2018年拉斯克奖(Ⅰ)——基础医学研究奖及医学特殊成就奖

牛 欢 程 杉 丁 卫

(首都医科大学基础医学院生物化学与分子生物学系，北京 100069)

阿尔伯特·拉斯克(Albert Lasker)及其夫人玛丽·沃(Mary Woodard Lasker)于1946年共同创立了拉斯克奖(Lasker Awards)。拉斯克奖在基础研究、临床研究、特殊成就和公共服务领域这四个领域颁发，迄今已成为美国最具声望的生物医学研究奖项，在医学界素有“诺贝尔奖风向标”之称。2018年9月11日，经过由世界各国杰出科学家组成的评审委员会评选，拉斯克基金会授予洛克菲勒大学的戴维·阿利斯(图1)和加州大学洛杉矶分校的迈克尔·格伦斯坦(图2)基础医学研究奖；授予耶鲁大学的琼·斯特恩兹(图3)医学特殊成就奖。

图1 戴维·阿利斯(C. David Allis)[1]

图2 迈克尔·格伦斯坦(Michael Grunstein)[1]

图3 琼·斯特恩兹(Joan A·Steitz)[2]

1 基础医学研究奖

在发现和阐明基因表达过程中组蛋白化学修饰的机制研究中，格伦斯坦和阿利斯分别作出了杰出的贡献。格伦斯坦通过对酵母(Scerevisiae)进行遗传研究，证实了组蛋白对细胞基因表达活化有显著影响，并进一步为解析组蛋白中特定氨基酸在这一过程中发挥的作用奠定了关键的基础；阿利斯发现了组蛋白乙酰转移酶(histone acetyltransferase, HAT)，亦称组蛋白乙酰化酶。这是一种能将乙酰基团与组蛋白中的赖氨酸残基连接在一起的活性蛋白质，继而又证明了组蛋白乙酰化酶的作用可表现为基因表达的协同激活剂。阿利斯和格伦斯坦的发现揭开了一种隐藏的基因控制层，使得此前生物化学研究中长期存在的困惑开始在真核生物的表观遗传水平逐步得到明确的解释。

1.1 寻找研究组蛋白的适合模式生物

格伦斯坦于1970年来到加州大学洛杉矶分校工作。通过4年对海胆(Echinoidea)组蛋白基因在不同发育阶段表达能力的研究，他对组蛋白在基因调控中的作用产生了极大的兴趣。在此过程中，对于怎样回答“为何在真核生物中存在多种组蛋白变异体或亚型”以及“它们的表达是如何进行调控的”等一些基本问题，需要综合使用遗传和生物化学研究方法，而其中的关键之一是减少组蛋白编码基因的数量。海胆胚胎中的每个核心组蛋白约有400个基因拷贝负责编码；而酵母细胞的核心组蛋白(H2A、H2B、H3和H4)仅有两个基因拷贝，需要分析的变异体种类大为减少。于是格伦斯坦开始转换酵母为研究对象。他与博士生约翰·沃利斯(John Wallis)和玛丽·里科斯基(Mary Rykowski)一起研究发现，酵母组蛋白H2B的两个亚型相当于彼此的序列变异体。因此，即使H2B基因缩减为唯一拷贝，酵母仍然可以顺利生长。他们用单组蛋白基因构建酵母菌株，作为反向组蛋白遗传学的实验模型，最终获得了成功。

阿利斯被誉为现代表观遗传学奠基人之一。他在20世纪70年代末开始专注于组蛋白与染色质的生物学研究，他利用一种单细胞纤毛原生动物——四膜虫(Tetrahymena)为实验模型。四膜虫的滋养细胞中含有两套功能不同的基因组：转录活化的体细胞大核和生殖小核。阿利斯希望从四膜虫中提取并纯化组蛋白乙酰转移酶，他推测这种酶在大核中含量丰富。但由于酵母组蛋白H4的末端序列并不是生长必需的[3]，在实验初期的屡屡失败让阿利斯一度怀疑能否真正找到组蛋白乙酰化酶的功能。幸运的是，加入阿利斯实验室的博士吉姆·布朗内尔(Jim Brownell)设计了一种聪明的凝胶试验，从大核提取物中检测出了明显的活性条带。根据这一线索，他们随后从四膜虫中纯化出了一种相对分子质量为55 000 的(p55)蛋白，经过分子克隆和鉴定，确认其具有乙酰转移酶的活性。

1.2 认识组蛋白修饰在基因表达中的重要性

生物学家在20世纪70年代并不了解组蛋白在基因表达中的重要性，认为这些蛋白质更像是一种惰性分子，其功能是参与DNA的结合并形成核小体结构。直到1980年，多数科学家还普遍认为真核基因表达与原核细菌基因的情况所差无几，主要受到转录调节因子的影响，与组蛋白化学修饰关系不大。1975年，格伦斯坦开创了在酵母中针对组蛋白的差异进行基因表达分析的先河，首次明确提出组蛋白是真核细胞基因转录活化的重要调节因子，并且于1988年进一步提出组蛋白及其修饰物本身就是某些转录调节蛋白的直接作用靶点[4]。

1995年，阿利斯在发表于PNAS的文章中报道了在四膜虫中鉴定出一个具有乙酰转移酶活性的蛋白亚基p55[5]，并于1996年进一步对p55进行克隆和测序，得知p55与酵母GCN5P是同源蛋白[6]，表明组蛋白及其乙酰化产物是基因调控的活跃参与者。阿利斯还证明，纯化的GCN5P拥有组蛋白乙酰转移酶活性，可以直接乙酰化组蛋白末端特定的赖氨酸残基。

两位科学家的研究将组蛋白修饰与基因调控紧密联系起来，发现并证明基因表达过程中组蛋白乙酰化发挥着重要的作用，他们还明确指出组蛋白和染色质结构的变化所调控的是基因的转录活性而不影响DNA序列本身。在此基础上，越来越多的医学研究证实许多发育疾病源于组蛋白的错误修饰，因此组蛋白修饰位点也逐渐成为当今疾病治疗和药物设计的重要靶点之一。

1.3 揭示组蛋白化学修饰的生物学作用(图4)

格伦斯坦以酵母为研究对象，除了发现组蛋白的乙酰化修饰对基因的转录活性有重要影响，还发现组蛋白的乙酰化在DNA复制、修复和异染色质形成中都发挥着不可忽视的作用。组蛋白上特定赖氨酸的乙酰化可成为许多调控因子的结合位点；而组蛋白的去乙酰化不仅具有转录抑制作用，也有可能是某些基因激活所必需的[7]。以啤酒酵母为例，他们找到了一种名为Hos2的组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase, HDAC)，主要在基因激活过程中与基因编码区域结合，其中组蛋白H3和H4尾部的赖氨酸去乙酰化是必需的；Hos2及其相关因子Set3是高效转录过程所必不可少的[8]。由此可见组蛋白的乙酰化和去乙酰化作用对于基因转录的调控至关重要。格伦斯坦还在对组蛋白的泛素化研究中发现，泛素化可调节组蛋白甲基转移酶的活性，但并不影响甲基化酶的招募过程。

图4 组蛋白的化学修饰与基因表达的表观遗传调控

阿利斯还多年专注于研究组蛋白修饰是如何传递染色质信号的。他们通过分析组蛋白乙酰转移酶调节转录的共激活因子，发现了组蛋白乙酰化与基因特异性转录激活之间的联系；将组蛋白磷酸化事件与有丝分裂过程相联系，建立了组蛋白磷酸化和乙酰化事件之间的协同作用模型。他提出了表观遗传学著名的“组蛋白密码(Histone Code)”假说：认为纷繁多样的组蛋白修饰携带了一层超越DNA序列的表观遗传信息，协同调控着基因组遗传信息的解读。阿利斯通过研究组蛋白变异体H3.3对染色质结构状态的动态调控，发现在组蛋白分子伴侣HirA介导下，H3.3使染色质处于活化状态；而当组蛋白分子伴侣Daxx存在时，染色质则处于抑制状态。从Daxx-H3.3/H4的复合物结构中可清楚看到组蛋白单个氨基酸的差别足以导致其经由不同的分子途径进入截然不同的存在状态[9]。

不同类型的组蛋白修饰深刻影响着染色质结构和状态改变并引发组蛋白和DNA的聚合与分离，组蛋白的修饰也可以作为直接信号募集一些基因转录的调控因子，进而调节基因转录的“开/关”状态。随着更多组蛋白修饰类型和修饰位点的发现，基因转录调控的研究正在步入“组蛋白修饰酶时代”。通过对组蛋白修饰酶的深入研究以及相应修饰信号相互作用蛋白(reader/writer/eraser)的发现，对“组蛋白密码”的认识和解读将不断取得进展并最终服务人类健康。

阿利斯和格伦斯坦对于组蛋白化学修饰的研究，开创了一个表观遗传研究的新时代。人们可以通过有效的药物设计改变组蛋白的化学修饰状态，探索基因转录调控的本质规律，尝试控制表观遗传学相关疾病的发生和发展。随着高通量大规模核酸测序技术的快速发展和应用，全基因组水平的基因表达调控研究将极大地推进表观基因组学的诞生与进展。当前，RNA深度测序技术结合组蛋白修饰异常的发现已经开始在人类疾病的诊断和治疗研究中得到应用，一些被发现的组蛋白修饰酶相继成为肿瘤治疗中有吸引力的潜在药物靶点。表观遗传学这一新兴的学科已经成为生命科学中发展最快的领域之一，其中不乏世界各地的华裔科学家所做出的一系列重要贡献。

2 医学特殊成就奖

斯特恩兹四十年如一日的努力为RNA领域的研究作出了重要的贡献，同时她还在维护女性从事科学研究权益的事业上不遗余力。她对于科学发现的感言是：“如果你坚持自己的研究领域，你就会提出各种各样的新观点。一些观点可能是被忽视的，而有些总是以一种意想不到的方式摆在你面前……”。斯特恩兹获得的拉斯克医学特殊成就奖表彰她长期在生物医学领域发挥着师长和领导者的作用。她以发现RNA相关功能及作用而闻名，包括对核糖体如何通过互补碱基对与信使RNA相互作用的突破性研究，以及外显子的拼接是由真核生物中的snRNPs参与形成的。她慷慨地指导初露头角的科学家，并积极支持女性从事科学研究，这使她成为了大众尤其是新兴女性研究者的榜样。斯特恩兹一直致力于让科学界的所有成员都充分参与科学研究，因为她坚信，实现这一目标对于促进科学事业的创新与发展是非常必要的。

斯特恩兹出生于明尼苏达州的明尼阿波利斯市，1963年在俄亥俄州的安提俄克(Antioch)学院获得了化学学士学位。在麻省理工实验室作为实习生的经历，让她第一次对分子生物学产生了兴趣。而当时的分子生物学领域几乎没有成功的女性科学家，人们难免对女性从业者存有一些怀疑和偏见。在完成本科学业后，斯特恩兹申请了医学院而并非研究生院，她想要成为女医生而不是女科学家。然而，在她顺利地被哈佛医学院录取后，她却拒绝了邀请，转而去攻读生物化学和分子生物学这个当时的新兴学科。她加入了诺贝尔奖获得者、DNA双螺旋发现人之一詹姆斯·沃森(James Watson)的实验室，成为该实验室第一位女研究生，她和沃森一起开始研究噬菌体的RNA及其转录。

1969年，斯特恩兹在Nature上发表了一篇开创性的论文，揭示了转录起始点的核苷酸序列特征[10]。1975年，她又发现了核糖体可利用互补碱基来识别mRNA的转录起始位点。1980年，斯特恩兹与迈克尔·勒纳(Michael Lerner)合作发表了另一篇关键论文，利用自身免疫病患者的体内抗体和免疫沉淀法分离并鉴定出一种新的生物活性物质snRNPs[11]。通过检测它们在剪接中的作用得知：snRNA是一种约150个核苷酸长的RNA，与蛋白质结合形成snRNP，参与转录新生pre-mRNA的剪接。斯特恩兹还发现了另一种RNP颗粒，即snoRNP，同样可参与一些mRNA的剪接反应。通过对snoRNPs基因位置的分析，她发现内含子并不是人们一度所认为的“垃圾DNA”，而在很大程度上影响着“选择性RNA剪接(alternative RNA splicing)”的现象。斯特恩兹对snRNPs和snoRNPs的发现帮助认识了一个神秘的事实：人类的基因数量仅是果蝇的两倍，但选择性剪接使人体内每个基因的实际编码信息量获得了大幅度增加。

斯特恩兹谈到，当她刚开始从事科学事业时，并未意识到自己在潜意识上对女性也是存在着偏见的。直到2005年加入美国国家科学院(National Academy of Sciences)并撰写《超越偏见与障碍》(BeyondBiasandBarrier)时，她才开始转变思想，积极消除科学中的性别偏见，倡导实验室的公平公正。十余年来，斯特恩兹领导Jane Coffin Childs基金会向初级专业研究者提供博士后奖学金。在整个职业生涯中，她全力以赴地为所有的成员能在科学界获得足够的包容和支持而奋斗，并激励了无数从事STEM(science-technology-engineer-mathematics, 科学-技术-工程-数学)事业的女性工作者。

斯特恩兹一直是“科学领域女性不知疲倦的推动者”。对科学研究的不懈追求以及对后来者的真诚指导使她成为生物医学领域的领袖和榜样，她对RNA研究的热情感染着每一位初露头角的科学家。加州大学旧金山分校(University of California, San Francisco)的克里斯汀·格思里(Christine Guthrie)认为：“毫无疑问，琼是小分子RNA和RNP颗粒世界最著名的贡献者，也是我们这一代最伟大的科学家之一。”贝勒医学院(Baylor College of Medicine)的苏珊·伯格(Susan Berget)称赞：“她的洞察力洋溢着一种真正的灵感。她的假说将这一领域向前推进了数光年，并预示着一场小分子RNA领域的雪崩，这些RNA已经被发现在RNA生物合成的多个步骤中发挥着作用。”