热爱物理,曾看不起生物学,不耽误他拿诺贝尔医学奖

2021-09-17 11:11:35 学术经纬

▎药明康德内容团队编辑

众多诺贝尔生理学或医学奖获得者中,有一些是在学习生涯中遇到了伯乐,有一些则是受到来自医生、科学家的启发从而走上了科学研究的道路。但对于James Rothman来说,他则是一个例外。或许是受到父母的影响,他从记事起,就立志要成为一名科学家。

Rothman的父母在小镇上开着一间儿科诊所,他的父亲在年轻时便想开展医学研究,但无奈遇上了大萧条和二战没能实现自己的愿望。到了Rothman这一代,情况就好转了许多,有了父亲的诊所,他会帮助父亲做一些工作,比如分析病人的心电图,又或者是帮助父亲检测血液样本。

物理学的粉丝

实际上,Rothman最大的兴趣其实并不是生物学,而是物理学。在上世纪50年代,美国开始鼓励社会发展科学和科技,浓厚的社会氛围和家庭支持让Rothman读小学的时候就设计和组装出了可以发射的火箭。

为了更好地通过三角测量火箭高度,他7年级就自学了三角学课程,并在接下来的两年里沉醉于火箭物理学的探索。到了高中,Rothman接触到高等物理学后,便更加痴迷于物理,甚至自己出去报了另外的培训课程。毫无疑问,如此优秀的履历得到了名校的青睐。他最终被耶鲁大学录取,并选择了自己梦寐以求的理论物理学专业。

▲Rothman小学就能动手制作火箭(图片来源:James E. Rothman – Biographical. NobelPrize.org. Nobel Prize. Courtesy James Rothman )

大学一年级,他便参与了耶鲁大学特设的项目,该项目是学校为了加速学生数学和物理学的发展而设立。似乎按照这条路下去,Rothman应该会成为一名优秀的物理学家。不过,一些事情开始在慢慢地发生改变,在他二年级时,他的父亲开始担心物理学专业的工作不好找,建议他学习生物学,至少尝试一下。

为什么他父亲是建议他尝试呢?因为在Rothman的观念中,各个学科会有着严格的排序。他认为理论物理学家是最聪明的,实验物理学家稍微靠后一点,接下来便是化学家,生物学家只能排在末尾。尽管不情愿,他还是参与了一次生物学课程。所幸的是,他听到的是分子生物学前沿的介绍,Rothman觉得这一分支也能像物理学一样具备结构性和挑战,他便没有那么抗拒参加生物学课程的想法。

▲James Rothman(图片来源:Rothman J. 2021 Jan 12. Laureate - James E. Rothman . Accessed 2021 Sep 16. )

但他的跨越不是一蹴而就,而是选择先从物理化学开始,学习多肽聚合物的三维构象(会用到统计物理学和热力学)。随后,Rothman遇到了生物物理学家Harold Morowitz,开始转向生物膜的结构实验,比如热相变分离脂质双层。其实在这里,Rothman的生物学研究方向也基本锁定了,他将和生物膜相关领域有着不解的缘分。

从耶鲁大学毕业后,Rothman前往了哈佛医学院。在那里,他第一次接触到了细胞的分泌过程。当时,George Palade对于核糖体和蛋白运输途径的发现仍然处于非常新颖的程度。细胞膜如何制造出囊泡?囊泡又要去哪里,如何融合?这些问题引起了Rothman极大的兴趣,他在1978年建立自己的实验室时,将这些问题当作了自己一生致力解决的焦点。

细胞高速通路

哺乳动物的细胞内部其实有着微缩版、错综复杂的高速公路,在这里有无数的囊泡会携带着蛋白质从一个地点到达另一个地点。它们会从一片膜上长出小芽,又会最终融合到另一片膜上消失。这样来来回回的运输过程,囊泡必须保证在众多旅途中选择到正确的那一条,这样才能保证细胞正常的生理功能。

比如我们需要运输一些酶用来帮助完成特定功能,又或者呈递一些蛋白分子来展示自己的身份。一旦运输通道上发生了堵车或者通道崩溃,细胞也将不复存在,这类繁忙通道上不能出现任何差错。

但直到上世纪70年代,我们基本上不清楚,细胞中的这些泡泡是怎样做到如此精确的,它们从哪里来,为什么知道去哪里都是未解之谜。这些问题不仅是大家不知道,学界的普遍认知更是认为基本没法弄清这些问题。直到有两个人站出来要解决它们时,几乎没有人看好他们。

图片来源:123RF

其中之一是生物化学家Randy Schekman,他在酵母中研究囊泡运输系统时,找到了两株特殊的温度敏感突变株,它们原本应该出现在细胞表面的酶,一直呆在了细胞内部。很明显,细胞里的运输系统出现了故障。而电子显微镜下的观测结果也确定了他的推测,囊泡像车祸现场一般全都堵在一起。

他也通过该突变体,确定了第一批被发现的分泌基因(secretory gene)SEC1和SEC2。而利用酵母实验,Schekman相继发现了21种和囊泡分泌相关的基因。在突变体中,分泌基因的缺陷会导致不同的结果,例如有的让囊泡无法出芽,有的让囊泡无法和膜融合。

与此同时,Rothman在体外实验中发现,蛋白质在抵达细胞表面的过程中,它们的糖链会获得很多化学修饰。他发现,蛋白质在高尔基体会获得一种特别的修饰,能够帮助它们抵抗一种酶的切割。如果蛋白质没有经过高尔基体,那么它们会对该酶异常敏感。

▲重建的高尔基体(图片来源:J Cell Biol. 2009 Nov 16; 187(4): 449–453. Openaccess)

Rothman用带有放射性的蛋白质验证了这一点,并且确认了蛋白质会按照顺序依次通过不同的交通站点,比如从初始区域走向高尔基体再走向细胞表面,以此获得对应的分子修饰。而在这一系列站点中,高尔基体看似是最重要的核心关卡。

他邀请了电子显微镜专家Lelio Orci对这些运输的囊泡进行了仔细观察。眼前的一幕让他们感到惊讶,这些囊泡在刚刚出芽的时候会被一层外壳包裹,而到了高尔基体的隔室中这些外壳会消失,囊泡会融合。

恰好此时,Schekman的学生Novick发现,囊泡的运输过程需要GTP来完成转运的后期步骤,并且GTP会转变成GDP。而Rothman设法抑制了GTP走向GDP这一步骤,他发现囊泡可以正常出芽,但是不会再融合了,这提示将GTP转变成GDP的蛋白质在囊泡运输中有重要作用。

而正因为这一现象,Rothman获得了大量含有外壳的囊泡,并鉴定出了外壳蛋白由7种蛋白组成。其中一种蛋白就是用于结合GTP的,当它结合了GTP时,会延展自己的脂肪链,这样就能设法逃离水环境,朝着脂质的膜前进并与之结合。而与GDP结合时,蛋白质会收起脂质链。

▲断层摄影下的高尔基体(图片来源:J Cell Biol. 2009 Nov 16; 187(4): 449–453. Openaccess)

这种GTP-GDP开关,也决定了蛋白外壳的存在和囊泡出芽。GTP结合蛋白与膜连接时,能够招募其他外壳蛋白,并让它们自发地形成结构,这也是帮助囊泡形成的关键。随着囊泡形成,GTP结合蛋白会将GTP转换成GDP,并且收回定位在膜上的锚,外壳蛋白便开始离开膜,带着囊泡进入下一站。

这也是为什么Rothman抑制这一步时能收集到大量外壳蛋白,因为它们仍然锚定在了膜上,没有脱离膜进入下一站。而Schekman在酵母中,同样观察到内质网到高尔基体的运输步骤会产生有着外壳蛋白的囊泡。

从哪里来,往哪里去

而囊泡从一个小芽出发是起点,而终点则都会走向融合。Rothman发现,一种名为NEM(N-乙基顺丁烯二酰亚胺)的分子能阻止囊泡运输系统正常运转。而在与Orci的合作中,他们发现,不同于暴露在GTP相关化合物下的囊泡,处于NEM环境中的囊泡是裸露的,外壳蛋白消失了。

此后,他确定囊泡融合过程中必需的NEM敏感因子(NSF),它在另一种结合蛋白(SNAP)的帮助下,可以锚定在目标膜上。还记得Schekman早期发现的那些分泌基因吗?NSF基因和SEC18具有高度相似性,而SNAP基因则与SEC17基因很相似。可以说,此刻Rothman和Schekman的研究终于走到了一起,囊泡运输的框架已经成立。

在探索SNAP和NSF作用机制的时候,他与自己实验室的博士后Thomas Söllner选取了大脑组织(NSF和SNAP的含量最高)来进行探索。而这一决定,让他们破解了过去大脑中的一个未解之谜。

在过去大家都知道有3种蛋白分子会出现在神经传输信号的附近,但没人知道它们的作用是什么。而这一次,Rothman和Söllner的实验确定,其中一种蛋白位于携带神经递质的囊泡上,两种在细胞膜上,用于帮助囊泡结合。这一发现也带动了一个新的蛋白领域出现,即SNARE(SNAP receptor)。

▲3人因在囊泡运输上的发现获得了2013年的诺贝尔生理学或医学奖(图片来源:The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2013. NobelPrize.org. Nobel Prize Outreach AB 2021. Wed. 15 Sep 2021. )

在Rothman的科学生涯中,物理学的影子从来没有离去。无论是一开始领进大门,多肽构象涉及的统计力学,热力学,还是生物膜用到的生物物理学。那种从多种原因、假设出发,找到特殊的解和结果的物理学正交思维,一直引导着他在生物学道路上越走越远。

“如果你想打出全垒打,你必须站在球场上。站在球场外,挥一天杆也打不出全垒打。”Rothman常用这种物理学的“棒球场”假设激励自己的学生。

参考资料:

[1] The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2013. Retrieved Sep 6th 2021 from https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2013/summary/

[2] James E. Rothman – Facts. NobelPrize.org. Retrieved Sep 6th 2021 from https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2013/rothman/facts/

[3] Membrane fusion and organelle formation. Retrieved Sep 6th 2021 from https://laskerfoundation.org/winners/membrane-fusion-and-organelle-formation/

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