞争性，总是选择一个新的课题开展研究，即便它并不是很流行。“如果你从某种基础性的新的观察结果开始研究，那么你将有很多东西需要研究。”

大隅良典曾多次对张宏表示，无论是中国还是日本，对基础科学的关注都是不够的。“日本以前关注基础科学，现在也在逐渐偏向于转化方面的研究，他觉得自己已经得了很多荣誉，不在乎还得不得诺奖，但是如果能得诺奖的话，他希望能通过自己的影响促使日本政府、民间和媒体对基础科学给予更多关注。”