日本分子細胞生物學(xué)家獲得2016諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎

張笑　梅進

大隅良典

1945年2月9日出生于日本福岡。1974年從東京大學(xué)獲得博士學(xué)位。1974年至1977年，他在美國洛克菲勒大學(xué)做博后，隨后返回日本，任職于東京大學(xué)。2009年起，為東京工業(yè)大學(xué)教授。

北京時間10月3日下午5點30分，2016年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎揭曉，日本科學(xué)家大隅良典（Yoshinori Ohsumi）獲獎。獲獎理由是“發(fā)現(xiàn)了細胞自噬機制”。

今年的諾貝爾獎獲得者發(fā)現(xiàn)并闡明了細胞自噬的機制—這是細胞成分降解和循環(huán)利用的一個基本過程。

自噬（autophagy）一詞來源于希臘語前綴auto-，意為“自我”，以及另一個希臘語單詞phagein，即“吞噬”。因此，autophagy便引申為“自噬”。這個定義出現(xiàn)在上個世紀60年代，當(dāng)時，科研人員首次觀察到細胞能破壞自身成分，用膜將這些成分包裹，形成袋狀囊泡并轉(zhuǎn)移給溶酶體（lysosome）進行降解回收。此前人們對細胞自噬過程幾乎毫無了解，因而相關(guān)研究一直是困難重重，直到上個世紀90年代初，大隅良典在一系列實驗中，巧妙地利用面包酵母（baker，s yeast）找到了細胞自噬所需的基因。通過繼續(xù)研究，大隅良典闡明了酵母自身內(nèi)自噬的基本原理，并證明類似的復(fù)雜機制也存在于人體細胞內(nèi)。

大隅良典的發(fā)現(xiàn)為我們了解細胞如何循環(huán)利用自身成分樹立了新典范。他的發(fā)現(xiàn)也為我們了解并意識到細胞自噬在饑餓適應(yīng)、感染反應(yīng)等許多生理過程中的至關(guān)重要性開辟了新道路。自噬基因的突變會導(dǎo)致疾病的產(chǎn)生，自噬過程在包括癌癥和神經(jīng)性疾病在內(nèi)的多種體內(nèi)環(huán)境中充當(dāng)不可或缺的角色。

降解—存在于所有活體細胞中的重要功能

上世紀50年代，科學(xué)家觀察到一種特別的細胞微結(jié)構(gòu)（這種微結(jié)構(gòu)的學(xué)名又叫做“細胞器”），這種細胞器含有能夠消化蛋白質(zhì)、碳水化合物和脂肪的酶。后來研究人員將這種細胞器稱為溶酶體，它相當(dāng)于降解細胞成分的工作站。比利時科學(xué)家Christian de Duve就因為發(fā)現(xiàn)這種溶酶體而獲得1974年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。到了60年代，科學(xué)家們在溶酶體中有時可以找到大量的細胞組成物質(zhì)甚至是完整的細胞器。因此，科學(xué)家們認為細胞內(nèi)存在著一種過程—將細胞內(nèi)的“大型貨物”送到溶酶體那兒。進一步的生化和顯微分析也顯示，一種新的囊泡會將細胞成分打包送到溶酶體處進行降解。發(fā)現(xiàn)溶酶體的Christian de Duve使用了“自噬”這個合成詞描述這一過程。這種囊泡則被稱為“自噬體”（autophagosome）。

我們的細胞有著各種特別的細胞器。溶酶體就是這樣的一種細胞器，它含有各種可以消化細胞成分的酶。細胞內(nèi)還存在一種被稱為“自噬體”的新型囊泡。當(dāng)自噬體形成時，它會包裹住某些細胞成分，如那些被破壞的蛋白質(zhì)和細胞器。最終，自噬體與溶酶體相融合，這些細胞成分便會降解為更小成分。這一過程為細胞的更新提供了養(yǎng)分和構(gòu)建基礎(chǔ)。

在上世紀70到80年代，科研人員將注意力放在了對另一種降解蛋白質(zhì)的物質(zhì)即“蛋白酶體”的研究上。在這個研究領(lǐng)域里，就有Aaron Ciechanover， Avram Hershko和Irwin Rose三位科學(xué)家因為發(fā)現(xiàn)泛素調(diào)節(jié)蛋白的降解而獲得2004年諾貝爾化學(xué)獎。蛋白酶體能夠有效地先后降解多個蛋白質(zhì)，不過這種機制并沒有解釋細胞是如何處理更大的蛋白質(zhì)復(fù)合物和破舊的細胞器的。那么自噬過程能夠給出解釋嗎？如果可以，那其機制又是什么呢？

一個突破性實驗

大隅良典曾活躍于多個研究領(lǐng)域，在1988年開始建立自己的實驗室時，他將研究重點放在液泡中蛋白質(zhì)的降解方面。酵母細胞相對比較容易研究，所以經(jīng)常被用于人類細胞研究模型。對于研究在復(fù)雜細胞通路中具有重要作用的基因來說，它們尤其有用。但是大隅良典面臨著一個主要的挑戰(zhàn)：酵母細胞很小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)在顯微鏡下很難區(qū)分，所以他就難以確定酵母細胞中是否存在著自噬作用。怎么辦呢？他就想著，在自噬過程激活時，如果能打斷液泡中的降解過程，那么自噬體就應(yīng)當(dāng)在液泡中聚集，并能在顯微鏡下可見。于是他培養(yǎng)了缺乏液泡降解酶的酵母細胞，并通過饑餓化細胞刺激自噬作用。結(jié)果是驚人的！幾個小時內(nèi)，液泡內(nèi)就充滿了未被降解的小囊泡。這些小囊泡就是自噬體，大隅良典的實驗證明了自噬存在于酵母細胞中。更重要的是，他現(xiàn)在能夠鑒別參與這一工程的關(guān)鍵基因了。這是一項重大的突破，大隅良典于1992年發(fā)表了這項結(jié)果。

自噬基因被發(fā)現(xiàn)

大隅良典開始利用改造過的酵母菌株，其中的吞噬體因饑餓而聚集。如果自噬重要基因失活，這種聚集不應(yīng)該發(fā)生。大隅良典將酵母細胞暴露在一種化學(xué)物質(zhì)下，隨機在許多基因中誘發(fā)突變后，開始誘導(dǎo)自噬。他的策略成功了！在發(fā)現(xiàn)酵母自噬一年內(nèi)，他就鑒別出了第一個對于自噬至關(guān)重要的基因。在后來的一系列精巧的研究中，他發(fā)現(xiàn)由這些基因編碼的蛋白具有功能性。這些結(jié)果顯示，自噬由一組蛋白和蛋白復(fù)合體調(diào)控，各自調(diào)節(jié)自噬體形成的不同階段。

細胞自噬—細胞中的關(guān)鍵機制

在發(fā)現(xiàn)了酵母中的細胞自噬機制后，仍有關(guān)鍵的問題待解。其他機體中是否存在著響應(yīng)機制來調(diào)控這一過程？很快，科學(xué)家弄清了人類的細胞中也存在著完全一樣的機制。如今，用于研究人體細胞自噬重要性的工具已經(jīng)誕生。

感謝大隅良典和其他跟進研究的人，我們現(xiàn)在知道自噬調(diào)控著重要的生理功能，以便細胞組件得以降解和循環(huán)。自噬能夠快速提供能量燃料，及為細胞組件更新提供材料，從而對細胞響應(yīng)饑餓或其他應(yīng)激至關(guān)重要。在感染后，自噬能夠清除入侵的胞內(nèi)細菌和病毒。自噬對于胚胎發(fā)育和細胞分化也發(fā)揮作用。細胞還利用自噬清除受損蛋白和細胞器，這是一種質(zhì)量控制機制，對于抵消衰老帶來的副作用至關(guān)重要。

中斷的自噬作用已被認為與帕金森癥、Ⅱ型糖尿病及其他老年易患病相關(guān)。自噬基因的變異能導(dǎo)致基因疾病。干擾自噬作用被認為與癌癥相關(guān)。目前相關(guān)研究正在緊密展開，以期開發(fā)相關(guān)藥物能在多種疾病中標靶自噬作用。

雖然自噬作用已被發(fā)現(xiàn)了50多年，但直到上世紀90年代大隅良典顛覆性的研究之后，它的重要性才得到確認。因為這一貢獻，大隅良典被授予今年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。

（本文轉(zhuǎn)自《中國科學(xué)報》）