憾失诺奖的泛素研究大师Alexander Varshavsky的科研传奇

泛素 - 蛋白酶体体系（ubiquitin-proteasome system，UPS）是真核动物中蛋白质降解和代谢的首要途径。近年来，人们开发出了许多干涉 UPS 的小分子，包含 PROTAC（Proteolysis-Targeting Chimera）等。除了作为科学研讨的东西，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新，减轻患者的苦楚。泛素 - 蛋白酶体研讨范畴的大师并不少，其间 最出色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 凭仗细胞内蛋白降解机制的研讨取得过多项国际大奖，包含 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 年的生命科学打破奖。值得一提的是，2004 年的诺贝尔化学奖颁给了泛素研讨的 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辩。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

染色质结构的研讨

Alex 于 1946 年出生于前苏联莫斯科的一个书香门第，母亲是医生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讨所取得生物化学的 PhD。1970 年，他参加莫斯科的分子生物学研讨所，从事 染色质和基因表达 的研讨。30 岁时，Alex 决定移民美国，来到了美国东海岸的波士顿，参加 MIT 的生物学系。

刚入职 MIT 的 Alex 决定要继续之前的作业，研讨核小体的分布模式。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开。有意思的现象呈现了，他们发现 染色体上的一个位点比其他位点更简单被酶切，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重视：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敞开（更简单被内切酶切开），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。

泛素化润饰在细胞中的功用

泛素 - 蛋白酶体体系（图源：Paul G Corn）

1978 年，对组蛋白泛素化的研讨把 Alex 的注意力从染色质搬运到了泛素。日本科学家发现了一株骤变的细胞，这些细胞在 32 摄氏度时正常成长，而在 39 度时中止了割裂。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体系存在缺点，导致不能正常割裂。他揣度，把泛素连接到组蛋白上所需的某些酶简单被高温损坏。

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 有泛素研讨的经历，Alex 邀请他和研讨生 Daniel Finley（现哈佛大学教授）一同研讨那株细胞。他们发现，这株细胞中 E1 酶的骤变是导致泛素化功用缺失的原因【3，4】。别的，这也为他们供给了在活细胞内研讨蛋白降解的良机。确实，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。

为了充沛了解泛素体系对细胞生理的影响，Alex 使用了酵母作为模型进行研讨。当时，Avram Hershko 等现已判定出了泛素化润饰所必须的 E1，E2 和 E3 酶，而且发现蛋白质的降解需求多个泛素分子组成的链，而不是多位点的单泛素润饰。几年后，Alex 的作业揭示了多泛素链的功用，而且展示了单个泛素分子是怎么组装成链的——泛素分子之间经过异肽键相连，位点通常是 K48 和 G76【5】。Alex 还确定了泛素体系在细胞中的功用，包含细胞周期的调控、DNA 的损伤修正【6】、蛋白质的组成【7】、转录调控、应激反应等等。Alex 的研讨证明，泛素体系不仅在试管中起效果，在活细胞中也至关重要。

“无所不能”的泛素化润饰【8】

蛋白质降解的 N 端规矩

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 还判定了泛素化的非降解功用。

到这儿，人们现已知道泛素可以符号需求被损坏的蛋白质。反过来，将要被降解的蛋白本身或许也带着有信号，以告诉 E3 酶是否要向它们增加泛素。这样，细胞可以在特定的时间或特定的条件下铲除不同的蛋白。1986 年，Alex 发现了决定哪些蛋白会被降解的规矩——N 端规矩（N-end rule）【9，10】。蛋白的 N 端氨基酸的品种决定了其在细胞内的分解速率，这一规矩适用于从原核到真核的各类生理及疾病进程。简而言之，N 端规矩途径利用一组脱酰胺基、精氨酰基化等效果，使非稳定蛋白的 N 端氨基酸露出出来。这种特定的信号会被特定的 E3 酶辨认，然后介导多泛素化和蛋白降解。

这篇发现 N 端规矩的论文现已被引用了超越 1000 次

酵母细胞的 N 端规矩【11】

办法学的研讨

Alex 认为，高质量的东西和办法是科学研讨的推动力。他痴迷于新东西的开发，这些东西也反过来促成了他自己的科研发现。除了许多用于泛素研讨的技术，Alex 还开发了用于研讨 DNA 复制和染色体分离的二维电泳办法。他还引入了低离子强度（~10mM）下的凝胶电泳以研讨 DNA 结合蛋白，这个办法即 EMSA（electrophoretic mobility shift assay）的原型。别的，许多人都做过的染色质免疫共沉淀（chromatin immunoprecipitation，ChIP）实验也是由 Alex 实验室创造的。

人才的培育

Alex 直接辅导过许多出色的科学家，除了上述的 Daniel Finley 教授，还包含中科院生化所的 胡荣贵 研讨员、复旦大学的 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。