由一道試題引起對(duì)“四膜蟲”的展望

張卓鵬

最近南通通州區(qū)高三模擬考試中出現(xiàn)一道生物多選題，該題答案引起教師爭(zhēng)議。原題如下：

下列關(guān)于某人B淋巴細(xì)胞和胰島B細(xì)胞內(nèi)基因、酶以及ATP的說法，正確的是（ ）

A. 酶和ATP都是基因表達(dá)的產(chǎn)物

B. 基因種類相同，酶種類不完全相同

C. 與ATP合成有關(guān)的酶種類相同

D. 兩種細(xì)胞內(nèi)合成ATP的主要場(chǎng)所是線粒體，合成酶的場(chǎng)所是核糖體

參考答案：BCD。

有師生認(rèn)為選項(xiàng)D有誤，原因是認(rèn)為酶的化學(xué)本質(zhì)一般為蛋白質(zhì)，少數(shù)為RNA，合成蛋白質(zhì)的場(chǎng)所是核糖體，而合成RNA的場(chǎng)所是細(xì)胞核、線粒體，故覺得“合成酶的場(chǎng)所是核糖體”表達(dá)不嚴(yán)謹(jǐn)。但也有師生認(rèn)為選項(xiàng)D正確，原因是題干強(qiáng)調(diào)的是“某人B淋巴細(xì)胞和胰島B細(xì)胞內(nèi)”，即人體細(xì)胞內(nèi)，認(rèn)為人體細(xì)胞中的酶都是蛋白質(zhì)。

分歧的焦點(diǎn)在于人體細(xì)胞中有沒有以RNA作為酶的實(shí)例。這引起了筆者對(duì)“四膜蟲”的回憶和展望，“四膜蟲”在諾獎(jiǎng)史上多次建立功勛，然而最近似乎有點(diǎn)被人們淡忘。

1 酶概念因“四膜蟲”而修改

在20世紀(jì)90年代之前，酶的定義為：酶是活細(xì)胞產(chǎn)生的具有催化作用的一類蛋白質(zhì)。由酶催化的反應(yīng)稱為酶促反應(yīng)，酶所作用的物質(zhì)稱為底物，酶所具有的催化能力稱為酶的活性。

20世紀(jì)80年代，美國科學(xué)家切赫和奧特曼研究發(fā)現(xiàn)少數(shù)RNA也具有生物催化功能，兩人同時(shí)榮獲1989年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。他們關(guān)于核糖核酸（RNA）具有催化活性的發(fā)現(xiàn)，使生物學(xué)的兩大領(lǐng)域發(fā)生了根本變化：它不但修正了“所有的酶都是蛋白質(zhì)”的長期存在的傳統(tǒng)理念，而且對(duì)于生命起源的問題也需要從不同的角度來認(rèn)識(shí)了。其中切赫就因?yàn)樵谒哪はx中發(fā)現(xiàn)了核酶而獲得當(dāng)年的化學(xué)獎(jiǎng)。而人體細(xì)胞中有沒有以RNA作為酶的實(shí)例目前未見報(bào)道，故原題答案為BCD。

20世紀(jì)90年代后，將酶的定義修改為：酶是活細(xì)胞產(chǎn)生的具有催化作用的有機(jī)物，其中絕大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)。

2 “四膜蟲”再成諾獎(jiǎng)“得主”

2009年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予了3位美國科學(xué)家——伊麗莎白·布萊克本、卡蘿爾·格雷德、杰克·紹斯塔克，以表彰他們發(fā)現(xiàn)了端粒和端粒酶保護(hù)染色體的機(jī)理。然而，當(dāng)大眾和媒體的視線更多地聚焦在3位科學(xué)家的經(jīng)歷和該項(xiàng)研究對(duì)人類癌癥和衰老重要意義的時(shí)候，卻忽略了一個(gè)小小的生命——只有約50 μm大小的四膜蟲。

1978年，布萊克本正是在這個(gè)單細(xì)胞真核生物中發(fā)現(xiàn)了染色體的末端——端粒，并于1985年和她的學(xué)生格雷德在四膜蟲中進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了形成端粒的端粒酶。因此，在某種意義上，四膜蟲再次成為諾貝爾獎(jiǎng)“得主”。布萊克本在研究四膜蟲的染色體時(shí)，證實(shí)在染色體的末端的一個(gè)DNA序列可以多次重復(fù)。在1980年的一次研討會(huì)上，布萊克本報(bào)告了她的發(fā)現(xiàn)。其研究結(jié)果引起了紹斯塔克的興趣。于是，他們進(jìn)行了一項(xiàng)在遙遠(yuǎn)物種之間的跨界的實(shí)驗(yàn)。

布萊克本從四膜蟲的DNA中分離出了CCCCAA序列。而紹斯塔克把這個(gè)序列復(fù)制到微型染色體中并把它們放回酵母細(xì)胞內(nèi)。布萊克本和紹斯塔克證明了以前未曾認(rèn)識(shí)到的重大機(jī)理的存在，并在1982年5月的《細(xì)胞》雜志的論文中闡述了端粒的作用：在端粒中有一個(gè)特定的DNA序列保護(hù)染色體不被降解，保護(hù)染色體免于退化（圖1）。

3 四膜蟲的簡介

其實(shí)，四膜蟲離人們并不遙遠(yuǎn)，它們廣泛分布在世界各地的淡水水體中，只是單細(xì)胞的它只有針尖大小，不被人們注意。

四膜蟲是一種單細(xì)胞真核生物，分布在全球的淡水水域中，屬于原生生物門纖毛蟲綱，與一般人所熟知的草履蟲在形態(tài)生理上十分相似。四膜蟲外觀呈橢圓長梨狀，體長約50 μm，全身布滿數(shù)百根長約4～6 μm長的纖毛，纖毛排列成數(shù)十條縱列，是不同種間纖毛蟲分類的特征之一。四膜蟲身體前端具有口器，有三組三列的口部纖毛，早期在光學(xué)顯微鏡下觀察時(shí)看似有四列膜狀構(gòu)造，故據(jù)此命名。

四膜蟲細(xì)胞最大的特點(diǎn)是在一個(gè)細(xì)胞中有兩種核：小核和大核。具有眾多染色體的四膜蟲大核好比一個(gè)豐富的資源庫，為研究遺傳物質(zhì)DNA代謝所需的分子提供了基礎(chǔ)。這也是作為染色體末端的端粒最早在四膜蟲中發(fā)現(xiàn)的重要原因。

在過去50年中，科研人員在以四膜蟲為實(shí)驗(yàn)對(duì)象的基礎(chǔ)研究中取得了一系列突破性成果。如20世紀(jì)60年代第一個(gè)微管動(dòng)力蛋白的發(fā)現(xiàn)、70年代端粒的發(fā)現(xiàn)、80年代核酶與端粒酶的發(fā)現(xiàn)、90年代組蛋白乙?；g后修飾功能的發(fā)現(xiàn)成為當(dāng)下熱點(diǎn)研究表觀遺傳學(xué)的經(jīng)典文獻(xiàn)之一、大核DNA重整中RNAi機(jī)制的存在作為共同發(fā)現(xiàn)者被評(píng)為2002年美國Science雜志十大科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。

4 “四膜蟲”的研究展望

2005年底，美國科學(xué)家完成了嗜熱四膜蟲大核基因組的測(cè)序計(jì)劃并建立了相應(yīng)的預(yù)測(cè)基因數(shù)據(jù)庫。比較基因組學(xué)的研究表明，嗜熱四膜蟲較酵母等單細(xì)胞模式生物和人類具有更多的直系同源基因，其中就包括了58個(gè)與人類疾病有關(guān)的基因；作為先進(jìn)的分子遺傳學(xué)工具，四膜蟲中已建立起一系列成熟的基因重組和細(xì)胞轉(zhuǎn)染等分子遺傳學(xué)操作方法和技術(shù)，使得在嗜熱四膜蟲中進(jìn)行基因敲除/插入、基因表達(dá)抑制和基因過表達(dá)等十分方便快捷。同時(shí)，四膜蟲還具有生長快速、培養(yǎng)簡單經(jīng)濟(jì)、操作精確度高和可控性強(qiáng)等特點(diǎn)，是一種重要的單細(xì)胞真核模式生物。

然而，一直以來，有關(guān)四膜蟲的社會(huì)認(rèn)知度和關(guān)注度卻遠(yuǎn)不如其他真核模式生物，直接導(dǎo)致了各國四膜蟲研究投入的不足和四膜蟲研究群體的減少。在我國，20世紀(jì)80年代是四膜蟲研究的鼎盛時(shí)期，北京大學(xué)陳閱增先生和華東師范大學(xué)張作人先生等在四膜蟲的有性生殖等方面取得了重要進(jìn)展。90年代隨著傳統(tǒng)四膜蟲研究小組陸續(xù)關(guān)閉或改變研究興趣，我國四膜蟲研究進(jìn)入低谷。

進(jìn)入21世紀(jì)，中科院水生生物研究所和山西大學(xué)等單位通過和國際頂尖四膜蟲實(shí)驗(yàn)室的合作，使我國四膜蟲研究重新得到快速發(fā)展。其中，和美國羅切斯特大學(xué)合作構(gòu)建了世界上第一個(gè)纖毛蟲全基因組基因表達(dá)芯片分析平臺(tái)，完成了嗜熱四膜蟲3種典型生理或發(fā)育狀態(tài)共20個(gè)時(shí)期的全基因組表達(dá)數(shù)據(jù)的采集和分析，為四膜蟲功能基因組學(xué)的開展奠定了基礎(chǔ)，被同行評(píng)價(jià)為纖毛蟲分子生物學(xué)研究中的重要里程碑，以此為基礎(chǔ)建立的四膜蟲基因表達(dá)數(shù)據(jù)庫已成為世界四膜蟲研究的重要資源。

綜上分析，“四膜蟲”有望成為21世紀(jì)分子遺傳學(xué)的“明星材料”，如同當(dāng)年孟德爾研究遺傳定律選用的“豌豆”、摩爾根選用的“果蠅”一樣，名垂青史。我們共同期待著小小四膜蟲在下一個(gè)十年對(duì)科學(xué)研究的又一巨大突破！