2006諾貝爾化學獎

 

本文譯自諾貝爾化學獎委員會公佈給大眾的新聞稿:

http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2006/info.pdf

若需要進一步的資訊,請至以下網頁點選:

http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2006/chemadv06.pdf

 

譯者前言:從2002年到2004年,連續三年諾貝爾化學獎頒給了與生物化學相關的研究,今年的獎又再一度頒給了生化學家,這四次的得獎者所做的工作其實都與結構生物學息息相關(無怪乎曾聽人說二十一世紀是結構生物學的世紀),他們的工作也都在利用化學的儀器來解決結構的問題。正如同下文中所提,本年度得獎者的成功就在於不但專精於結晶學,同時也具有對生物體系的深入瞭解,這正符合了現今新興的“化學生物學”的目標,即利用化學的方法去解決生物體系裡的重要問題,看來這幾年諾貝爾化學獎委員會似乎正在肯定化學生物學這個領域的重要性。暑假間我到中研院生醫所聆聽2004年諾貝爾化學獎得主之一席嘉諾佛(Aaron Ciechanover)的精采演講,是有關泛素(ubiquitin)所媒介的蛋白質分解反應機制。開場前我側聽到背後兩位年輕人的交談,言談中頗為不解為何他得到的是化學獎,所言差矣!在分子的層次,我們所看到的不是化學還會是什麼?這實在是化學最常被誤解的地方!

 

蔡蘊明謹誌於2006年十月五日(歡迎轉載,但請註明出處)

 

後記:  詹健偉是我在2003年教過的學生,他原在植微系,後來轉入了生化科技系,從起初對生物系統的興趣加上對化學的熱愛導致他轉入生化科技的領域,然而這些年他逐漸的體認:「只有化學才能完美的解釋生物體系」,現在他已經決定投入“化學生物學”的領域。健偉是個認真的學生,他讀我的翻譯文章極為仔細,更進一步的從一個學生化的背景看出我許多翻譯的謬誤以及不通順之處。對我這篇譯文,他主動的幫我修改。有學生如此,是我的福分,感謝健偉也祝福他!

 

蔡蘊明謹誌於2006年十月十三日

 

 

 

今年的諾貝爾化學獎是由美國史丹福大學醫學院結構生物學系的Roger D. Kornberg獲得,主要是由於他所做的基礎研究,對瞭解基因上所攜帶的訊息如何被轉錄,然後傳遞至細胞中負責合成蛋白質的部門,具有重要的貢獻。Kornberg教授是第一個人,能讓大家真正在分子層次 "看到",真核生物(eukaryotes;相對於細菌,真核生物具有明確隔間的細胞核)的基因訊息轉錄過程。像我們這樣的哺乳動物或是較低等的酵母菌,都是屬於真核生物。

 

生命的核心

對所有的生命體而言,不斷的轉錄在DNA(去氧核醣核酸)中所帶的資訊,是一個最核心的步驟。DNA分子是被保護在細胞核內的,基因的資訊因此需要“拷貝並轉換”成為一個稱為信使核醣核酸(mRNA)的物質,這個物質會將基因訊息帶到細胞中製造蛋白質的部份,而蛋白質才是真正組成生物體及執行功能的主要角色。

 

如果轉錄的過程被阻斷,生物體很快就會死亡,因為所有細胞中蛋白質的製造都停止了,這就是中了某些毒蘑菇,例如毒鵝膏(death cap)之毒時所發生的狀況;毒鵝膏的毒素阻斷了一個稱為核醣核酸聚合酶(RNA-polymerase)的酵素,這個酵素在轉錄的過程中扮演重要的角色,在數天內這個毒素會從腸擴散到肝臟和腎臟,因此慢慢的破壞了所有的器官。許多的疾病例如癌症、心臟病以及不同型態的發炎都與轉錄過程受到干擾有關。

 

 

細胞多樣化的解釋

由於真核細胞轉錄系統的彈性造成了這個生物體系的多樣性,體內所有的細胞都帶有相同的基因訊息,但是不同的組織所轉錄的部份卻大相逕庭,也因此轉譯產生不同的蛋白質。有關轉錄的知識也有助於瞭解幹細胞如何在不同的器官中發育成不同種類的特定細胞,並具有獨特的功能。我們對於幹細胞的興趣就在於它的醫療運用以及能發展成為生物體內任何功能的細胞,因此如果我們想要完全的發揮幹細胞在醫療上的功能,那麼掌握轉錄的控制機制就成為必要的步驟之一。

 

 

DNA的分子是由代號為GCAT四種塊材所構築的,而RNA則是由四個相對應的塊材組成。而寫在這些分子中的基因訊息決定於這些塊材結合時的序列,基因的密碼也就是由這四個字母所組成。DNA的分子是雙螺旋的結構,在雙螺旋之一股上的G永遠是對應著另一股上的C;類似的,A則對應著T(華生、克里克與威金斯因為這項發現在1962年得到他們著名的諾貝爾生理或醫學獎)。轉錄的過程始於DNA雙螺旋的打開,此時裸露的塊材就可被當成模板而製造出RNA的單股結構,因為細胞的溶液中含有RNA的塊材,當轉錄的過程進行時,對映於裸露的DNA單股上C塊材的G就會植入在相對的位置,而相當於TRNA塊材就會植入在DNA單股上A的對映位置,依此類推,RNA就這樣一步步的組合起來,形成那裸露的DNA單股之“負片”(也就是相反的版本)。一個非常基本的問題就是這個過程運作的細節到底如何?生物體的健康就決定於在轉譯時是否正確的合成出蛋白質,要生物體不受損傷,錯誤的機率必須小於萬分之一。因此為了保障RNA的塊材植入時是按照正確的順序,就必須有一個獨特的機制,其關鍵就在一個非常謹慎的控制這個步驟的一個特殊酵素:RNA-聚合酶(RNA-polymerase)

 

一個生命的快照

下圖所示是2001Kornberg所做的,是一個正在運作的RNA-聚合酶,那個大的白色分子(看起來像一團鐵絲)就是RNA-聚合酶,它被做為DNA (藍色部份)的支架,RNA-聚合酶的分子在轉錄的過程需讓DNA單股保持在正確的位置並創造出一個微小的“空洞”,這個空洞小到只能接受那個剛好對映到DNA塊材的RNA塊材。如果一個錯誤的RNA塊材企圖插入,則是根本無法吻合,就好像一片錯誤的板塊無法置入一個尚未完成的拼圖玩具中一般。就這樣一步步的建立新的RNA單股(紅色所示),一旦一個塊材植入了正確的位置,DNA就會被一個在RNA-聚合酶中的一個小小的螺旋結構(綠色所示)向前推進,這個像彈簧一般的結構的來回彈動,主要是由於聚合酶形狀的不斷自然改變所造成(這正是前述的毒鵝膏毒素所破壞的機制),就這樣DNA一次又一次的移入正確的位置,讓新的RNA塊材可以進入,並植入生長中的RNA單股。

 

這是一個Kornberg2001年所繪製的轉錄過程,RNA-聚合酶是白色的,DNA螺旋是藍色的,而正在生長的RNA單股是紅色的。

 

 

Kornberg所創造的圖像真正革命性的地方,就在於他抓到了轉錄過程的全貌。我們所看到的是一個正在生成的RNA單股,以及DNA,聚合酶和RNA在這個過程中的精確位置。Kornberg用了一個巧妙的方式將RNA生成的過程在半途中凝住,那僅僅是在所用的溶液中拿走了一種塊材,當構築到那個被拿走的塊材之處時,整個過程就停頓下來了,Kornberg接著製備出了由這些參與的分子所生成的結晶,然後用X-射線取得了這個過程的“相片”,這張圖像當然不是一個普通的照片而是一個這些分子在結晶態的影像,由這個圖像開始,就可以用電腦來計算這些原子在這些分子中的真正位置,而上圖就是由電腦所計算繪製出來的。

 

這個製造出生化分子的結晶以繪製其圖像的方法是現今常見的手段,不過通常我們只會看到一個完成(即反應結束)的複合體或單一分子的圖像,要捕捉一個正在發生的化學反應的圖像是非常困難的,而這不是一個優秀的結晶學家就能夠做到的,Kornberg的成就最特別的地方在於他結合了結晶學以及非常深入的生化知識,使得他能完全的掌控所想要看的過程之圖像。除了這一個RNA-聚合酶功能的詳細圖像,透過研究其它的RNA-聚合酶,DNARNA以及稱為普遍轉錄因子(general transcription factors)的重要錯合物等之晶體,他也對有關轉錄的過程提供了好幾個其它的重要資訊,這些圖像使得我們可以在分子的層次去瞭解控制轉錄過程的機制。

 

細菌,哺乳類和酵母菌

有一段很長的時間,科學家認為真核生物的轉錄過程與細菌(與真核生物的差別在沒有明確的細胞核)非常類似。不過現在已經很清楚,真核生物的轉錄過程是極為複雜的。RNA-聚合酶最初是在哺乳類的肝細胞中發現,但是這種細胞是很難研究的,細菌反而卻是被詳細研究的第一種生物體,因為它較易操作。

 

1965年諾貝爾生理或醫學獎頒給了Jacques Monod, André LwoffFrançois Jacob,得獎的原因之一就是有關轉錄在細菌中是如何進行的。除了RNA-聚合酶,還需要一個稱為sigma-因子的分子才能讓細菌中的轉錄開始。這個分子與RNA-聚合酶結合並透過它的能力去辨認DNA上的特定密碼,它會告知基因的資訊從哪裡開始以及哪裡結束;沒有sigma-因子,轉錄永遠不會開始,因為聚合酶本身並不知道要從DNA單股上何處開始讀取。

 

然而在發現sigma-因子後,當研究者回到真核生物細胞時,沒有人能夠從中發現sigma-因子,研究慢慢的顯露,相對於細菌的單一sigma-因子,在真核生物細胞中則有五種不同的分子複合物,它們都是在我們的細胞中啟動轉錄所必須,這些複合物被稱為普遍轉錄因子,並且在真核生物細胞轉錄時的微調上扮演了重要的角色。找到這五種轉錄因子需要許多辛苦的工作,分好幾個步驟純化細胞萃取物,然後從萃取物中將其中的分子一次一個的移除,直到會使轉錄停止運作 (可知該移除分子為轉錄所必須),然後研究者以此法將轉錄發生所需要的物質一一分離出來,當這些工作做完之後,許多人都確信,如同細菌一般,參與在真核生物轉錄系統中的每一部份都已經被發現找到。即使如此,真核生物細胞"形狀或是功能的多樣性"卻尚未能解釋,對於某些基因僅會在血液細胞中表現,而其它的基因則僅會在肝細胞表現等等的問題,現在也沒有完整的答案。

 

在這個階段Kornberg的重要貢獻之一,就是開發了一個用酵母菌細胞來進行研究工作的新系統。低等的的酵母菌與哺乳類同屬真核生物,因此可以用酵母菌作為一個模式生物而不需用哺乳類的細胞。酵母菌細胞的操作極為簡單,而且很容易將這些細胞製備成均勻物質來研究,即便如此,Kornberg的研究小組在將之運用於研究轉錄過程之前,就花了十年的時間來微調這個體系,許多其它的研究小組可能老早就放棄了,因為許多年過去了,卻沒有得到真正可以發表的結果,但就是這個運用酵母菌細胞的系統,讓Kornberg成功的以適當的形式和數量,製備出RNA-聚合酶以及普遍轉錄因子來產生晶體去研究。

 

必須的接力

由於這個酵母菌細胞的系統,Kornberg又發現了另一個分子複合體,這個複合體竟然在真核生物的轉錄過程中扮演了一個類似開關的重要角色。DNA螺旋上有一些部份稱為增強子(enhancer),它會與一些特定分子結合,這些不同分子分別在不同組織中被發現。藉著這種專一性的結合,在特定組織中,可專一性的促進(或是增強)特定基因的轉錄;例如在肝中有一個獨特的訊息傳導物質",會與DNA上的 "肝特定-增強子" 結合,促使 "鄰近該增強子的基因" 轉錄;在身體的其它部份,那個肝的特定基因卻永遠不會被打開,因為缺少那個獨特的訊息傳導物質。Kornberg還發現這個調控還需要另一個分子錯合物的存在來傳遞訊號以將轉錄打開或關閉,這個“接力”錯合物稱為媒介子(mediator)

 

真核生物的高度複雜性實際上是透過組織中的特定物質、DNA上的增強子以及媒介子的精細互動而造成;媒介子的發現對瞭解轉錄過程而言,是一個真正的里程碑。

 

待續

Kornberg仍在持續的企圖引入轉錄裝置中越來越多的部份以進行他的結晶學和功能性的研究,目前他已經展示了RNA-聚合酶、DNA以及生長中的RNA單股與它的塊材的相互作用,下一步是要將所有的普遍轉錄因子(特別是包括媒介子)引入,並擷取其正在運作中的圖像,Kornberg已經在這個方向上踏出了幾步。

 

結晶學在這方面是一項特別重要的工具,因為在轉錄的過程中,不同的部份在三度空間中的真正結構扮演了決定性的角色;透過傳統的方法是很難產生對這個過程的瞭解,因為傳統的方法不能告訴我們任何空間中分子與原子所在的位置。在這個過程中的許多單元並不會進行重要的化學改變,我們只要能實在的“看到”分子以及它們在不同階段的位置,就能知道轉錄是如何進行的。

 

對轉錄是如何運作所逐漸建立的功能性圖像,最終會導致瞭解基因的資訊是如何產生我們週遭那麼多樣性的生物體。有關這是如何在人體內發生的知識,亦具有十分重要的醫學價值。