布倫納的諾貝爾獎之路

布倫納的諾貝爾獎之路

(2002年諾貝爾生理醫學獎獲得者布倫納今日去世,享年92歲。重發此文作為紀念。)

2002年諾貝爾獎的化學獎由一位默默無聞的日本公司開發人員田中耕一分享,成了重大新聞,使他成了媒體的焦點。但是2002年獲獎者中本該最引人注目的人物,是獲得生理醫學獎的南非裔英籍生物學家、現在美國索爾克生物研究所擔任教授的西德尼·布倫納(Sydney Brenner)。他是公認的當代最偉大的生物學家之一,終於在75歲高齡時,去掉了“最聰明的沒有獲得諾貝爾獎的人”的綽號。對田中耕一是否有資格獲獎,充滿爭議,而對布倫納的獲獎,卻人人認為當之無愧。事實上,布倫納完全可以得兩個諾貝爾獎。他在1971年和2000年就兩次獲得有“美國諾貝爾獎”之稱的拉斯卡獎。有一位中國學生給他寫信問怎麼才能得諾貝爾獎,在2002年12月10日諾貝爾獎頒獎宴會上,布倫納即以回信做為致辭,對自己的獲獎幽了一默:

“親愛的中國學生:

首先你必須選擇好一個合適的工作地點,並且必須找到有人慷慨地資助你的工作。例如,你可以試試劍橋和英國醫學研究委員會。然後你還必須發現合適的動物來研究,例如你可以試試一種蟲子,一種可能名叫線蟲的蟲子。然後,你還需要選擇優秀的同事,那些願意參加你必須做的艱苦工作的人。他們可以有像約翰·蘇爾斯頓(John Sulston)和羅伯特·霍維茨(Robert Horvitz)這樣的名字。當然你還必須確信他們會找到其他同事和學生來協助面臨的艱苦工作。最後,也是最重要的,你必須選擇合適的諾貝爾獎委員會。它必須是開明和非常有眼力的,而且必須有一位其裁決絕對不可置疑的優秀主席!如果你做到了這一點,你就會被帶到這種地步,能夠代表你所有的同事,感謝每一位讓你有機會在此出席並發表講話的人士。”

當然,布倫納不過是以這種方式面面俱到地對各方人士鳴謝一番。不過,他也提到了使他獲獎的真正原因:一種叫做線蟲的蟲子。線蟲是這一屆諾貝爾生理醫學獎的真正明星,三位獲獎者都以它為研究材料。而首創線蟲研究,為分子生物學研究開闢一個全新領域的,正是布倫納。

1960年代初,新生的分子生物學開始進入全盛時期,布倫納在其中扮演了重要角色,與同事一起發現了將遺傳信息從基因傳遞給蛋白質的中介物質信使RNA,並用遺傳學實驗推斷遺傳密碼子必定是三聯體(即三個核苷酸編碼一個氨基酸)。這是值得授予諾貝爾獎的重大發現。在1962年,布倫納和DNA雙螺旋結構的發現者克里克進行了一系列討論。兩人都認為分子遺傳學的開拓工作已經完成,遺傳的基本奧秘已被發現,接下來只有細節工作可做,而他們都不屑於去做。在生物學中,還有兩個領域在當時還處於矇昧狀態,值得去開天闢地,即發育生物學和神經生物學。克里克選擇了神經生物學,而布倫納則同時想研究發育和神經系統。與克里克採用純理論方法不同,布倫納打算繼續用實驗方法做研究,想要明白在從一個受精卵經過細胞分裂、分化成不同種類細胞而成為生物體的發育過程中,基因起到了什麼作用,以及基因是如何指定了神經系統的結構和功能。這就必須發現合適的生物做為研究材料。

在分子生物學研究的早期,生物學家們集中解決遺傳的分子機制問題,幾乎全都以病毒和單細胞生物(細菌、酵母菌)為材料。對初步的研究來說,多細胞生物太過複雜了,單細胞的微生物才是進行遺傳學研究的理想材料,容易培養,繁殖迅速,基因數目相對較少,而且表現型簡單。直到今天,它們仍被廣泛應用於分子生物學研究。但是單細胞生物顯然不可能用於研究發育和神經系統,必須使用多細胞生物。但是如果一開始就用高等生物,則難以入手。進化論告訴我們,最簡單的生物和最複雜的生物之間,都存在類似的基本規律。在分子水平上,生物界基本上是同一的。分子生物學的成功,很大程度上是由於使用最簡單的生物做為模型,再將其結果推廣到整個生物界。布倫納決定遵循同一原則,尋找一種儘可能簡單的多細胞生物做為研究材料。在1963年,他在提交英國醫學研究委員會的報告中,首次提出研究線蟲。稍後,他選定了秀麗隱杆線蟲(C. elegans)這種線蟲。

秀麗隱杆線蟲是一種非常原始的動物,身長只有大約1毫米。但是它卻是一種“典型”的多細胞生物:從一個受精卵開始,經過細胞的分裂、遷移、分化這個複雜的發育過程,長成成蟲。性成熟後生成精子、卵子,交配、生殖,然後衰老、死亡。它有一套神經系統,有一個“大腦”(神經環),因此也表現出學習、記憶和行為能力。它只有6對染色體(人有23對),卻含有近2萬個基因(人大約3萬個基因),在基因水平上並不簡單。有幾個特點使線蟲成為理想的實驗動物。它的生活週期很短,3天后就性成熟,平均壽命只有大約13天,因此適合於做遺傳實驗,在短期內就能觀察到實驗結果。它的自然生活環境是土壤,以細菌為食,很容易在實驗室中培養,可將它養在生長大腸桿菌的培養皿中。線蟲絕大多數是雌雄同體的(極少數是雄性),而且自我授精,因此容易保存基因突變。它的身體結構很簡單,而且細胞數目是固定的,成蟲全身細胞數目都是959個,因此可以追蹤每一個細胞的命運。它的身體是透明的,適合於在顯微鏡下觀察和操縱每一個體內細胞。

遺傳學說到底,就是一門研究基因突變的後果的科學,因此如果沒法找到合適的突變體,再好的實驗材料也沒用。布倫納發現用乙基硫代甲烷可以誘發線蟲的基因突變,在1967年,獲得了第一個線蟲突變體。1974年,布倫納在《遺傳學》雜誌上發表了一篇有關線蟲遺傳學的論文。在這篇劃時代的論文中,布倫納將遺傳學分析方法和用觀察細胞分裂的顯微方法結合起來,證明能夠在許多基因中引發突變,然後觀察這些突變對器官發育的影響。一個全新的研究領域因此確立了起來。

本屆諾貝爾生理醫學獎的另兩位獲獎者都曾經在布倫納的指導下工作。蘇爾斯頓在1969年到布倫納實驗室工作,用顯微鏡觀察線蟲細胞譜系,也就是說,每一個細胞都是哪個細胞的後代,一直追溯到所有身體細胞的共同“祖先”——受精卵。他發現細胞的傳代極為精確,在不同的線蟲個體中,細胞譜系都一模一樣,它們有著完全相同的細胞分裂和分化程序。在現在,在線蟲的生活史中每一個細胞的起源和命運都已被確定,是唯一一種多細胞生物的細胞“命運圖譜”已被我們掌握了的。在追蹤細胞譜系時蘇爾斯頓發現某些細胞在發育過程中在特定的時刻必然要死亡。在發育過程中,線蟲共生成了1090個細胞,也就是說,其中131個將會死亡。這種死亡並不是隨機的,而是被精確地控制的,被稱為“程序性細胞死亡”。那麼必然有基因參與這個控制。蘇爾斯頓發現了與細胞死亡有關的第一個基因nuc-1。

霍維茨1974年到布倫納實驗室做博士後研究,之後到麻省理工學院當教授。他繼續布倫納和蘇爾斯頓的工作,有系統地尋找控制程序性細胞死亡的基因。在1980年代,首次發現了兩個真正控制細胞死亡的基因ced-3和ced-4。之後,又發現另一個基因ced-9在對抗ced-3和ced-4,保護細胞。他並發現了在人類基因組中,也有一個類似ced-3的基因。事實上,我們現在知道,在線蟲中發現的基因,大多數都很容易在人類中找到類似的基因,而許多人類基因被轉入線蟲之後,也執行相同的功能。因此,對線蟲的研究,不僅有助於我們瞭解生命的基本現象,而且也有重大的醫學價值。人類的發育同樣存在程序性細胞死亡,這個過程如果出現錯誤,該死的細胞不死,不該死的細胞卻死了,就會導致疾病。

諾貝爾生理醫學獎一般只授予非常特定的工作。本屆授予的是“器官發育和程序性細胞死亡的遺傳調控”。線蟲的用途並不限於此,在許多研究領域也獲得廣泛的應用,特別是,如布倫納當初所預料的,用線蟲研究神經系統的遺傳調控,也是碩果累累。目前全世界研究線蟲的分子生物學家有好幾千人(根據參加國際線蟲大會的人數估算),在某種程度上,這些人都可以說是布倫納的徒子徒孫。在科學史上,像布倫納這樣以一人之力開創了一個生機勃勃的領域,是很罕見的,其影響之大,可與摩爾根首創用果蠅研究遺傳學相媲美。有的人需要諾貝爾獎為自己增輝,而有的人的獲獎卻是讓諾貝爾獎增輝。布倫納的獲獎無疑是屬於後者。諾貝爾獎獎給不該獎的人,錯過了該獎的人,在歷史上屢見不鮮。布倫納的長壽使得諾貝爾獎沒有新添遺憾。

一個饒有興趣的問題是:在布倫納之後,誰是生物學界“最聰明的沒有獲得諾貝爾獎的人”?我想許多人會同意把這個桂冠給予加州理工學院教授西摩爾·本澤(Seymour Benzer)。和布倫納一樣,本澤是參與開創分子生物學的重要人物,在50年代用實驗證明基因突變是由於DNA序列的改變導致,並提出每個生物系學生都學過的順反子學說。60年代起,他轉而以果蠅為材料,研究基因與動物行為、發育的關係,做出了一系列重大發現(包括髮現第一種控制動物行為的基因——一種控制果蠅生物鐘的基因),使得果蠅這個經典遺傳學的英雄,在寂寞多年之後,在分子生物學時代重新成為熱門的動物模型。這些都是影響深遠的開拓性工作,本澤也獲得了幾乎所有重要的生物醫學獎項(拉斯卡獎、格拉芙獎、沃爾夫獎等等),獨獨缺一個諾貝爾獎。但是他已經80多歲了(生於1921年),未必有布倫納那麼幸運。

2002.12.16.

附記:西摩爾·本澤已於2007年11月30日逝世,未能獲得諾貝爾獎。

(收入《我們為什麼不長尾巴》)


分享到:


相關文章: