2002年诺贝尔生理学或医学奖简介.pdf

· 诺贝尔奖工作回顾 · 细胞凋亡的分子机制及其在当前医学中的应用 — — —2002年诺贝尔生理学或医学奖工作介绍及研究进展 宋 伟 3 宋德懋 3 3 (北京大学医学部生理学与病理生理学系,北京100083) 细胞凋亡( apoptosis)或程序性细胞死亡 (pro 2 grammed cell death, PCD)是指在一定的条件下,细胞 遵循固定的程序,自己结束生命的过程 [1 ]从细胞 功能上看,一个多细胞生物体中,在正常条件下,某 些细胞的死亡是细胞个体发育的一个阶段(最后阶 段)这种死亡是一种预定的、 并受到严格程序控制 的正常个体发育过程,称之为程序性死亡( PCD) 从形态上看,上述细胞死亡有其特定的形态学变化, 例如细胞产生膜泡、 染色质浓缩和DNA降解等等; 具有上述形态学特点的细胞死亡称之为凋亡由于 在绝大多数情况下,程序性死亡具有与凋亡相同的 形态学变化,因此,这两个概念或名词可以看成是从 不同角度描述的同一过程,可以混用 从形态学上看(图 1) [2 ] ,细胞凋亡是一变化的 过程首先细胞变圆,随即与周围细胞脱离;细胞失 去微绒毛,胞浆浓缩,内质网扩张呈泡状并与细胞膜 融合,核染色质密度增高,凝聚在核膜周边;然后核 染色质断裂为大小不等的片段,与某些细胞器如线 粒体聚集在一起,被反折的细胞膜包围。

从外观上 看,细胞表面产生了许多泡状或芽状突起;接着这些 突起逐渐分隔,形成单个的凋亡小体( apoptotic body) ;最后凋亡小体被邻近的正常细胞吞噬并消 化细胞凋亡过程中有一些标志性的生物化学变 化 [3 ] :细胞膜上的磷脂酰丝氨酸(PS)由膜内侧面翻 到外侧面;胞质内蛋白酶活化,发生级联反应 (cas 2 cade) ,同时有能量消耗、 新基因转录或蛋白质合成 等变化;细胞核内染色质DNA被核酸酶酶切成以核 小体180～200bp为重复单位的片段,如果将从凋亡 细胞中提取的DNA进行琼脂糖凝胶电泳,会形成梯 状的DNA条带(DNA ladder) 从细胞功能上看,细胞凋亡对多细胞生物体具 有重要的意义 [4 ]一方面在生物发育过程中细胞凋 亡可以清除没有功能的、 不需要的、 不正常的和有害 的细胞,优化组织器官的结构和细胞数目,确保正常 个体发育另一方面在生物体整个生命过程中,每 天都会产生许多功能异常的细胞,如癌变细胞、 衰老 细胞、 被微生物侵袭的细胞等细胞凋亡可以将这 些细胞清除,并且由新诞生的功能正常的细胞替换 因此,体内细胞的诞生和死亡处于动态平衡,从而维 持机体组织器官中细胞数量稳定和功能正常。

图1 在发育中的大鼠小脑的一个早期凋亡细胞 三角形标记为被吞噬的凋亡细胞碎片 早在1896年科学家就已经在鱼类神经元的发 育过程中观察到细胞凋亡的现象,细胞凋亡的概念 最早是由英国阿伯丁(Aberdeen)大学的病理学家科 尔(Kerr)提出的 [1] ,同时他还详尽描述了死亡过程 中细胞的形态学变化进入20世纪60年代后,细 胞凋亡的研究进入到基因水平,先后有三位科学家, 即美国加州伯克莱科学研究所的Sydney Brenner (1927年出生)、 英国剑桥桑格 (Sanger)研究中心的 John E.Sulston(1942年出生)和美国麻省理工学院 的H. Robert Horvitz(1947年出生) (图2) ,他们用 秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans, C. elegans)作 为动物模型做了开创性的工作,为此共同获得了 2002年诺贝尔生理学或医学奖公报称,由于他们 发现了器官发育的基因调控和细胞的程序性死亡 3 北京大学医学部八年制临床医学专业04级学生 3 3 通讯作者 ·581·生理科学进展2008年第39卷第2期 ( genetic regulation of organ development and pro2 grammed cell death)而获奖。

图2 2002年诺贝尔生理学或医学奖获得者 一、 凋亡基本的分子机制及其发现 (一 ) C. elegans细胞凋亡的分子机制 C. ele2 gans的细胞凋亡过程比较简单,现已鉴定并得到确 认的是共有四个基因编码的蛋白质参与了凋亡过 程,它们分别具有抑制、 启动或产生效应的作用,包 括egl21、ced23, ced24和ced29 [5 ] ced29 ( cell death abnormal)与哺乳动物Bcl22蛋白家族中的 Bcl22蛋 白(见后述)在结构和功能上同源,具有抑制凋亡启 动的作用egl21 (egg laying defective)与Bcl22蛋白 家族中的唯BH3域蛋白(BH32only proteins)同源 (见后述 ) , 具有启动凋亡的作用ced24与哺乳动物 的衔接蛋白apaf2 1 ( 见后述)同源,具有推动凋亡进 程的作用而ced23则与哺乳动物胱天蛋白酶蛋白 家族(caspases)同源(见后述 ) , 具有执行凋亡的作 用,使细胞表现出典型的凋亡形态变化 C. elegans的凋亡信号通路如图3所示在正 常细胞中, ced29结合粒体膜上,并且与ced24牢 固结合形成复合体而抑制ced24的功能。

当细胞接 收到凋亡信号后, egl21蛋白开始高表达,它直接与 ced29结合,而使ced24与ced29脱离进入胞浆;而后 ced24与ced23结合形成ced23 /ced24蛋白复合体并 移向核膜,同时ced24与ced23的结合使得ced23在 局部的浓度升高,有助于ced23聚合和自我活化;最 后被活化的ced23催化水解细胞中的各种底物,使 细胞表现出典型的凋亡形态变化 图3 C. elegans细胞凋亡信号通路 C. elegans的凋亡信号通路看似简单,然而它的 发现却是由三位科学家前后30年承前启后的艰辛 工作才得以完成,以下就三位科学家30年来的研究 历程作一简要回顾 (二) SydneyBrenner将C. elegans作为模型动物 为凋亡研究提供绝好材料 1953年,美国科学家 Watson和英国科学家Crick在英国剑桥大学卡文迪 许实验室完成了遗传物质DNA双螺旋结构的确定, 分子生物学从此诞生之后的数十年中,分子生物 学家们将主要精力放在了基因控制生物性状的分子 机制的研究上到了上世纪70年代,分子生物学有 了很大的发展,基本阐明了单细胞原核生物基因表 达和对性状控制的分子机制,于是同样的问题转到 了多细胞的高等生物,尤其是基因如何控制细胞分 化和器官发育,进而将这些不同种类的细胞构建在 一起组成一个完整有序的生物体 [6 ]。

基于上述背景,从1966年Brenner进入这一研 究领域起,他就希望通过考察基因对神经系统的分 化发育以及对生物行为的控制来研究上述问题,而 选择合适的模型动物作为研究材料即成为当时亟待 解决的问题这种模型动物不仅要适合实验室进行 分子生物学的研究,而且可以对其神经系统作充分 的考察,包括神经系统从受精卵到成体的整个发育 过程,以及容易观察成熟个体神经系统的构成要件 及各神经细胞之间的联系,这就需要备选动物个体 很小且神经系统只有很少的细胞组成,这样就可以 用显微镜对动物进行动态观察1974年,Brenner发 表了他学术生涯中第一篇重要论文“The genetics of Caenorhabditis elegans” [7 ] ,在这篇文章中,他报道了 用C. elegans作为模型动物考察基因对神经系统的 分化发育以及对生物行为调控的分子机制Brenner 指出C. elegans作为模型动物有诸多的优点: (1)自 然存在的C. elegans有自我受精的雌雄共体 ( her 2 maphrodite)和雄性体(male)两种形态,其中雌雄共 体细胞核内有5对常染色体和一对性染色体XX,雄 性体有5对常染色体和一条性染色体X,这对于杂 交实验进行基因定位很有利; (2) C. elegans成虫体 长1毫米,便于显微镜观察; (3) C. elegans在20℃ 条 件下生活周期为3. 5天,从受精卵发育为成虫经历 L1～4共四个阶段,在琼脂糖培养基上以大肠杆菌 (E. coli)喂养可以使其大量生长繁殖,这样就可以 在较短时间里获得大量不同表型的动物以供研究。

Brenner用乙基甲烷磺酸盐( Ethyl methanesulpho2 nate, EMS)做突变剂筛检出了约 300种与C. elegans ·681·生理科学进展2008年第39卷第2期 形态和行为有关的突变体,涉及约100个不同的基 因同年Brenner还与John E.Sulston合作对C. el2 egans的DNA做了测定 [8 ] Brenner早年在英国剑桥大学医学研究委员会 分子生物学实验室(Medical Research Council Labo2 ratory ofMolecular Biology,MRC)所作的工作为之后 的两位科学家以C. elegans为模型动物研究细胞凋 亡的分子机制提供了绝好的材料,也为他赢得2002 年诺贝尔生理学或医学奖奠定了基础从上述介绍 中读者不难发现一个有意思的现象, Brenner选取 C. elegans作为模型动物的初衷并非为了研究细胞 凋亡,然而“ 无心插柳柳成荫 ”,正是这一明智的选 择为多细胞生物细胞凋亡的研究拉开了序幕,也奠 定了他在分子生物学发展历程中的重要地位 (三) John E.Sulston完成C. elegans细胞谱系 绘制,使研究凋亡分子机制成为可能 英国科学家 John E. Sulston于1969年加入到Brenner在剑桥的 实验室,初期帮助Brenner进行C. elegans神经系统 方面的研究,并于1974年与其合作完成了C. elegans DNA的测定 [8 ]。

此后, Sulston将主要的研究精力转到对C. ele2 gans细胞谱系的研究上他利用当时Brenner实验 室现有的微分干涉差显微镜(differential interference contrastmicroscope)观察幼虫的发育,绘制胚后发育 的细胞图谱由于需要观察幼虫的动态变化过程, 不能将其处死做成压片,而应保证其活力状态,然而 活动的幼虫势必到处游走,给观察带来了巨大的麻 烦于是Sulston改进制片的方法 [9 ] ,他先在载玻片 涂上一层极薄而又平整的琼脂糖,将幼虫置于其上, 再在盖玻片的下面抹上大肠杆菌后盖在琼脂糖层 上,这样幼虫就可以在琼脂糖层与盖玻片之间的狭 小空间里自由蠕动,既保持了其活性状态,又便于显 微镜下的观察及作图由于观察方法的改进,加之 Sulston极其耐心和严谨的科学态度,使得研究的进 程大大加快 1977年Sulston与后来加入Brenner实验室的 H. Robert Horvitz合作完成C. elegans胚后发育阶段 细胞谱系 [9]的绘制 ,紧接着在1983年又完成了胚胎 发育阶段的细胞谱系 [10 ]绘制 Sulston通过耐心严 谨的镜下观察发现, C. elegans的雌雄共体从一个受 精卵到发育成熟,共产生1090个细胞,其中的131 个在发育的不同阶段发生程序性死亡而被清除,最 终成体共有959个细胞;产生的这1090个细胞以及 程序性死亡的131个细胞都是完全固定的,即每个 细胞的命运在发育开始之前都已被确定,每个细胞 的来源及去处都有章可循,整个发育过程完全按照 设计好的程序有条不紊地进行。

例如, C. elegans雌 雄共体发育进入L1中期时在腹部神经索的位置上 共产生12个前体细胞P1～P12,在之后的胚后发育 过程中,这12个细胞将发育为腹部神经索及相关的 神经节在L1期, 12个细胞每个都按相同的模式 分裂产生5个神经元和1个皮下细胞,接近分裂完 成。