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2016诺贝尔医学奖得主大隅良典是怎样走上“细胞自噬”研究之路的

(2016-10-04 18:40:58)
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杂谈

分类: 转帖
2016诺贝尔医学奖得主大隅良典是怎样走上“细胞自噬”研究之路的2016诺贝尔医学奖得主大隅良典是怎样走上“细胞自噬”研究之路的

2016年诺贝尔医学奖授予了日本细胞生物学家大隅良典(Yoshinori Ohsumi),以表彰他对“细胞自噬”机制的重要发现。

细胞自噬是人体细胞内部的回收机制:废细胞被分解,有用的部分被剥离出来产生能量或者创造新的细胞组分。

这个过程对阻止癌性肿瘤至关重要,而且还能维持健康的新陈代谢,有助于预防糖尿病等疾病。

细胞自噬功能障碍与帕金森病、Ⅱ型糖尿病、癌症和很多老年病有关。

自噬基因变异会导致遗传病。

目前医药业已经开始大力研发各种疾病的自噬靶向药物。

自噬一词源于两个希腊单词,意思是“自我吞食”。


细胞自噬的概念出现于上世纪60年代,当时研究人员首次发现细胞能够消灭自身内部物质,方法是用薄膜把物质包裹起来,形成袋状囊泡,然后囊泡被运送到名为溶酶体的“回收箱”进行降解。

研究自噬现象困难重重,人们所知甚少,直到在上世纪90年代的一系列突破性实验中,大隅良典利用酵母菌找到了对自噬机制必不可少的一系列基因。

然后,他阐明了酵母自噬的基本机制,并发现类似的复杂机制也存在于人体细胞内。

造就编找到了《细胞生物学杂志》(Journal of Cell biology)对大隅良典做的一次采访,为了解他的研究历程提供了第一手资料。


以下是这篇采访稿的全文:

在很大程度上,当今学界对细胞自噬机制的理解都源于日本科学家大隅良典的研究,并且未来也将继续受益于他在这方面的工作。

在自噬过程中,细胞成分被名为自噬体的细胞器捕获,送入溶酶体或液泡,接着被降解或者循环再利用。

很多时候,这种机制在饥饿状态下激活,可以让细胞在营养匮乏时期活下来。

大隅良典生长在二战后的日本,经历过穷困时期,费了好大的功夫才走上独立研究之路。

但他坚持了下来,并在细胞自噬领域作出了重大的早期发现。

他通过研究,找出了自噬过程涉及到的大部分蛋白质与通路,展示了感知细胞代谢状态的蛋白是如何调控它们的,并开始勾勒酵母中自噬体形成的细致机理。

尽管成就斐然,但在接到采访请求时,他还是显得颇为惊讶。不过,他还是很乐意地接受了我们的电话采访。

我们这才意识到,我们已经掌握了一条近乎完整的通路。


起步

当初,是什么原因让您决定从事科学研究工作?

大隅良典:我可能是受到父亲的影响,他是九州大学的一名工程学教授。我从小就对学术生活非常熟悉。

父亲的工作立足于工业,但我对自然科学更感兴趣。

高中时的我很喜欢化学,所以后来就去了东京大学学化学。

但我很快就发现,化学对我的吸引力其实并不是那么大,因为这个学科已经发展得相当成熟。

不过我很幸运,因为60年代初是分子生物学的黄金时代。我就决定转学那个。

当时,日本的分子生物学实验室并不多。我作为一名研究生,加入了今堀和友(Kazutomo Imahori)博士的实验室,研究大肠杆菌中的蛋白质合成。

可惜我的研究没有取得好的成果,而且读完研究生才发现,我这个专业想在日本找份好工作很难。

于是在今堀和友博士的建议下,我去了纽约的洛克菲勒大学,在杰拉尔德·埃德尔曼(Gerald Edelman)门下读博。


在那里,您研究的是什么?

大隅良典:那是我一生中最困难的时期。[笑]

读研的时候,我研究的是大肠杆菌,但到了埃德尔曼博士的实验室,我的研究对象就换成了哺乳动物细胞和发育生物学。

按计划我得建一个小鼠的体外受精系统,但我不是很了解早期胚胎,而且手头只有极少量的卵子可用。我变得非常沮丧。

然后过了一年半,迈克·贾兹温斯基(Mike Jazwinski)加入了埃德尔曼的实验室,我决定转而跟他合作,研究酵母菌的DNA复制。

这对我来说又是一场巨大的转向,但这也是我第一次接触酵母细胞,后来,我的研究就再也没有离开过它。

后来,东京大学教授安乐泰宏(Yasuhiro Anraku)的实验室聘我做助理教授,我才得以返回日本。


初见曙光

您首次研究酵母菌液泡就是那个时候吗?

大隅良典:当时,很多人都在研究质膜上的离子和小分子转运,很少有人探究它们在其他细胞器膜上的转运。

那时候,大家认为液泡只是细胞里的垃圾箱,对液泡生理感兴趣的人不多。于是我就想,研究液泡应该不错,因为竞争不是很激烈。另外,我选择液泡生理研究还有一个原因:当初在埃德尔曼博士的实验室里,我们试过从酵母菌细胞中分离细胞核,并因此发现,制备出纯粹的液泡并不难。

利用这些制备品,我发现了液泡膜上的许多主动转运系统,包括将质子泵入液泡的液泡型ATP酶。研究取得了一点进展,我也终于有了自己的实验室。但那时我已经43岁了。

我可不敢说,那时我的职业生涯有多成功;我遇到了很多困难,但主要都是我自己造成的。[笑]

大隅良典和同事们发现,在饥饿的酵母菌细胞中,囊泡相继出现,并在液泡中堆积起来。

2016诺贝尔医学奖得主大隅良典是怎样走上“细胞自噬”研究之路的

您第一次观察到自噬过程的时候,还是一个人在战斗?

大隅良典:从安乐泰宏博士的实验室出来以后,我想换个研究课题,于是就决定研究液泡的溶解功能。那个时候,对于液泡都降解些什么、是怎么降解的,科学界还一无所知。

我的想法很简单:光学显微镜可以观测到液泡,人们已经知道,液泡就是细胞的垃圾桶,是蛋白质降解的地方。

我就想,在发生大量降解的细胞里,我应该很容易观察到液泡的形态变化。

而细胞分化过程需要降解大量的蛋白质,我就找出液泡蛋白酶缺失突变体,看能否观察到液泡结构的变化,因为在氮饥饿环境下,这些突变体不能像正常酵母菌细胞那样生成孢子。

我想说的一点是,我喜欢用显微镜观察细胞。

对于每一个细胞,显微镜都可以告诉我们一些重要的信息,尤其是关于液泡的信息,它们很容易观察。

所以,我一直在用显微镜寻找突变体,结果发现,经过30分钟的饥饿,很多囊泡相继出现,并在液泡里面堆积起来。

我还认识一位电子显微镜专家,并幸运地观察到了自噬体形成和液泡融合。那是我研究酵母自噬的起点。


后续步骤

您还找出了自噬过程涉及到的很多基因。

大隅良典:1991年,我最早带的两个研究生当中的一个,完成了一项非常枯燥而费力的筛查,用显微镜观察突变。

使用这种方法,她找到了第一个自噬缺陷突变,当时我们管它叫APG1-1,现在叫ATG1。我估计,我们可以用这种类型的筛查找到更多的自噬基因,因为自噬是一个极复杂的现象,确实,后来我们用这种方法发现了14种ATG突变。

开始对ATG基因作遗传分析的时候,我们的实验室还很小,只有三个人。

一开始我还担心分析需要的时间太长,但酵母基因组序列就在那个时候公布了,所以我们得以迅速地克隆了很多基因。

但除了ATG1之外——它携带一种蛋白激酶基因片段,其他所有的ATG基因都是新的;从氨基酸序列看不出它们到底具备什么样的功能。

2016诺贝尔医学奖得主大隅良典是怎样走上“细胞自噬”研究之路的

大隅良典的实验室曾经只有他一个人;现在,他已不再孤军奋战。

一个突破来自水岛昇(Noboru Mizushima),他是一名医生,作为博士后加入我的实验室。

他证明,ATG12是与Atg5共轭的泛素样蛋白。 ATG7是一种E1酶(泛素活化酶),而Atg10是一种E2酶(泛素连接酶),我们这才意识到,我们已经掌握了一条近乎完整的通路。我们在《自然》杂志上公布了这一结果,没有受到严重的反对,那是我的实验室第一次取得重大成功。[笑]

另外还有一个类似的通路,涉及到另一种泛素样蛋白ATG8与磷脂酰乙醇胺的结合。


“我不是很有竞争力,所以我总是找新课题来研究,哪怕是不太热门的课题。

现在,对于ATG蛋白的机制,我们有了一个更清晰的了解,但还是不明白它们是怎么驱动自噬体形成的。

我们想了解自噬体的新膜是如何形成、如何拉长,以及如何密封成为自噬体的。我们也在尝试从结构生物学角度来分析ATG蛋白,了解它们彼此之间如何相互作用,并形成配合物。

这些配合物的存在时间极短,研究起来非常困难。这些都是我们现在研究的基本问题。


在您职业生涯的早期,您也曾面临不顺,对于在逆境中挣扎的科学家们,您有什么建议?

大隅良典:很可惜,这年头,年轻科学家都想有一份稳定的工作,所以不太敢冒险,至少日本是这样。

大多数人都决定投身最热门的领域,因为他们以为,这是出论文的捷径。但我恰好相反。

我这人其实不是很有竞争力,所以我总是找新课题来研究,哪怕是不太热门的课题。

如果你从某种新的基本观察入手,你会有很大的研究空间。

翻译:雁行

来源:The Journal of Cell Biology

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