“功勋”四膜虫：端粒研究理想的模式生物

2009年度诺贝尔生理学或医学奖颁给了美国加利福尼亚旧金山大学的伊丽莎白·布莱克本（Elizabeth Blackburn）、美国约翰·霍普金斯医学院的卡罗尔·格雷德（Carol Greider）和美国哈佛医学院的杰克·绍斯塔克（Jack Szostak）获得该奖，以表彰他们发现了端粒和端粒酶(telomerase)保护染色体的机理。他们解决了生物学中的一个重大问题——细胞分裂期间染色体如何被完整复制，以及染色体如何得到保护不至退化。他们也曾因此获得2006年的Albert Lasker 基础医学研究奖（Albert Lasker basic Medical Research Award）。随着2009年诺贝尔生理学或医学奖的揭晓，一种并不广为人知的微生物—四膜虫（Tetrahymena）逐渐进入普罗大众的视野。实际上，四膜虫这一端粒和端粒酶研究的“幕后英雄”，在生物学研究中早已赫赫有名了。

为了揭示某种具有普遍规律的生命现象时，生物学家会选择特定的生物物种进行科学研究，这种被选定的生物物种就是模式生物。众所周知的如，孟德尔(Gregor Johann Mendel)在揭示生物界遗传规律时选用豌豆作为实验材料，而摩根（Thomas Hunt Morgan）选用果蝇作为实验材料，在他们的研究中，豌豆和果蝇就是研究生物体遗传规律的模式生物。四膜虫就是这样一种模式生物系统，对它的研究已经导致了很多根本性的发现，具体包括核酶的分子机制、RNA 的自我拼接、DNA 的重组以及组蛋白的功能与进化，当然也包括端粒与端粒酶的发现。

四膜虫是一种外面覆盖有类似头发般纤毛的单细胞微生物，广泛分布于全球各地的淡水环境中。口的周围有一个波动膜，内部有三个小膜，因此人们将其命名为四膜虫。现在研究较多的主要有嗜热四膜虫(T. thermophila)和梨形四膜虫(T. pyriformis)。嗜热四膜虫主要用于分子生物学和遗传学的研究；而梨形四膜虫主要应用在环境毒理学方面。四膜虫虽然是单细胞，但它又不同于细菌，而是和人一样的真核生物。对那些想要了解人类的人来说，四膜虫是一种非常好的实验材料。

   1981年，托马斯·罗伯特·切赫(Thomas Robert Cech)开始在科罗拉多大学担任助理教授，利用四膜虫（Tetrahymena sp.）的核糖体RNA（rRNA）基因做研究。真核生物的基因是由遗传信息部分和非遗传信息部分组成的。在两者都被转录成前体mRNA（信 使RNA）后，除去非信息部分，成为只含有信息部分的成熟mRNA，最后，在成熟的mRNA基础上合成蛋白质。rRNA的情况也是如此，基因中包括非信息部分在内，先合成前体rRNA，然后除去非信息部分，成为成熟的rRNA。一次切赫的一个助手正用苯酚使从四膜虫体内提取出来的核糖体中的蛋白质变性，以去除蛋白质，然后用酒精把核酸沉淀出来，反复提纯。这时，他们接到了通知，另有急事必须马上离开，切赫只得把核酸样品放入冰箱在-30℃中保存。几天过去了，切赫回来后打算继续被中断的实验，他取出核酸样品，却意外地发现这些样品已经被降解了。在之后的两年内，切赫从各角度设计，反复试验，证明了RNA可以自行剪接，也可催化其它RNA的剪接、复制、转录等反应。最后切赫大胆地提出了自己的观点——rRNA能催化自体断裂，即RNA也是一种酶，并将这种具有催化功能的RNA 命名为核酶 (ribozyme)。当时在生命科学领域上，有二则金科玉律的学说：其中之一是“脱氧核糖核酸（DNA）是遗传物质，而遗传信息的传递是由DNA转录至RNA，然后再由RNA 翻译成蛋白质（DNA→RNA→蛋白质）”，这就是分子遗传学上的中心法则（central dogma）；另一则是“在生物体中具有催化生化反应功能的分子，都属于蛋白质”。核酶的发现是生物学领域里一个重大突破。打破了人们固有的观念“酶都是由蛋白质组成的”。切赫因此与耶鲁大学西德尼·奥尔特曼(Sidney Altman) 共同荣膺1989 年获诺贝尔化学奖。

四膜虫用于研究端粒和端粒酶还有着其独特的优势：四膜虫有两个细胞核。小核很稳定，含5对染色体，用于生殖传代。而大核在接合细胞的发育过程中，染色体断裂成200-300个小染色体，rDNA从染色体上断裂后通过复制更是形成高达约10000个小染色体。四膜虫的小染色体众多，也就说端粒可能非常丰富。这就为端粒研究提供了得天独厚的材料。另外，布莱克本（Elizabeth Blackburn）和格雷德（Carol Greider）选择四膜虫还与她们的工作经历密切相关。

布莱克本1948年11月26日出生于澳大利亚，她分别于1970年和1971年在墨尔本大学获得学士和硕士学位后，次年来到英国剑桥大学分子生物学医学研究委员会（MRC）师从著名的生物化学家弗雷德里克·桑格（Frederick Sanger）进行博士学习。桑格在1955年将胰岛素的氨基酸序列完整地定序出来，同时证明蛋白质具有明确结构。这项研究使他单独获得了1958年的诺贝尔化学奖。

当时布莱克本主要帮助桑格正在进行DNA测序方面的工作, 他发展出一种称为“双脱氧法”（Dideoxy termination method）。两年之后，他利用此技术成功定序出Φ-X174噬菌体（Phage Φ-X174）的基因组序列。这也是首次完整的基因组定序工作。这项研究后来成为人类基因组计划等研究得以展开的关键之一，并使桑格于1980年再度获得诺贝尔化学奖。桑格于1982年退休，1993年桑格中心（Sanger Centre）成立，这座研究机构现在称为桑格研究院（Sanger Institute），地点位于英国剑桥，是世界上进行基因组研究的主要机构之一。

在帮助桑格研究的同时，布莱克本也成为较早使用该测序方法进行研究的科学家, 也正是测序方法的应用才促使端粒特异序列的发现。1975年布莱克本从剑桥大学获得分子生物学博士学位, 随后来到美国耶鲁大学进行博士后研究, 实验室的主管是高尔（Joe Gall）教授。高尔当时正以四膜虫为模式生物研究核糖体RNA的基因, 并且发现在四膜虫内存在大量几乎相同的、短的微小染色体, 这为染色体研究带来了巨大的便利, 布莱克本决定使用这个材料来进行染色体末端的测序工作。

娴熟的DNA测序方法和理想的模式生物四膜虫的选择，这两个端粒研究的最关键要素已经具备。由此可见，布莱克本后来取得的成就和她在桑格实验室及高尔实验室的工作经历密不可分，这也验证了“大科学家是由大科学家培养出来的”这句名言。

四膜虫已经在基础生物学研究已经取得了令人瞩目的成绩。同时，比较基因组的研究也显示嗜热四膜虫较酵母等模式生物和人类具有更高程度的功能保守性，加之四膜虫中已建立了成熟的基因操作技术。因此，四膜虫是开展真核生物基因功能研究的良好模式生物，是生物学研究当之无愧的“功勋”。