纪念欧文·罗斯:偶遇诺奖,探寻蛋白降解的“死亡之吻”——泛素

纪念欧文·罗斯:偶遇诺奖,探寻蛋白降解的“死亡之吻”——泛素

纪念欧文·罗斯:偶遇诺奖,探寻蛋白降解的“死亡之吻”——泛素

欢迎参加2020中国NASH大会

 

纪念欧文·罗斯:偶遇诺奖,探寻蛋白降解的“死亡之吻”——泛素
诺贝尔奖得主欧文·罗斯(Irwin Allan Rose)
图片来源于诺贝尔奖官网
 
对于所有的生命体来说,死亡是一个无法逃避的归宿。泛素之于蛋白,正如“死亡之吻”一般,它将信号传送给蛋白酶,决定了哪些蛋白会被“消灭”,降解为小肽。2004年,美国著名的生物化学家欧文·罗斯(Irwin Allan Rose)与以色列科学家阿龙·切哈诺沃(Aaron Ciechanover)、阿夫拉姆·赫什科(Avram Hershko)因发现了泛素调节的蛋白质降解共同获得诺贝尔化学奖2015年6月2日,开创一代先河的欧文·罗斯于睡梦中安详离世,享年88岁。
 
纪念欧文·罗斯:偶遇诺奖,探寻蛋白降解的“死亡之吻”——泛素
图片来源于诺贝尔奖官网
 
诺贝尔奖在科学界是何等荣耀的圣杯,然而在谈及获奖时,欧文·罗斯却往往轻描淡写地带过自己的贡献,说自己“只是起到了一些辅助性的作用”,并且“泛素的研究并非我毕生的心血,能因此获得殊荣我实感受宠若惊”。[1]
纪念欧文·罗斯:偶遇诺奖,探寻蛋白降解的“死亡之吻”——泛素
欧文·罗斯正在接受诺贝尔奖颁奖
图片来源于诺贝尔奖官网
古人云,读史使人明智。在漫漫科学星河中,欧文·罗斯无疑是璀璨巨星中的一颗。今天,我们一起走近欧文·罗斯,了解他的生平,以及他是如何因为泛素而“偶遇”诺奖。

纪念欧文·罗斯:偶遇诺奖,探寻蛋白降解的“死亡之吻”——泛素

早年经历

 

欧文·罗斯生于1926年,出生在纽约布鲁克林区一个平凡的犹太家庭。尽管布鲁克林有着多元的文化和友好的邻里,但复杂的人口构成让街头巷尾充斥着黑帮,这让孩子们的活动范围受到了极大的限制。与此同时,纽约的冬天总是阴雨连绵,长久的阴冷天气对一家人的健康造成了巨大的困扰。尤其欧文的哥哥患有严重的风湿病,每到阴雨天气,他的关节都会像针扎一般。医生建议欧文的父母最好搬到气候更加干燥的地方生活,以缓解哥哥的风湿痛,让其早日康复。于是,为了哥哥的健康,1939年,他们全家人一起搬到了华盛顿州的斯波坎,除了他的父亲。
欧文的父亲哈利·罗兹(Harry Royze)生于俄罗斯,早年来到美国,经营着建材生意。当他们全家人决定搬往斯波坎时,他的父亲决定留在纽约,经营自己的生意。在那之后,父亲也很少去华盛顿看望他们。这一切让欧文非常地困惑,还是孩子的他无法理解父亲的生意究竟意味着什么,也无法理解为什么父亲出现的次数越来越少,他只能被动地接受自己与父亲日渐疏远这一事实。
第二次世界大战爆发后,欧文的母亲在海军物资仓库任职,欧文和其他的兄弟姐妹们则在斯波坎当地的学校继续学习。暑假期间,欧文在当地的医院找了一份兼职工作,主要是在精神科病房打打杂。就是这段兼职工作中,欧文渐渐地意识到,自己往往能发现别人忽视的问题并且积极寻找到解决办法,他开始觉得自己或许有科研的潜质。然而在欧文的周围有从事艺术的叔叔、当律师的亲戚,却没有一个做科研的人,他没有办法向任何人请教,但这并不影响他对于科学的热爱。在结束社区学习后,他进入到华盛顿州立大学。在精神病科兼职的日子里,欧文接触到了许多闻所未闻的专业知识,虽然这些知识与他后来的职业发展方向没有直接关系,但这段经历无疑激发了他的科学热情,他对人类的大脑产生了强烈的兴趣,他渴望了解有关大脑的一切知识。可惜好景不长,第二次世界大战的战火烧到了美国领土,战争迫在眉睫,欧文不得不提前离开校园,加入了美国海军,保家卫国。在海军服役的时候,他也没有忘记自己的兴趣所在。战争一结束,他就立即返回校园,走进了芝加哥大学,开始了自己的博士生涯。[2]

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新手上路:一波三折的博士生涯
 
进入芝加哥大学后,欧文满怀雄心壮志,开启了自己的博士研究课题。由于当时人们对DNA的本质还不甚了解,进行这方面的研究就像走夜路一样,充满着未知数。年轻的欧文遭受到了研究生涯中第一个挫折。
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1950年在芝加哥大学的欧文
图片来源于诺贝尔奖官网
 
欧文最初的课题是研究当摄入B12时小鼠组织细胞的DNA含量是否会增加。这一课题的设想是基于欧文的导师发现乳杆菌中的B12可以被胸腺嘧啶所替换。然而,就当他如火如荼地展开自己的课题时,科学界日新月异,变革悄然发生。20世纪50年代,正值分子遗传学的高速发展的时候,人们对DNA的本质及其在细胞分裂中的复制方式有了新的认识。这从根源上推翻了欧文实验的假设,事实上,欧文通过实验也发现,小鼠肝细胞中的DNA含量与摄入B12的量没有关联。
大量的时间和经历被一个注定失败的课题所消耗,这让欧文产生了巨大的焦虑。好在这一挫折并没有打倒他,经过短暂的调整,欧文迅速地开展了第二个研究课题。他从自己本科时期的生物化学课中找到了灵感。当时哈默斯坦(Hammarsten)在实验中发现,N15标记的胞嘧啶核苷可以被转化到小鼠肝细胞DNA中,N15标记的游离胞嘧啶却不能在肝细胞的DNA中出现。这让欧文产生了极大的兴趣,他不禁思考:这是否意味着胞嘧啶核苷转化为脱氧胞嘧啶核苷的过程是不需要经历核苷键的断裂呢?带着这样的疑问,他开始利用同位素追踪实验监测反应历程。实验结果如他所想,胞苷向脱氧胞苷的转化的确是在一个单元内发生,不需要经过核苷键的断裂和重组。凭借这一成果,欧文顺利取得了博士学位。[3]

纪念欧文·罗斯:偶遇诺奖,探寻蛋白降解的“死亡之吻”——泛素

同位素追踪:让酶促机理有迹可循

 
学业和生活中难免会遇到挫折和困难,好在不打不相识,博士期间的坎坷经历,让欧文这个遇到问题就想要努力解决的年轻人对核酸化学和酶化学产生了浓厚的兴趣。当时,RNA降解领域的“大牛”彼得·雷查德(Peter Reichard)被他的才华所吸引,询问他是否有意向去耶鲁大学从事相关方面的博士后研究工作。这对年轻的欧文来说无疑有着巨大的诱惑力,但经过一番审时度势,欧文最终拒绝了这一邀约。“脚踏实地,仰望星空”,欧文没有被自己眼前的成就所迷惑,他知道,核酸化学和酶化学是一门极深的学科,自己目前的水平还无法胜任这一工作,他还需要再多进行一些沉淀,更好的了解这些学科的基本知识,才能让自己在这条研究道路上走得更远。
最终,他选择了在芝加哥大学继续从事博士后工作,在这里利用同位素追踪的方法,确定了酶促反应的绝对立体构型并确定了其机理。1953年,欧文又来到了纽约大学,在后来的诺贝尔生理和医学奖获得者塞韦罗·奥乔亚(Severo Ochoa)实验室从事DNA、RNA的形成与其中酶促的作用的研究。在这里,欧文利用同位素交换方法确定酶促反应中间体的工作。由于之前杰出的工作成果,1955年,欧文被耶鲁大学邀请去做生物化学系的讲师。在耶鲁大学工作的第一年,为了“偷懒”,减少耗在系里质谱仪上的时间,欧文与当时还是隔壁学院做博士生的赛摩尔·利普斯基(Seymour Lipsky)合作,改用液体闪烁计数器来检测同位素的放射性。工欲善其事必先利其器,有了先进的仪器,欧文在追踪同位素上的研究取得了飞速的进展,而醉心于仪器的利普斯基后来成为了高效液相色谱(HPLC)的发明人之一,为后人分离、纯化、检测提供了巨大的便利。[4]
但是说到欧文在耶鲁就职期间的最大人生收获,莫过于结识了自己的一生所爱——赞尔达·邦辰。赞尔达是当时生物化学系的一名研究生,她长相甜美,天资聪慧,让欧文一见倾心。在她毕业之际,欧文对她展开了追求,并向他求婚。赞尔达与欧文并肩作战,一起在酶化学的研究上探索,二人不仅是生活上的伴侣,更是彼此科研道路上的良师益友。1978年后,赞尔达离开了实验室,开始为和平事业奋斗。
纪念欧文·罗斯:偶遇诺奖,探寻蛋白降解的“死亡之吻”——泛素
赞尔达和欧文1957
图片来源于诺贝尔奖官网

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结缘泛素:探寻蛋白质降解的“黑匣子”

 
人生的每个阶段,都饱含着对未来的馈赠。有时看似一个普通的机缘巧合,却能为日后的发展起到意想不到的推动作用。欧文与泛素结缘便是冥冥中的安排。早在耶鲁工作期间,欧文就结识了和他一起新入职的员工马尔文·辛普森(Melvin Simpson)。在日常的交流中,欧文对马尔文的研究内容产生了兴趣。在马尔文的论文中,欧文了解肝脏切片系统中蛋白质降解明显对ATP有依赖性。虽然在耶鲁大学工作期间,欧文将他全部的精力放在利用中子衍射建立通过同位素取代而不对称的分子醛糖-酮糖异构酶的绝对构型上,但他一直密切关注着蛋白质降解领域的动态。
1963年,欧文离开耶鲁大学,来到了费城的福克斯蔡斯癌症研究中心。从建立以来,福克斯蔡司研究中心就一直秉持着“要想更深入了解癌症,就必须对生物学有更为广泛的了解和认知”这一宗旨。在这一指导思想下,研究所的员工来自不同的生物学领域,包括晶体学专家、胚胎学家、化学家、生物化学家和医学生物学家。不同领域的专家在这里打破了部门与部门的限制,自由地开展多样的学术交流。在知识与知识不断的碰撞中,欧文结识了许多杰出的生物学家,他的生物学造诣也得到了巨大的提升。这一时期,欧文希望能找到一个非细胞体系,利用艾氏腹水癌细胞来测定蛋白质降解的ATP依赖性,但是由于当时的实验条件局限,一直未能找到。1972年,欧文在牛津和耶路撒冷之间进行了为期半年的学术旅行,期间接触到了在1953年因为发现三羧酸循环而获得诺贝尔奖的汉斯·克雷布斯(Hans Krebs)和雅各布·马格(Jacob Mager),并用他们提供的组织细胞进行了进一步实验。虽然二者都对欧文的实验设计很感兴趣,但是时机仍然尚未成熟,欧文理想中的非细胞体系还是未能成为现实。
欧文在游学期间结识的雅各布·马格(Jacob Mager)是阿夫拉姆·赫什科(Avram Hershko)在哈达萨医学院的博士生导师。正所谓千金易得,知己难寻,在1975年贝塞斯达举行的学术会议上,欧文与阿夫拉姆在马格的引荐下相遇了!在一次早餐会上,阿夫拉姆主动找欧文攀谈,因为欧文在酶促机理上有极高声望,阿姆拉夫早已久仰大名。二人经过一番交流后,阿夫拉姆试探性地询问:“罗斯先生,请问您是否对其他的方向感兴趣呢?”欧文回道:“有啊,我对蛋白质的降解很有兴趣。”这令阿夫拉姆非常震惊,因为欧文从未在这一领域发表过任何文章。蛋白质的降解研究在当时非常冷门,几乎没有什么人愿意花时间在这种晦涩的学科上。二人一见如故,阿夫拉姆提出了想要加入欧文的实验室,一同探寻蛋白质降解的奥秘。尽管欧文的实验室在蛋白质降解领域还没有什么名气,也没有发过什么大文章,但是阿夫拉姆毅然决然地选择了这个远在费城郊区的小实验室。就是这样的机缘巧合,让二者强强联手,才有了后来对泛素的深入研究。
1977年,欧文的实验室与福克斯蔡司研究中心开展合作。在1975年,赫什科和他的学生阿龙·西查诺瓦(Aaron Ciechanover)已经对网状红细胞提取物进行裂解并提纯得到ATP依赖热稳定因子(APF-1)。与此同时,研究中心的科学家使用兔网织红细胞裂解液,完成了第一个无细胞系统实验。在Rose/Hershko联合实验室和福克斯蔡司研究中心的科学家们的共同努力下,对于泛素在蛋白质降解中作用的研究如火如荼地展开。到了1980年APF-1被证实是底物蛋白质与所消耗的能量共价结合的产物。同年,欧文与阿夫拉姆一同证明了APF-1和泛素是同一物质。
 
研究进展至此,研究泛素的作用机制以推进下一步的探索迫在眉睫。强者与强者相遇,就是用彼此的专业性为双方锦上添花。数十年在酶作用机理的研究积累让欧文很快设计出了一系列实验,用以探明对泛素反应的机制。普通的酶学家通常通过测量底物浓度或其他变量的函数的产物形成来研究反应的初始速率。在这一指导思想下,阿夫拉姆发现泛素激活水解酶E1时,无法通过产物形成的速率对其进行研究,因为该酶会产生共价连接的终产物。1982年,欧文的学生在其指导下,重拾老本行,在稳态下使用同位素交换来建立反应等级以及E1的多个平衡和速率常数。其后,欧文等人又发现了Ub-C终端水解酶并证明了其作用机制,在分子水平上证明了蛋白质如何被泛素标记,并将降解信号传送给蛋白酶,让特定的蛋白被降解为小分子多肽。至此,人们才从化学层面上明白蛋白质的降解与泛素之间有着密不可分的关系。蛋白质的降解对于维持细胞健康有着重要意义,当蛋白质无法进行正常的降解,细胞便无法正常进行凋亡,就会导致组织异常增生,甚至癌症。[5]
1997年,欧文退休了。退休之后,他并没有停止自己的科研工作,他和赞尔达一起来到了加州大学尔湾分校。在那里,欧文继续进行科学研究。他与化学博士詹姆斯·诺威克(James Nowick)共同验证了甲基乙二醛合成酶的作用机制,继续为生物化学的发展而努力。
回顾欧文的一生,在其50多年的科学生涯中,他一直在科研的最前线进行不断奋斗,利用自己在酶促方向的经验,为生物化学家阐明核酸代谢中酶促的机制。正如欧文所说,泛素的研究并非他毕生为之奉献的课题,他更多的心血放在利用生物化学方法,对蛋白质、酶的机理进行实验验证。他曾经在采访中说过:“我没有什么别的爱好,因为要解决科研中的问题,我需要一直保持专注,虽然说起来有些惭愧,但是我的注意力一直在我的工作上。”正是因为他在同位素追踪领域的专业性,才使得其他优秀的科学家愿意与之共同合作,对泛素进行顺利而深入的研究,从而“偶遇”诺贝尔奖。
每一个生命都会逐渐走向尽头,不论是小小的细胞或是伟大的科学家。细胞虽然凋亡,但是生命的脉搏仍然持续跳动;欧文·罗斯虽然离开人世,但后世的科学家站在他的肩膀上,更加勇往直前!
谨以此文纪念欧文·罗斯先生逝世五周年!

参考文献:

[1]https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2004/rose/documentary/

[2]https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2004/rose/biographical/

[3]https://www.nature.com/articles/4401700.pdf?proof=true&platform=oscar&draft=collection

[4]https://doi.org/10.1002/pro.5560040718

Isotopic strategies for the study of enzymes. Irwin A.ROSE. Protein Sci., 1995, 4:1430-1433

[5]https://doi.org/10.1002/pro.5560040718  Ubiquitin at Fox Chase.

Irwin A. Rose. PNAS, 2005, 102: 11575–11577.

 

图片均来源于诺贝尔奖官网 https://www.nobelprize.org/

 

– END –

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对于所有的生命体来说,死亡是一个无法逃避的归宿。泛素之于蛋白,正如“死亡之吻”一般,它将信号传送给蛋白酶,决定了哪些蛋白会被“消灭”,降解为小肽。2004年,美国著名的生物化学家欧文·罗斯(Irwin Allan Rose)与以色列科学家阿龙·切哈诺沃(Aaron Ciechanover)、阿夫拉姆·赫什科(Avram Hershko)因发现了泛素调节的蛋白质降解共同获得诺贝尔化学奖2015年6月2日,开创一代先河的欧文·罗斯于睡梦中安详离世,享年88岁。
 
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诺贝尔奖在科学界是何等荣耀的圣杯,然而在谈及获奖时,欧文·罗斯却往往轻描淡写地带过自己的贡献,说自己“只是起到了一些辅助性的作用”,并且“泛素的研究并非我毕生的心血,能因此获得殊荣我实感受宠若惊”。[1]
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欧文·罗斯正在接受诺贝尔奖颁奖
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古人云,读史使人明智。在漫漫科学星河中,欧文·罗斯无疑是璀璨巨星中的一颗。今天,我们一起走近欧文·罗斯,了解他的生平,以及他是如何因为泛素而“偶遇”诺奖。

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早年经历

 

欧文·罗斯生于1926年,出生在纽约布鲁克林区一个平凡的犹太家庭。尽管布鲁克林有着多元的文化和友好的邻里,但复杂的人口构成让街头巷尾充斥着黑帮,这让孩子们的活动范围受到了极大的限制。与此同时,纽约的冬天总是阴雨连绵,长久的阴冷天气对一家人的健康造成了巨大的困扰。尤其欧文的哥哥患有严重的风湿病,每到阴雨天气,他的关节都会像针扎一般。医生建议欧文的父母最好搬到气候更加干燥的地方生活,以缓解哥哥的风湿痛,让其早日康复。于是,为了哥哥的健康,1939年,他们全家人一起搬到了华盛顿州的斯波坎,除了他的父亲。
欧文的父亲哈利·罗兹(Harry Royze)生于俄罗斯,早年来到美国,经营着建材生意。当他们全家人决定搬往斯波坎时,他的父亲决定留在纽约,经营自己的生意。在那之后,父亲也很少去华盛顿看望他们。这一切让欧文非常地困惑,还是孩子的他无法理解父亲的生意究竟意味着什么,也无法理解为什么父亲出现的次数越来越少,他只能被动地接受自己与父亲日渐疏远这一事实。
第二次世界大战爆发后,欧文的母亲在海军物资仓库任职,欧文和其他的兄弟姐妹们则在斯波坎当地的学校继续学习。暑假期间,欧文在当地的医院找了一份兼职工作,主要是在精神科病房打打杂。就是这段兼职工作中,欧文渐渐地意识到,自己往往能发现别人忽视的问题并且积极寻找到解决办法,他开始觉得自己或许有科研的潜质。然而在欧文的周围有从事艺术的叔叔、当律师的亲戚,却没有一个做科研的人,他没有办法向任何人请教,但这并不影响他对于科学的热爱。在结束社区学习后,他进入到华盛顿州立大学。在精神病科兼职的日子里,欧文接触到了许多闻所未闻的专业知识,虽然这些知识与他后来的职业发展方向没有直接关系,但这段经历无疑激发了他的科学热情,他对人类的大脑产生了强烈的兴趣,他渴望了解有关大脑的一切知识。可惜好景不长,第二次世界大战的战火烧到了美国领土,战争迫在眉睫,欧文不得不提前离开校园,加入了美国海军,保家卫国。在海军服役的时候,他也没有忘记自己的兴趣所在。战争一结束,他就立即返回校园,走进了芝加哥大学,开始了自己的博士生涯。[2]

纪念欧文·罗斯:偶遇诺奖,探寻蛋白降解的“死亡之吻”——泛素

新手上路:一波三折的博士生涯
 
进入芝加哥大学后,欧文满怀雄心壮志,开启了自己的博士研究课题。由于当时人们对DNA的本质还不甚了解,进行这方面的研究就像走夜路一样,充满着未知数。年轻的欧文遭受到了研究生涯中第一个挫折。
纪念欧文·罗斯:偶遇诺奖,探寻蛋白降解的“死亡之吻”——泛素
1950年在芝加哥大学的欧文
图片来源于诺贝尔奖官网
 
欧文最初的课题是研究当摄入B12时小鼠组织细胞的DNA含量是否会增加。这一课题的设想是基于欧文的导师发现乳杆菌中的B12可以被胸腺嘧啶所替换。然而,就当他如火如荼地展开自己的课题时,科学界日新月异,变革悄然发生。20世纪50年代,正值分子遗传学的高速发展的时候,人们对DNA的本质及其在细胞分裂中的复制方式有了新的认识。这从根源上推翻了欧文实验的假设,事实上,欧文通过实验也发现,小鼠肝细胞中的DNA含量与摄入B12的量没有关联。
大量的时间和经历被一个注定失败的课题所消耗,这让欧文产生了巨大的焦虑。好在这一挫折并没有打倒他,经过短暂的调整,欧文迅速地开展了第二个研究课题。他从自己本科时期的生物化学课中找到了灵感。当时哈默斯坦(Hammarsten)在实验中发现,N15标记的胞嘧啶核苷可以被转化到小鼠肝细胞DNA中,N15标记的游离胞嘧啶却不能在肝细胞的DNA中出现。这让欧文产生了极大的兴趣,他不禁思考:这是否意味着胞嘧啶核苷转化为脱氧胞嘧啶核苷的过程是不需要经历核苷键的断裂呢?带着这样的疑问,他开始利用同位素追踪实验监测反应历程。实验结果如他所想,胞苷向脱氧胞苷的转化的确是在一个单元内发生,不需要经过核苷键的断裂和重组。凭借这一成果,欧文顺利取得了博士学位。[3]

纪念欧文·罗斯:偶遇诺奖,探寻蛋白降解的“死亡之吻”——泛素

同位素追踪:让酶促机理有迹可循

 
学业和生活中难免会遇到挫折和困难,好在不打不相识,博士期间的坎坷经历,让欧文这个遇到问题就想要努力解决的年轻人对核酸化学和酶化学产生了浓厚的兴趣。当时,RNA降解领域的“大牛”彼得·雷查德(Peter Reichard)被他的才华所吸引,询问他是否有意向去耶鲁大学从事相关方面的博士后研究工作。这对年轻的欧文来说无疑有着巨大的诱惑力,但经过一番审时度势,欧文最终拒绝了这一邀约。“脚踏实地,仰望星空”,欧文没有被自己眼前的成就所迷惑,他知道,核酸化学和酶化学是一门极深的学科,自己目前的水平还无法胜任这一工作,他还需要再多进行一些沉淀,更好的了解这些学科的基本知识,才能让自己在这条研究道路上走得更远。
最终,他选择了在芝加哥大学继续从事博士后工作,在这里利用同位素追踪的方法,确定了酶促反应的绝对立体构型并确定了其机理。1953年,欧文又来到了纽约大学,在后来的诺贝尔生理和医学奖获得者塞韦罗·奥乔亚(Severo Ochoa)实验室从事DNA、RNA的形成与其中酶促的作用的研究。在这里,欧文利用同位素交换方法确定酶促反应中间体的工作。由于之前杰出的工作成果,1955年,欧文被耶鲁大学邀请去做生物化学系的讲师。在耶鲁大学工作的第一年,为了“偷懒”,减少耗在系里质谱仪上的时间,欧文与当时还是隔壁学院做博士生的赛摩尔·利普斯基(Seymour Lipsky)合作,改用液体闪烁计数器来检测同位素的放射性。工欲善其事必先利其器,有了先进的仪器,欧文在追踪同位素上的研究取得了飞速的进展,而醉心于仪器的利普斯基后来成为了高效液相色谱(HPLC)的发明人之一,为后人分离、纯化、检测提供了巨大的便利。[4]
但是说到欧文在耶鲁就职期间的最大人生收获,莫过于结识了自己的一生所爱——赞尔达·邦辰。赞尔达是当时生物化学系的一名研究生,她长相甜美,天资聪慧,让欧文一见倾心。在她毕业之际,欧文对她展开了追求,并向他求婚。赞尔达与欧文并肩作战,一起在酶化学的研究上探索,二人不仅是生活上的伴侣,更是彼此科研道路上的良师益友。1978年后,赞尔达离开了实验室,开始为和平事业奋斗。
纪念欧文·罗斯:偶遇诺奖,探寻蛋白降解的“死亡之吻”——泛素
赞尔达和欧文1957
图片来源于诺贝尔奖官网

纪念欧文·罗斯:偶遇诺奖,探寻蛋白降解的“死亡之吻”——泛素

结缘泛素:探寻蛋白质降解的“黑匣子”

 
人生的每个阶段,都饱含着对未来的馈赠。有时看似一个普通的机缘巧合,却能为日后的发展起到意想不到的推动作用。欧文与泛素结缘便是冥冥中的安排。早在耶鲁工作期间,欧文就结识了和他一起新入职的员工马尔文·辛普森(Melvin Simpson)。在日常的交流中,欧文对马尔文的研究内容产生了兴趣。在马尔文的论文中,欧文了解肝脏切片系统中蛋白质降解明显对ATP有依赖性。虽然在耶鲁大学工作期间,欧文将他全部的精力放在利用中子衍射建立通过同位素取代而不对称的分子醛糖-酮糖异构酶的绝对构型上,但他一直密切关注着蛋白质降解领域的动态。
1963年,欧文离开耶鲁大学,来到了费城的福克斯蔡斯癌症研究中心。从建立以来,福克斯蔡司研究中心就一直秉持着“要想更深入了解癌症,就必须对生物学有更为广泛的了解和认知”这一宗旨。在这一指导思想下,研究所的员工来自不同的生物学领域,包括晶体学专家、胚胎学家、化学家、生物化学家和医学生物学家。不同领域的专家在这里打破了部门与部门的限制,自由地开展多样的学术交流。在知识与知识不断的碰撞中,欧文结识了许多杰出的生物学家,他的生物学造诣也得到了巨大的提升。这一时期,欧文希望能找到一个非细胞体系,利用艾氏腹水癌细胞来测定蛋白质降解的ATP依赖性,但是由于当时的实验条件局限,一直未能找到。1972年,欧文在牛津和耶路撒冷之间进行了为期半年的学术旅行,期间接触到了在1953年因为发现三羧酸循环而获得诺贝尔奖的汉斯·克雷布斯(Hans Krebs)和雅各布·马格(Jacob Mager),并用他们提供的组织细胞进行了进一步实验。虽然二者都对欧文的实验设计很感兴趣,但是时机仍然尚未成熟,欧文理想中的非细胞体系还是未能成为现实。
欧文在游学期间结识的雅各布·马格(Jacob Mager)是阿夫拉姆·赫什科(Avram Hershko)在哈达萨医学院的博士生导师。正所谓千金易得,知己难寻,在1975年贝塞斯达举行的学术会议上,欧文与阿夫拉姆在马格的引荐下相遇了!在一次早餐会上,阿夫拉姆主动找欧文攀谈,因为欧文在酶促机理上有极高声望,阿姆拉夫早已久仰大名。二人经过一番交流后,阿夫拉姆试探性地询问:“罗斯先生,请问您是否对其他的方向感兴趣呢?”欧文回道:“有啊,我对蛋白质的降解很有兴趣。”这令阿夫拉姆非常震惊,因为欧文从未在这一领域发表过任何文章。蛋白质的降解研究在当时非常冷门,几乎没有什么人愿意花时间在这种晦涩的学科上。二人一见如故,阿夫拉姆提出了想要加入欧文的实验室,一同探寻蛋白质降解的奥秘。尽管欧文的实验室在蛋白质降解领域还没有什么名气,也没有发过什么大文章,但是阿夫拉姆毅然决然地选择了这个远在费城郊区的小实验室。就是这样的机缘巧合,让二者强强联手,才有了后来对泛素的深入研究。
1977年,欧文的实验室与福克斯蔡司研究中心开展合作。在1975年,赫什科和他的学生阿龙·西查诺瓦(Aaron Ciechanover)已经对网状红细胞提取物进行裂解并提纯得到ATP依赖热稳定因子(APF-1)。与此同时,研究中心的科学家使用兔网织红细胞裂解液,完成了第一个无细胞系统实验。在Rose/Hershko联合实验室和福克斯蔡司研究中心的科学家们的共同努力下,对于泛素在蛋白质降解中作用的研究如火如荼地展开。到了1980年APF-1被证实是底物蛋白质与所消耗的能量共价结合的产物。同年,欧文与阿夫拉姆一同证明了APF-1和泛素是同一物质。
 
研究进展至此,研究泛素的作用机制以推进下一步的探索迫在眉睫。强者与强者相遇,就是用彼此的专业性为双方锦上添花。数十年在酶作用机理的研究积累让欧文很快设计出了一系列实验,用以探明对泛素反应的机制。普通的酶学家通常通过测量底物浓度或其他变量的函数的产物形成来研究反应的初始速率。在这一指导思想下,阿夫拉姆发现泛素激活水解酶E1时,无法通过产物形成的速率对其进行研究,因为该酶会产生共价连接的终产物。1982年,欧文的学生在其指导下,重拾老本行,在稳态下使用同位素交换来建立反应等级以及E1的多个平衡和速率常数。其后,欧文等人又发现了Ub-C终端水解酶并证明了其作用机制,在分子水平上证明了蛋白质如何被泛素标记,并将降解信号传送给蛋白酶,让特定的蛋白被降解为小分子多肽。至此,人们才从化学层面上明白蛋白质的降解与泛素之间有着密不可分的关系。蛋白质的降解对于维持细胞健康有着重要意义,当蛋白质无法进行正常的降解,细胞便无法正常进行凋亡,就会导致组织异常增生,甚至癌症。[5]
1997年,欧文退休了。退休之后,他并没有停止自己的科研工作,他和赞尔达一起来到了加州大学尔湾分校。在那里,欧文继续进行科学研究。他与化学博士詹姆斯·诺威克(James Nowick)共同验证了甲基乙二醛合成酶的作用机制,继续为生物化学的发展而努力。
回顾欧文的一生,在其50多年的科学生涯中,他一直在科研的最前线进行不断奋斗,利用自己在酶促方向的经验,为生物化学家阐明核酸代谢中酶促的机制。正如欧文所说,泛素的研究并非他毕生为之奉献的课题,他更多的心血放在利用生物化学方法,对蛋白质、酶的机理进行实验验证。他曾经在采访中说过:“我没有什么别的爱好,因为要解决科研中的问题,我需要一直保持专注,虽然说起来有些惭愧,但是我的注意力一直在我的工作上。”正是因为他在同位素追踪领域的专业性,才使得其他优秀的科学家愿意与之共同合作,对泛素进行顺利而深入的研究,从而“偶遇”诺贝尔奖。
每一个生命都会逐渐走向尽头,不论是小小的细胞或是伟大的科学家。细胞虽然凋亡,但是生命的脉搏仍然持续跳动;欧文·罗斯虽然离开人世,但后世的科学家站在他的肩膀上,更加勇往直前!
谨以此文纪念欧文·罗斯先生逝世五周年!

参考文献:

[1]https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2004/rose/documentary/

[2]https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2004/rose/biographical/

[3]https://www.nature.com/articles/4401700.pdf?proof=true&platform=oscar&draft=collection

[4]https://doi.org/10.1002/pro.5560040718

Isotopic strategies for the study of enzymes. Irwin A.ROSE. Protein Sci., 1995, 4:1430-1433

[5]https://doi.org/10.1002/pro.5560040718  Ubiquitin at Fox Chase.

Irwin A. Rose. PNAS, 2005, 102: 11575–11577.

 

图片均来源于诺贝尔奖官网 https://www.nobelprize.org/

 

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