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取其精华 去其失误:析2012年诺贝尔奖

在诺贝尔奖公布后,讨论相关的科学研究,有助于公众了解科学、科学界重温研究历程、学生学习和理解科学工作。

 2012年化学奖的问题

诺贝尔化学奖委员会近9年来6次发给生物方面工作,虽然委员会有生物成员,仍经常出问题,今年的化学奖也不例外。

与今年化学奖相关的,有两位科学家的工作很重要:日本的Kimura和美国人Hargrave。虽然他们被委员会忽略,他们的工作重要性不亚于今年得奖的Lefkowitz

虽然Lefkowitz研究GPCRG蛋白偶联受体)很有苦劳(做了很多好的工作),但功劳(单项突出工作)却不够突出。化学奖委员会称Lefkowitz和同事“made a seminal contribution when they cloned and sequenced the first receptor for epinephrine, βAR (33).”(克隆和测序肾上腺素能受体),这个说法有4个问题。

首先,1980年代很多人克隆多种受体的基因,这些受体的重要性并不低于GPCR,工作最突出为日本的Shosaku Numa,其次是当时在美国的德国科学家Axel Ullrich,他们克隆了多个重要蛋白质的基因,包括受体、离子通道等。化学奖介绍了Lefkowitz在克隆基因前期的标记和纯化GPCR蛋白质的工作,确是同期重要的工作,但总体上Lefkowitz不如Numa突出。

其次,眼睛的视杆蛋白(rhodopsin)也是GPCR,而其基因在Lefkowitz工作以前好几年就成功了。1977年美国的Hargrave获得视杆蛋白氨基端部分序列,其后Hargrave19821983)和俄国的Ovchinnikov19821983)获得视杆蛋白基因确定其编码蛋白质的全长序列。美国的Jeremy Nathans1983)也克隆视杆蛋白的基因,并在19841986年一系列工作,确定眼睛4GPCRs,并通过漂亮的遗传学方法证明三个色觉相应的GPCRs。而Lefkowitz参与的克隆肾上腺素能受体基因的工作发表于1986年(Dixon等,1986),比视杆蛋白的三个工作都要晚好几年。虽然视杆蛋白是由光子激活的GPCR、而肾上腺素能受体是被化学分子激活的GPCR,他们的序列高度相似。1986年肾上腺素能受体基因克隆的论文,其标题也强调与视杆蛋白的相似性。

第三,化学奖委员会引用的论文33,是1986年克隆肾上腺素能受体基因的工作。但这篇文章(Dixon et al., 1986)中,Lefkowitz既不是第一作者,也不是通讯的最后作者,Lefkowitz实验室非此工作的主力,第一和最后作者在Merck Sharp and Dohme公司(今称默沙东)的研究部门工作。如果按化学奖委员会认为这项工作是化学分子激活GPCR的代表性工作,那么最大功劳就不是Lefkowitz。诺贝尔化学奖委员会在引用和讲述这篇文章的时候,把主要的人变成了名字可以忽略的“同事”,而不是文章最主要的作者,出现的就不仅是矛盾,而有点蹊跷。

第四,大家公认Brian Kobilka的结构生物学工作。他坚持多年后,于2007年成功地解析了化学分子激活的GPCR结构(Rasmussen et al., 2007; Rosenbaum et al., 2007),并有一系列漂亮的后继工作。如果按解析GPCR蛋白质结构的工作来评价,此前还有视杆蛋白的结构已经被解析:1997年,日本科学家Yoshiaki Kimura等解析细菌的视杆蛋白、2000年美国的Palczewski解析动物的视杆蛋白。

所以,无论如何组合,Lefkowitz都难以进入前三。可惜化学奖委员会继续不如一个用功的研究生,再次忽略了很容易看到的工作。

2012年生理奖的背景

2012年的诺贝尔生理或医学奖,肯定了发育生物学基本问题的研究。

这是发育生物学第四次获诺贝尔奖。第一次是1935年德国的Hans Spemann 1869-1941)(因为他发现胚胎诱导现象)、第二次是1986年意大利女科学家Rita Levi-Montalcini1909-)(因为她发现神经生长因子)、第三次是1995年德国的女科学家Christiane Nüsslein-Volhard、美国的Eric Wieschaus和Edward Lewis(因为他们研究果蝇发育的基因)。百年来,发育的奖一半给了德国,是因为德国在十九世纪创立了近代发育生物学,并多年领先。

我们每个人都是始于一个细胞(受精卵)。这一个细胞分成两个细胞,再分成四、八、十六、三十二、六十四个细胞,如此直至很多很多细胞,而这些细胞的形态和功能都不一样。也就是说,最初的一个细胞,有多种潜能,而最后分化的细胞,只参与一个功能,比如长出头发的细胞、组成眼睛的细胞,不同于脑中、肝脏和肾脏的主要细胞。

从发育生物学来说,一个多潜能的细胞,如何变成分化的细胞,这个过程发生了什么变化、是否可逆?

从再生医学希望人造器官来说,粗略可以分成两步:第一步把已分化的细胞(如皮肤的细胞)退回多潜能状态的细胞(多能干细胞);第二步把多能干细胞变成我们需要的细胞(比如肾脏的细胞)?如果可以这样,也许当我们失去眼睛、肾脏、胳膊的时候,我们用自己无关紧要的细胞(如皮肤上刮下一点),重新制造我们失去的细胞、组织、器官,在应用上有着诱人的前景,可惜目前还做不到。

Gurdon和山中伸弥的工作与第一步有关:Gurdon研究是否分化的细胞能退回多能细胞,而山中伸弥研究用什么分子可以将分化的细胞退回多能干细胞。有很多人在做第二步(将多能干细胞变成我们希望的分化细胞),但尚需确定高效的、公认的、无副作用的方法。

Gurdon和山中伸弥的工作在目前来说做得相当好,所以得了诺贝尔奖。但这类工作有其他里程碑,另外并未终结此领域的研究,现在也不是非常清楚山中伸弥的成果最后应用意义有多大。

他们的工作本身有很长的历史背景,可以推到十九世纪德国的近代实验胚胎学创始人Wilhelm Roux 1850-1924)。但简单的是推到1952年,美国费城的科学家Robert BriggsThomas King。他们于1952年发表一篇论文,将原来只在单细胞生物阿米巴做过的核移植技术(nuclear transfer),成功地建立于多细胞生物。他们把蛙的细胞核转移到另外一个去除细胞核的细胞里面,让后者发育生长。他们想检验细胞核在发育过程中是否潜能有所改变。当时,他们只检查了胚胎发育比较早的几个时期细胞核,发现越早成功率越高。

1958年,当时在牛津大学的Gurdon等用BriggsKing同样的方法,换了一种蛙,也能做核移植,而且观察到同样现象,越早的细胞核,约能支持胚胎从开始发育到成熟。晚的细胞核成功率降低。但是,Gurdon强调晚的细胞核竟然还有全能性,他们当时最晚是早于蝌蚪的时期。1962年,Gurdon用蝌蚪肠子的细胞核也获得成功,进一步支持分化的细胞,其细胞核仍有全能性,只是需要和早期的细胞质放在一起。这个工作一方面说明晚期细胞核还有全能性,另外一方面说明早期细胞质有保持或诱导全能性的能力。

1996年英国爱丁堡Roslin研究所Wilmut团队把羊胚胎的细胞到体外培养后,取其细胞核移植到早期卵母细胞,可以长成羊(Campbell et al., 1996)。1997年,Wilmut等从成年羊的乳腺中获得细胞,取细胞核移植到卵母细胞,可以获得羊(Wilmut et al., 1997)1997年克隆羊的实验,证明哺乳类动物分化的细胞,其细胞核可以重新变成具有全能性的胚胎干细胞。

所以,核移植与细胞核全能性的工作,突出的是BriggsKingGurdonWilmut。不过,Briggs1983年去世、King2000年去世。

Gurdon本人为很多人尊敬,有很多人希望他得奖。他是一个非常聪明的人(最近我才听说中学老师认为他生物学很差,不过这不是后来科学家对他的评价,他在1990年代的研究,与我当时的研究是同一领域,我们常感叹他的研究聪明,也曾要求上课的学生读他1990年代的文章)。在英国有一批科学家,他们做工作很有趣,做科学不是为了吃饭,是为了好玩。美国也许从来没有过绅士科学家,现在英国这样的科学家也不多了,Gurdon是绅士科学家。

日本科学家今年得奖的工作有两个基础,一是核移植显示分化细胞的核未丧失全能性,另一是分子生物学研究细胞命运。研究细胞命运的基因,最重要的工作是德国的Christiane Nüsslein-Volhard、美国的Eric Wieschaus和Edward Lewis,他们发现了很多控制果蝇胚胎发育的基因,于1995年获诺贝尔奖。他们研究的主要方式是让单个基因突变以后,看胚胎的表型,从而推论某个基因对某个发育过程是必需的。1987年美国西雅图Fred Hutchison癌症研究中心Harold Weintraub实验室做了一个很漂亮的实验。他带领研究生Robert Davis和博士后Andrew Lassar,用分子生物学的方法研究一个基因对细胞命运是否起到充分的作用。有一种成纤维细胞(称C3H10T1/2),在一种药物处理下,不知为什么,会变成肌肉细胞。Weintraub实验室比较成纤维细胞和肌肉细胞之间表达哪些不同的基因,找到三个差异表达的基因。他们将每一个基因单独转入成纤维细胞,结果其中一个可以将成纤维细胞变成肌肉细胞,他们称这一基因为MyoD(肌肉决定)(Davis et al., 1987)。其后,他们和多个实验室发现,MyoD可以将好些不同细胞变成肌肉细胞,这是通过单个基因改变细胞命运的里程碑。2012Lasker获得者Tom ManiatisWeinbraub是他认识的最聪明的生物学家,可惜Weintraub患脑瘤去世了。

1995瑞士巴塞尔生物中心的Walter Gehring带领实验室发表一篇论文,发现在果蝇中,用一个基因可以诱导眼睛产生,果蝇的这个基因称为eyeless、它在脊椎类动物的类似基因称为Pax6。还在摩尔根时代就知道:没有这个基因,眼睛减小很多。Gehring实验室克隆到这个基因后,发现它平时表达在早期眼睛里,而通过转基因将它表达到身体其他部分,可以在多个部位长出眼睛,如翅膀上、腿上(HalderCallaerts and Gehring 1995)这表明,通过单个基因可以改变一些细胞的命运导致一个器官的形成,至少在果蝇如此。

可惜的是,在脊椎动物、哺乳动物,还没有找到用单个、或多个基因制造组织、器官的方法,人造生物器官的梦想还需要努力。

多能干细胞也是一种细胞命运。1990年,日本的Okamoto等、德国的Scholer等分别独立发现多能干细胞特异表达的Oct4基因。2003年,山中伸弥实验室和英国的Chambers等独立发现另一个对维持多能干细胞重要的基因NanogMitsui et al., 2003Chambers et al., 2003)。Oct4Nanog可以使少数种类的细胞变成干细胞,但一般来说,它们单独不能将分化的细胞变成干细胞,还需要其他因素。

在这些基础上,有了山中伸弥的工作。

山中伸弥原来的科学背景较弱,在美国进修时实验室也不是很好,回到日本时的研究条件也不很好。但他坚持不懈,一步一步,沿着自己原来的研究经常问问题,最后做了很好的工作。2003年,他实验室作为发现Nanog的两个实验室之一(Mitsui et al., 2003Chambers et al., 2003),首次为较多科学家注意。进一步,他实验室的Takahashi和他选择了多能干细胞与一般细胞不同的基因,他们估计了24个基因,然后把24个基因同时导入分化的细胞,结果能够将后者转化为多能干细胞,他们逐步做减法,减去某一个,最后发现只需要4个基因MycOct4Sox2Klf4)就足以将分化的细胞变成多能干细胞(Takahashi and Yamanaka2006)。他们将由此得到的干细胞称为诱导多能干细胞(iPS)。这一工作立即引起广泛的瞩目。

他们2006年的工作是用老鼠细胞做的。2007年,他实验室(Takahashi et al.,2007)、以及美国迪斯康斯大学汤姆森实验室的俞钧瑛等(Yu et al., 2007),独立报道4个基因也可以使人的细胞转化为多能干细胞,两个实验室用的具体4个基因有2个不同。

iPS立即为很多实验室使用,并认为有很多应用潜能。不过,iPS的应用还有尚未完全解决的问题。最后用于再生医学的途径和方法,迄今未知,所以,如果最后需要制造干细胞,而且制造干细胞的方法是通过用基因诱导干细胞,那么今年奖山中伸弥是对的。不过,也还有可能:最后应用的方法不用制造干细胞,直接从一种分化的细胞变成另外一种分化的细胞,省略干细胞一步,那么方法就完全是Weintraub1987年发明的;也可能最后制造应用的方法是目前大家想不到、完全不同于山中伸弥的方法和途径。所以,虽然大家对iPS还在兴奋期间,但工作尚未完成、意义未经长期检验。

很多人推崇已经79岁的Gurdon,把他和山中伸弥合在一起,可能也是山中伸弥2006年工作出来时间不久就获奖的原因之一。

结语

对各种评价/评审共识度是否高,取决于:1)领域是否有共同价值观,2)评审者的专业水平,3)评审者的公正性,以及4)评审者花一定的精力做足功课。文学奖与和平奖难以获得大家共识,主要是第一种原因,讨论起来很快就变成价值和立场的争论。而诺贝尔自然科学奖,虽然一般在科学界有相当大的共识,但也会出现不同意见、出现错误,常是第四种原因。在国内评审中,可能第三种情况多一些。

如果将诺贝尔奖奉为神明,自己不直接读原始文献,讲课、写教科书按诺贝尔奖的描述,就可能夸大一些工作、忽略一些真正重要的工作,不了解科学事实和研究的历史进程,有时误导学生和其他后来者。

如果误以为发了诺贝尔奖就是定论,就可能因为诺贝尔奖的写法而误以为某项工作已经达到顶峰。实际上,有时不是这样。我们在肯定获奖工作正确部分的同时,无需崇拜、不应该被迷惑,有时意识到还有可能另辟蹊径,走不同的道路、做不同的研究,才更有意义。

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(本文整理自20121022日下午在中国科协的几次发言,顺序有改动,文字有所修饰、补齐了速记省略的英文人名、修改了速记的错误,另外稍加部分内容)

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