牛 歡 程 杉 丁 衛(wèi)

(首都醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)與分子生物學(xué)系，北京 100069)

阿爾伯特·拉斯克(Albert Lasker)及其夫人瑪麗·沃(Mary Woodard Lasker)于1946年共同創(chuàng)立了拉斯克獎(Lasker Awards)。拉斯克獎在基礎(chǔ)研究、臨床研究、特殊成就和公共服務(wù)領(lǐng)域這四個領(lǐng)域頒發(fā)，迄今已成為美國最具聲望的生物醫(yī)學(xué)研究獎項(xiàng)，在醫(yī)學(xué)界素有“諾貝爾獎風(fēng)向標(biāo)”之稱。2018年9月11日，經(jīng)過由世界各國杰出科學(xué)家組成的評審委員會評選，拉斯克基金會授予洛克菲勒大學(xué)的戴維·阿利斯(圖1)和加州大學(xué)洛杉磯分校的邁克爾·格倫斯坦(圖2)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究獎；授予耶魯大學(xué)的瓊·斯特恩茲(圖3)醫(yī)學(xué)特殊成就獎。

圖1 戴維·阿利斯(C. David Allis)[1]

圖2 邁克爾·格倫斯坦(Michael Grunstein)[1]

圖3 瓊·斯特恩茲(Joan A·Steitz)[2]

1 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究獎

在發(fā)現(xiàn)和闡明基因表達(dá)過程中組蛋白化學(xué)修飾的機(jī)制研究中，格倫斯坦和阿利斯分別作出了杰出的貢獻(xiàn)。格倫斯坦通過對酵母(Scerevisiae)進(jìn)行遺傳研究，證實(shí)了組蛋白對細(xì)胞基因表達(dá)活化有顯著影響，并進(jìn)一步為解析組蛋白中特定氨基酸在這一過程中發(fā)揮的作用奠定了關(guān)鍵的基礎(chǔ)；阿利斯發(fā)現(xiàn)了組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶(histone acetyltransferase, HAT)，亦稱組蛋白乙?；浮＿@是一種能將乙?；鶊F(tuán)與組蛋白中的賴氨酸殘基連接在一起的活性蛋白質(zhì)，繼而又證明了組蛋白乙?；傅淖饔每杀憩F(xiàn)為基因表達(dá)的協(xié)同激活劑。阿利斯和格倫斯坦的發(fā)現(xiàn)揭開了一種隱藏的基因控制層，使得此前生物化學(xué)研究中長期存在的困惑開始在真核生物的表觀遺傳水平逐步得到明確的解釋。

1.1 尋找研究組蛋白的適合模式生物

格倫斯坦于1970年來到加州大學(xué)洛杉磯分校工作。通過4年對海膽(Echinoidea)組蛋白基因在不同發(fā)育階段表達(dá)能力的研究，他對組蛋白在基因調(diào)控中的作用產(chǎn)生了極大的興趣。在此過程中，對于怎樣回答“為何在真核生物中存在多種組蛋白變異體或亞型”以及“它們的表達(dá)是如何進(jìn)行調(diào)控的”等一些基本問題，需要綜合使用遺傳和生物化學(xué)研究方法，而其中的關(guān)鍵之一是減少組蛋白編碼基因的數(shù)量。海膽胚胎中的每個核心組蛋白約有400個基因拷貝負(fù)責(zé)編碼；而酵母細(xì)胞的核心組蛋白(H2A、H2B、H3和H4)僅有兩個基因拷貝，需要分析的變異體種類大為減少。于是格倫斯坦開始轉(zhuǎn)換酵母為研究對象。他與博士生約翰·沃利斯(John Wallis)和瑪麗·里科斯基(Mary Rykowski)一起研究發(fā)現(xiàn)，酵母組蛋白H2B的兩個亞型相當(dāng)于彼此的序列變異體。因此，即使H2B基因縮減為唯一拷貝，酵母仍然可以順利生長。他們用單組蛋白基因構(gòu)建酵母菌株，作為反向組蛋白遺傳學(xué)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停罱K獲得了成功。

阿利斯被譽(yù)為現(xiàn)代表觀遺傳學(xué)奠基人之一。他在20世紀(jì)70年代末開始專注于組蛋白與染色質(zhì)的生物學(xué)研究，他利用一種單細(xì)胞纖毛原生動物——四膜蟲(Tetrahymena)為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｋ哪はx的滋養(yǎng)細(xì)胞中含有兩套功能不同的基因組：轉(zhuǎn)錄活化的體細(xì)胞大核和生殖小核。阿利斯希望從四膜蟲中提取并純化組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶，他推測這種酶在大核中含量豐富。但由于酵母組蛋白H4的末端序列并不是生長必需的[3]，在實(shí)驗(yàn)初期的屢屢失敗讓阿利斯一度懷疑能否真正找到組蛋白乙?；傅墓δ?。幸運(yùn)的是，加入阿利斯實(shí)驗(yàn)室的博士吉姆·布朗內(nèi)爾(Jim Brownell)設(shè)計(jì)了一種聰明的凝膠試驗(yàn)，從大核提取物中檢測出了明顯的活性條帶。根據(jù)這一線索，他們隨后從四膜蟲中純化出了一種相對分子質(zhì)量為55 000 的(p55)蛋白，經(jīng)過分子克隆和鑒定，確認(rèn)其具有乙酰轉(zhuǎn)移酶的活性。

1.2 認(rèn)識組蛋白修飾在基因表達(dá)中的重要性

生物學(xué)家在20世紀(jì)70年代并不了解組蛋白在基因表達(dá)中的重要性，認(rèn)為這些蛋白質(zhì)更像是一種惰性分子，其功能是參與DNA的結(jié)合并形成核小體結(jié)構(gòu)。直到1980年，多數(shù)科學(xué)家還普遍認(rèn)為真核基因表達(dá)與原核細(xì)菌基因的情況所差無幾，主要受到轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子的影響，與組蛋白化學(xué)修飾關(guān)系不大。1975年，格倫斯坦開創(chuàng)了在酵母中針對組蛋白的差異進(jìn)行基因表達(dá)分析的先河，首次明確提出組蛋白是真核細(xì)胞基因轉(zhuǎn)錄活化的重要調(diào)節(jié)因子，并且于1988年進(jìn)一步提出組蛋白及其修飾物本身就是某些轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白的直接作用靶點(diǎn)[4]。

1995年，阿利斯在發(fā)表于PNAS的文章中報(bào)道了在四膜蟲中鑒定出一個具有乙酰轉(zhuǎn)移酶活性的蛋白亞基p55[5]，并于1996年進(jìn)一步對p55進(jìn)行克隆和測序，得知p55與酵母GCN5P是同源蛋白[6]，表明組蛋白及其乙?；a(chǎn)物是基因調(diào)控的活躍參與者。阿利斯還證明，純化的GCN5P擁有組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶活性，可以直接乙?；M蛋白末端特定的賴氨酸殘基。

兩位科學(xué)家的研究將組蛋白修飾與基因調(diào)控緊密聯(lián)系起來，發(fā)現(xiàn)并證明基因表達(dá)過程中組蛋白乙?；l(fā)揮著重要的作用，他們還明確指出組蛋白和染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化所調(diào)控的是基因的轉(zhuǎn)錄活性而不影響DNA序列本身。在此基礎(chǔ)上，越來越多的醫(yī)學(xué)研究證實(shí)許多發(fā)育疾病源于組蛋白的錯誤修飾，因此組蛋白修飾位點(diǎn)也逐漸成為當(dāng)今疾病治療和藥物設(shè)計(jì)的重要靶點(diǎn)之一。

1.3 揭示組蛋白化學(xué)修飾的生物學(xué)作用(圖4)

格倫斯坦以酵母為研究對象，除了發(fā)現(xiàn)組蛋白的乙酰化修飾對基因的轉(zhuǎn)錄活性有重要影響，還發(fā)現(xiàn)組蛋白的乙?；贒NA復(fù)制、修復(fù)和異染色質(zhì)形成中都發(fā)揮著不可忽視的作用。組蛋白上特定賴氨酸的乙?；沙蔀樵S多調(diào)控因子的結(jié)合位點(diǎn)；而組蛋白的去乙酰化不僅具有轉(zhuǎn)錄抑制作用，也有可能是某些基因激活所必需的[7]。以啤酒酵母為例，他們找到了一種名為Hos2的組蛋白去乙?；?histone deacetylase, HDAC)，主要在基因激活過程中與基因編碼區(qū)域結(jié)合，其中組蛋白H3和H4尾部的賴氨酸去乙?；潜匦璧?；Hos2及其相關(guān)因子Set3是高效轉(zhuǎn)錄過程所必不可少的[8]。由此可見組蛋白的乙?；腿ヒ阴；饔脤τ诨蜣D(zhuǎn)錄的調(diào)控至關(guān)重要。格倫斯坦還在對組蛋白的泛素化研究中發(fā)現(xiàn)，泛素化可調(diào)節(jié)組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶的活性，但并不影響甲基化酶的招募過程。

圖4 組蛋白的化學(xué)修飾與基因表達(dá)的表觀遺傳調(diào)控

阿利斯還多年專注于研究組蛋白修飾是如何傳遞染色質(zhì)信號的。他們通過分析組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的共激活因子，發(fā)現(xiàn)了組蛋白乙?；c基因特異性轉(zhuǎn)錄激活之間的聯(lián)系；將組蛋白磷酸化事件與有絲分裂過程相聯(lián)系，建立了組蛋白磷酸化和乙酰化事件之間的協(xié)同作用模型。他提出了表觀遺傳學(xué)著名的“組蛋白密碼(Histone Code)”假說：認(rèn)為紛繁多樣的組蛋白修飾攜帶了一層超越DNA序列的表觀遺傳信息，協(xié)同調(diào)控著基因組遺傳信息的解讀。阿利斯通過研究組蛋白變異體H3.3對染色質(zhì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的動態(tài)調(diào)控，發(fā)現(xiàn)在組蛋白分子伴侶HirA介導(dǎo)下，H3.3使染色質(zhì)處于活化狀態(tài)；而當(dāng)組蛋白分子伴侶Daxx存在時(shí)，染色質(zhì)則處于抑制狀態(tài)。從Daxx-H3.3/H4的復(fù)合物結(jié)構(gòu)中可清楚看到組蛋白單個氨基酸的差別足以導(dǎo)致其經(jīng)由不同的分子途徑進(jìn)入截然不同的存在狀態(tài)[9]。

不同類型的組蛋白修飾深刻影響著染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和狀態(tài)改變并引發(fā)組蛋白和DNA的聚合與分離，組蛋白的修飾也可以作為直接信號募集一些基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控因子，進(jìn)而調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄的“開/關(guān)”狀態(tài)。隨著更多組蛋白修飾類型和修飾位點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)，基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的研究正在步入“組蛋白修飾酶時(shí)代”。通過對組蛋白修飾酶的深入研究以及相應(yīng)修飾信號相互作用蛋白(reader/writer/eraser)的發(fā)現(xiàn)，對“組蛋白密碼”的認(rèn)識和解讀將不斷取得進(jìn)展并最終服務(wù)人類健康。

阿利斯和格倫斯坦對于組蛋白化學(xué)修飾的研究，開創(chuàng)了一個表觀遺傳研究的新時(shí)代。人們可以通過有效的藥物設(shè)計(jì)改變組蛋白的化學(xué)修飾狀態(tài)，探索基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的本質(zhì)規(guī)律，嘗試控制表觀遺傳學(xué)相關(guān)疾病的發(fā)生和發(fā)展。隨著高通量大規(guī)模核酸測序技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，全基因組水平的基因表達(dá)調(diào)控研究將極大地推進(jìn)表觀基因組學(xué)的誕生與進(jìn)展。當(dāng)前，RNA深度測序技術(shù)結(jié)合組蛋白修飾異常的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)開始在人類疾病的診斷和治療研究中得到應(yīng)用，一些被發(fā)現(xiàn)的組蛋白修飾酶相繼成為腫瘤治療中有吸引力的潛在藥物靶點(diǎn)。表觀遺傳學(xué)這一新興的學(xué)科已經(jīng)成為生命科學(xué)中發(fā)展最快的領(lǐng)域之一，其中不乏世界各地的華裔科學(xué)家所做出的一系列重要貢獻(xiàn)。

2 醫(yī)學(xué)特殊成就獎

斯特恩茲四十年如一日的努力為RNA領(lǐng)域的研究作出了重要的貢獻(xiàn)，同時(shí)她還在維護(hù)女性從事科學(xué)研究權(quán)益的事業(yè)上不遺余力。她對于科學(xué)發(fā)現(xiàn)的感言是：“如果你堅(jiān)持自己的研究領(lǐng)域，你就會提出各種各樣的新觀點(diǎn)。一些觀點(diǎn)可能是被忽視的，而有些總是以一種意想不到的方式擺在你面前……”。斯特恩茲獲得的拉斯克醫(yī)學(xué)特殊成就獎表彰她長期在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮著師長和領(lǐng)導(dǎo)者的作用。她以發(fā)現(xiàn)RNA相關(guān)功能及作用而聞名，包括對核糖體如何通過互補(bǔ)堿基對與信使RNA相互作用的突破性研究，以及外顯子的拼接是由真核生物中的snRNPs參與形成的。她慷慨地指導(dǎo)初露頭角的科學(xué)家，并積極支持女性從事科學(xué)研究，這使她成為了大眾尤其是新興女性研究者的榜樣。斯特恩茲一直致力于讓科學(xué)界的所有成員都充分參與科學(xué)研究，因?yàn)樗龍?jiān)信，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)對于促進(jìn)科學(xué)事業(yè)的創(chuàng)新與發(fā)展是非常必要的。

斯特恩茲出生于明尼蘇達(dá)州的明尼阿波利斯市，1963年在俄亥俄州的安提俄克(Antioch)學(xué)院獲得了化學(xué)學(xué)士學(xué)位。在麻省理工實(shí)驗(yàn)室作為實(shí)習(xí)生的經(jīng)歷，讓她第一次對分子生物學(xué)產(chǎn)生了興趣。而當(dāng)時(shí)的分子生物學(xué)領(lǐng)域幾乎沒有成功的女性科學(xué)家，人們難免對女性從業(yè)者存有一些懷疑和偏見。在完成本科學(xué)業(yè)后，斯特恩茲申請了醫(yī)學(xué)院而并非研究生院，她想要成為女醫(yī)生而不是女科學(xué)家。然而，在她順利地被哈佛醫(yī)學(xué)院錄取后，她卻拒絕了邀請，轉(zhuǎn)而去攻讀生物化學(xué)和分子生物學(xué)這個當(dāng)時(shí)的新興學(xué)科。她加入了諾貝爾獎獲得者、DNA雙螺旋發(fā)現(xiàn)人之一詹姆斯·沃森(James Watson)的實(shí)驗(yàn)室，成為該實(shí)驗(yàn)室第一位女研究生，她和沃森一起開始研究噬菌體的RNA及其轉(zhuǎn)錄。

1969年，斯特恩茲在Nature上發(fā)表了一篇開創(chuàng)性的論文，揭示了轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)的核苷酸序列特征[10]。1975年，她又發(fā)現(xiàn)了核糖體可利用互補(bǔ)堿基來識別mRNA的轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)。1980年，斯特恩茲與邁克爾·勒納(Michael Lerner)合作發(fā)表了另一篇關(guān)鍵論文，利用自身免疫病患者的體內(nèi)抗體和免疫沉淀法分離并鑒定出一種新的生物活性物質(zhì)snRNPs[11]。通過檢測它們在剪接中的作用得知：snRNA是一種約150個核苷酸長的RNA，與蛋白質(zhì)結(jié)合形成snRNP，參與轉(zhuǎn)錄新生pre-mRNA的剪接。斯特恩茲還發(fā)現(xiàn)了另一種RNP顆粒，即snoRNP，同樣可參與一些mRNA的剪接反應(yīng)。通過對snoRNPs基因位置的分析，她發(fā)現(xiàn)內(nèi)含子并不是人們一度所認(rèn)為的“垃圾DNA”，而在很大程度上影響著“選擇性RNA剪接(alternative RNA splicing)”的現(xiàn)象。斯特恩茲對snRNPs和snoRNPs的發(fā)現(xiàn)幫助認(rèn)識了一個神秘的事實(shí)：人類的基因數(shù)量僅是果蠅的兩倍，但選擇性剪接使人體內(nèi)每個基因的實(shí)際編碼信息量獲得了大幅度增加。

斯特恩茲談到，當(dāng)她剛開始從事科學(xué)事業(yè)時(shí)，并未意識到自己在潛意識上對女性也是存在著偏見的。直到2005年加入美國國家科學(xué)院(National Academy of Sciences)并撰寫《超越偏見與障礙》(BeyondBiasandBarrier)時(shí)，她才開始轉(zhuǎn)變思想，積極消除科學(xué)中的性別偏見，倡導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室的公平公正。十余年來，斯特恩茲領(lǐng)導(dǎo)Jane Coffin Childs基金會向初級專業(yè)研究者提供博士后獎學(xué)金。在整個職業(yè)生涯中，她全力以赴地為所有的成員能在科學(xué)界獲得足夠的包容和支持而奮斗，并激勵了無數(shù)從事STEM(science-technology-engineer-mathematics, 科學(xué)-技術(shù)-工程-數(shù)學(xué))事業(yè)的女性工作者。

斯特恩茲一直是“科學(xué)領(lǐng)域女性不知疲倦的推動者”。對科學(xué)研究的不懈追求以及對后來者的真誠指導(dǎo)使她成為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的領(lǐng)袖和榜樣，她對RNA研究的熱情感染著每一位初露頭角的科學(xué)家。加州大學(xué)舊金山分校(University of California, San Francisco)的克里斯汀·格思里(Christine Guthrie)認(rèn)為：“毫無疑問，瓊是小分子RNA和RNP顆粒世界最著名的貢獻(xiàn)者，也是我們這一代最偉大的科學(xué)家之一?！必惱蔗t(yī)學(xué)院(Baylor College of Medicine)的蘇珊·伯格(Susan Berget)稱贊：“她的洞察力洋溢著一種真正的靈感。她的假說將這一領(lǐng)域向前推進(jìn)了數(shù)光年，并預(yù)示著一場小分子RNA領(lǐng)域的雪崩，這些RNA已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)在RNA生物合成的多個步驟中發(fā)揮著作用?！?/p>