【特別報導】2012諾貝爾獎預測（二）生理醫學獎

【特別報導】2012諾貝爾獎預測（二） 生理醫學獎
美國德州大學馬千惠編譯

今年湯森路透社（Thomson Reuters）選出在醫藥、物理、化學和經濟領域有可能獲得諾貝爾獎候選人，這些『湯森路透引文桂冠』（Thomson Reuters Citation Laureates）得主，在各自研究領域中以被大量引用的文獻證明他們的在科學上的成就是『諾貝爾級』。

2012年湯森路透引文桂冠獎，在生理、醫學部門得獎的三個研究分別是：細胞黏著 (Cell adhesion)、細胞訊息傳遞和調控 (Cell signaling and control) 基因調控 (Genetic Regulation)。

（一）、細胞黏著 (Cell adhesion)
研究者：
Richard O Hynes -美國麻省理工學院綜合癌症研究所教授、美國霍華德-休斯醫學研究所研究員
Erkki Ruoslahti -美國桑福德-伯納姆醫學研究所納米醫學中心特聘教授
Masatoshi Takeichi（竹市雅俊）-日本理化學研究所發生再生科學綜合研究中心中心長

Richard O Hynes (左)、Erkki Ruoslahti(中)、Masatoshi Takeichi(右)

ynes和Ruoslahti在同時間研究相同的分子，促使對細胞之間如何連結有根本上的認知。Takeichi則研究另一分子cadherins的細胞間黏著功能，這些分子使多細胞生物體得以存在。

Hynes和Ruoslahti分別地發現一大蛋白質分子存在正常的纖維母細胞的表面，但不存在於腫瘤化的纖維母細胞上。Hynes把它稱為對外部環境敏感的大蛋白分子 (LERTS蛋白質)。Ruoslahti則把它稱為纖維連接蛋白(fibronectin)，後來統稱為纖維連接蛋白。當時最大的疑問是這巨大的分子究竟如何幫助細胞間黏著，以及細胞外成分，例如骨骼和肌腱的連接。後續研究累積間接的證據，發現在細胞外的纖維連接蛋白和細胞內組成細胞骨架的肌動蛋白絲有物理上的連接，甚至還發現了一個未知的元素參與這細胞的連結。Hynes和Ruoslahti各別以不同理念作更深入的探討。

Hynesu以螢光標示的單株抗體測試到這連接細胞外的纖維連接蛋白和細胞內肌動蛋白絲的元素是一種穿透細胞膜的分子, 通過一系列複雜的步驟，他的研究小組得以克隆出此蛋白質，並命名此一跨膜蛋白為整合素 (integrin) ，作用於維持細胞和身體結構的完整性。

Ruoslahti 則將纖維連接蛋白分成各個區域並純化出來, 發現其中僅含有108個胺基酸的小片段有促進細胞黏附的功能。分析其胺基酸序列, 發現此一小片段蛋白包含有RGD肽，這是目前在多細胞生物體中，所有已知的整合素群蛋白所含有的重要識別序列。事實上，細胞黏著分子機制早於5.3億年前的寒武紀生命大爆發時即存在，並使多細胞生物得以演化出來。

在Hynesu和 Ruoslahti發現整合素前，研究人員已知道胰蛋白酶能分解蛋白質，可放鬆細胞之間的連結。一般而言，該作用是暫時性的，一旦將胰蛋白酶除去, 細胞間的黏著便可復原。Masatoshi Takeichi在京都從事博士研究，後來在卡內基研究所當博士後研究員，他發現胰蛋白酶溶液中若含有EDTA (EDTA可以有效地消除溶液中的正離子) ，即使已移除胰蛋白酶，細胞還是呈現分離狀況。Takeichi 提出鈣離子的存在使細胞黏著得以發生，在沒有鈣離子存在的狀況下則細胞會保持分離。添加鈣離子可使細胞再次彼此黏著。回到日本後，他的研究生Chlkako Yoshida以鈣離子和黏著的關係，將其命名為鈣黏素(cadherins)。

鈣黏素和整合素對多細胞生物體的發生和維護是絕對重要的。他們告訴細胞在發育的過程中該往何處移動, 並和其他哪些細胞連結在一起。他們是傷口癒合的基礎，活化的整合素將血液中的血小板黏著在傷口形成凝塊，並聚集白血細胞於傷口附近抵抗感染。當出現錯誤, 例如原始觀測中轉化成腫瘤細胞的纖維母細胞因缺乏纖維連接蛋白， 而有不同的細胞外形並且轉移入侵其他組織。後續在醫療應用上，無論是保持細胞在特定位置，促進傷口癒合，或延緩腫瘤擴散，減少白血球凝聚在錯誤位置進而減緩發炎反應。以RGD肽引導藥物到特定的標的細胞，並合成類似物以更確切地到達標的。

（二）細胞訊息傳遞和調控 (Cell signaling and control)
研究者：
Anthony “Tony” R. Hunter –美國癌症學會教授、美國加利福尼亞大學聖地亞哥分校分子生物學教授Anthony “Tony” R. Pawson -加拿大多倫多大學分子遺傳學系教授、西奈山醫院薩繆爾-蘭能菲爾德研究所分子腫瘤學專家

Hunter和 Pawson 以兩個密切相關領域的研究獲得此項目的提名。Hunter發現酪胺酸磷酸化, 是幾乎所有的細胞訊息傳遞的基礎。Pawson 辨識出SH2蛋白質結構域，是連接磷酸化訊息受體和其訊息傳遞途徑上的其他受體。Hunter和 Pawson 探討有關多細胞有機體的一重要機制：細胞之間如何溝通？他們如何知道什麼時候成長，什麼時候減緩？發生癌症時，所有的細胞有可能加速器卡住了，或剎車系統損壞。是什麼原因導致這些故障呢？

在1970年代後期，許多研究人員集中在研究勞斯肉瘤病毒，其中含有一種致癌基因，V-SRC，這會導致雞產生癌症。Hunter 決定找出由v-SRC編碼的蛋白質。他在哈佛僅次於 Ray Erikson 研究團隊之後發表，蛋白質將磷酸分子加到其他蛋白質上，為磷酸化的酶。在那個時候，只知道兩個胺基酸：絲胺酸和酥胺酸可以被磷酸化。Hunter 發現 v-SRC的目標是第三個胺基酸：酪胺酸。因為酪胺酸磷酸化是前所未有的，Hunter 的突破是設計出一個方法來分離磷酸化的絲胺酸，蘇胺酸和酪胺酸。色譜分析顯示 v-SRC是磷酸化酪胺酸而非蘇胺酸或絲胺酸。但是，當 Hunter 使用新的試劑時，不能重複這實驗結果。原來舊緩衝液的酸鹼值比標示的還要酸，用新鮮的緩衝液，磷酸化酪胺酸和磷酸化蘇胺酸會一起移動而無法區分。只有較酸的緩衝液可以使磷酸化酪胺酸顯露出來。 現在已發現數以百計的蛋白激酶，他們參與生長，分化，細胞分裂，細胞運動，突觸傳遞，以及其他許多作用。其中大多數（但不包括 Src）是信號的受體。其中一些分布在細胞表面像是種天線。一個信號分子例如生長因子或荷爾蒙結合到天線，導致激酶自動磷酸化，活化其本身並開始一連串的活化，最終開啓標的基因。當信號從天線移除，整個序列反應迅速停止。這是在正常細胞中的狀況，但半數以上的已知的酪胺酸激酶在癌細胞內會因為突變，而呈現持續活化的狀態。

Pawson 的研究，幫助我們了解訊息傳遞是由蛋白激酶的活化開始。他也是在從研究致癌基因 Fps，開始了這項工作。Pawson 分析 Fps 轉譯出來的蛋白有三個區域, 包括酪胺酸激酶結構相當於 Src 蛋白的酪胺酸激酶。另一個蛋白域與磷酸化酪胺酸及其他蛋白域相互作用，以此 FPS 可以連結到它的目標，並磷酸化該目標蛋白。該連接域和 Src 蛋白相應的域相似，所以 Pawson 把它稱為 Src 同源域 SH2。超過100個人類蛋白質含有SH2，它是一種特定的蛋白域存在於特定的蛋白內，用以確保細胞針對外界不同的刺激有特定的反應。

（三）、基因調控 (Genetic Regulation)
研究者：
C. David Allis–美國洛克菲勒大學核染質生物學與實驗胚胎學實驗室主任
Michael Grunstein -美國加州大學洛杉磯分校格芬醫學院生物化學教授

C. David Allis(左)、Michael Grunstein (右)

Allis 和 Grunstein 的傑出貢獻是拓展了我們對基因調控的了解。他們以實驗方法，發現由基因本身以外的因子，來控制基因表現的機制。

我們已經習慣了DNA中包含一系列的基因序列，像是一個生命藍圖。但是如果DNA是一個藍圖，那麼舉例來說，兩個遺傳基因完全相同的雙胞胎，應該完全一樣，不可能只有其中一個患有自閉症或思覺失調症而另一個沒有 ; 另外單一組遺傳基因如何同時控制毛毛蟲和蝴蝶的生成？

這個答案起始於了解 DNA的纏繞包裹過程。如果將一個中等大小的染色體伸展開來，其長度約有3.2公分長。將所有染色體伸展開則有 2到3公尺長，這樣長的 DNA分子被裝入直徑只有 6微米的細胞核中。這緊密結構是藉由DNA纏繞在組織蛋白 (histone) 周圍形成珠狀的核小體 (nucleosome)而形成。這緊密纏繞的核小體大小約被的延展出來DNA 分子的四萬分一。從1880年代被發現以來，組織蛋白一直被認為是基本惰性的包裝材料。

在1980年代後期，Grunstein和他的同事們發現酵母菌的一組織蛋白的一部分對特定的基因調控是不可或缺的。沒有此一組織蛋白，酵母菌還是可以存活，但它不能進行有性繁殖。這是第一個顯示組織蛋白和DNA之間有直接互動的發現。不久之後，Allis和他的同事們發現一種酶，可以將一乙醯基加到核小體露出的組織蛋白尾部一個特定胺基酸上。一個多月後，他們發現另一個酶可以移除乙醯基。從本質上來講，這兩種酶的作用標記和移除標記的不是DNA本身，而是組織蛋白，並且利用這標記的存在來防止那域區DNA上的基因被讀取而表現出來。另外有其他的酶以加上甲基或移除甲基，作類似的調控。

因此開啟了表觀遺傳學或後生學的實驗階段，此一發現被快速應用在醫學上。去乙醯酶的抑制劑被用來治療罕見形式的淋巴瘤，而目前發現很多癌細胞有基因以外的修飾，選擇性地添加或刪除這些化學標記的可能性，使調控組織蛋白變成一個開發新藥物的方法。

調控組織蛋白也和老化有關，一些實驗動物克隆所產生的併發症，以及缺乏營養的孕婦對胎兒所造成的影響等等，Alis 和 Grunstein的基礎研究有著深遠的影響。

參考資料：
1. http://sciencewatch.com/nobel/predictions/cell-adhesion
2. http://sciencewatch.com/nobel/predictions/cell-signaling-and-control
3. http://sciencewatch.com/nobel/predictions/genetic-regulation