憾失诺奖的泛素研究大师Alexander Varshavsky的科研传奇

泛素-蛋白酶体系统(ubiquitin-proteasome system,UPS)是真核动物中蛋白质降解和代谢的主要途径。近年来,人们开发出了许多干预UPS的小分子,包括PROTAC(Proteolysis-Targeting Chimera)等。除了作为科学研究的工具,PROTAC也有望成为新一代多特异性药物,引领第四波制药工业的革命,减轻病人的痛苦。泛素-蛋白酶体研究领域的大师并不少,其中最杰出的一位就是现任加州理工学院生物学教授的Alexander J. Varshavsky。
(图源:www.bbe.caltech.edu/people/alexander-j-varshavsky)
Alex凭借细胞内蛋白降解机制的研究获得过多项国际大奖,包括1999年的加拿大盖德纳奖、2000年的拉斯克奖、2001年的沃尔夫医学奖和2014年的生命科学突破奖。值得一提的是,2004年的诺贝尔化学奖颁给了泛素研究的Irwin Rose、Aaron Ciechanover和Avram Hershko,Alex却与之失之交臂,当时也引发了不小的争论。下面,就让BioArt总结一下Alex为对生命科学所作出的突出贡献,感受科研大师的魅力。
编译、撰文 | Leon
责编 | 雪月
染色质结构的研究
Alex于1946年出生于前苏联莫斯科的一个书香门第,母亲是医师而父亲是一名对分子生物学很感兴趣的物理化学家。1964年,Alex进入莫斯科大学学习化学,后来在莫斯科的分子生物学研究所获得生物化学的PhD。1970年,他加入莫斯科的分子生物学研究所,从事染色质和基因表达的研究。30岁时,Alex决定移民美国,来到了美国东海岸的波士顿,加入MIT的生物学系。
刚入职MIT的Alex决定要继续之前的工作,研究核小体的分布模式。为了避免核小体沿着DNA的“滑动”,Alex用甲醛处理了SV40病毒的染色体,让核小体与DNA之间形成交联。接着,他用限制性内切酶对DNA进行单位点或多位点的切割。有意思的现象出现了,他们发现染色体上的一个位点比其他位点更容易被酶切,该位点位于DNA复制起点和启动子附近的区域【1,2】。后来,类似的实验引起了大家的关注:用HaeIII内切酶可以把长度约400bp的一段无组蛋白的DNA切除出来。
这些发现第一次证明,SV40基因组的调控区域比其他区域更开放(更容易被内切酶切割),而包含组蛋白的核小体不存在于这些区域同时期的其他几个课题组也用非特异的DNase证明了这种染色质结构的存在。
泛素化修饰在细胞中的功能
泛素-蛋白酶体系统(图源:Paul G Corn)
1978年,对组蛋白泛素化的研究把Alex的注意力从染色质转移到了泛素。日本科学家发现了一株突变的细胞,这些细胞在32摄氏度时正常生长,而在39度时停止了分裂。此外,日本科学家发现,这些细胞在较高的温度下,组蛋白的泛素化受到了抑制。
Alex怀疑这些细胞的泛素系统存在缺陷,导致不能正常分裂。他推断,把泛素连接到组蛋白上所需的某些酶容易被高温破坏。
机缘巧合的是,在以色列Avram Hershko课题组读完PhD的Aaron Ciechanover(师徒均为2004年诺奖得主)来到了MIT做博士后,但并不在Alex的实验室。鉴于Aaron有泛素研究的经验,Alex邀请他和研究生Daniel Finley(现哈佛大学教授)一起研究那株细胞。他们发现,这株细胞中E1酶的突变是导致泛素化功能缺失的原因【3,4】。另外,这也为他们提供了在活细胞内研究蛋白降解的良机。的确,他们发现这些细胞也失去了降解蛋白的能力。这个发现第一次表明,泛素化介导了活细胞中蛋白质的降解
为了充分理解泛素系统对细胞生理的影响,Alex使用了酵母作为模型进行研究。当时,Avram Hershko等已经鉴定出了泛素化修饰所必须的E1,E2和E3酶,并且发现蛋白质的降解需要多个泛素分子组成的链,而不是多位点的单泛素修饰。几年后,Alex的工作揭示了多泛素链的功能,并且展示了单个泛素分子是如何组装成链的——泛素分子之间通过异肽键相连,位点通常是K48和G76【5】。Alex还确定了泛素系统在细胞中的功能,包括细胞周期的调控、DNA的损伤修复【6】、蛋白质的合成【7】、转录调控、应激反应等等。Alex的研究证明,泛素系统不仅在试管中起作用,在活细胞中也至关重要。
 
“无所不能”的泛素化修饰【8】
蛋白质降解的N端规则
Alex还克隆了泛素基因,发现了第一个被泛素化的底物、第一个去泛素化的酶和第一个特异性的E3泛素连接酶。此外,Alex还鉴定了泛素化的非降解功能。
到这里,人们已经知道泛素能够标记需要被破坏的蛋白质。反过来,将要被降解的蛋白本身可能也携带有信号,以告诉E3酶是否要向它们添加泛素。这样,细胞可以在特定的时间或特定的条件下清除不同的蛋白。1986年,Alex发现了决定哪些蛋白会被降解的规则——N端规则(N-end rule)【9,10】。蛋白的N端氨基酸的种类决定了其在细胞内的分解速率,这一规律适用于从原核到真核的各类生理及疾病过程。简而言之,N端规则途径利用一组脱酰胺基、精氨酰基化等作用,使非稳定蛋白的N端氨基酸暴露出来。这种特定的信号会被特定的E3酶识别,从而介导多泛素化和蛋白降解。
这篇发现N端规则的论文已经被引用了超过1000次
酵母细胞的N端规则【11】
方法学的研究
Alex认为,高质量的工具和方法是科学研究的推动力。他痴迷于新工具的开发,这些工具也反过来促成了他自己的科研发现。除了许多用于泛素研究的技术,Alex还开发了用于研究DNA复制和染色体分离的二维电泳方法。他还引入了低离子强度(~10mM)下的凝胶电泳以研究DNA结合蛋白,这个方法即EMSA(electrophoretic mobility shift assay)的原型。另外,许多人都做过的染色质免疫共沉淀(chromatin immunoprecipitation,ChIP)实验也是由Alex实验室发明的。
人才的培养
Alex直接指导过许多杰出的科学家,除了上述的Daniel Finley教授,还包括中科院生化所的胡荣贵研究员复旦大学李继喜教授、Rice University的Bonnie Bartel院士、Yale University的Mark Hochstrasser院士和Max Planck Institute of Biochemistry的前主任Stefan Jentsch等。
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