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撰文 | 計永勝

責編 | 陳曉雪

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在南太平洋東部，距離南美洲的智力共和國約3600 公里的海上漂浮著一座幾乎與世隔絕的小島，她以神秘的巨人頭雕像聞名于世，人稱復活節(jié)島（Easter island），但當?shù)卦∶窀晳T稱之為拉帕努伊島（Rapa Nui）。

圖1 復活節(jié)島 | 圖源：pixabay.com

1964年底，加拿大麥吉爾大學（McGill University）教授斯坦利·斯科利納（Stanley Skoryna）帶領38位科學家隨皇家海軍艦隊到復活節(jié)島進行航海探險，同時采集一些生物樣本。在這期間，斯克利納團隊收集了島上的土壤樣本，以期能分離出一些微生物，進而利用其代謝產(chǎn)物對抗真菌感染。十年后，科學家成功獲得了一種強效抗真菌化合物。根據(jù)微生物獲得的地點，科學家將其命名為雷帕霉素（Rapamycin）。

圖2 雷帕霉素（Rapamycin）結構式 

雷帕霉素的抗真菌效果令人驚嘆，它的副作用也很明顯，其對免疫系統(tǒng)功能有抑制作用。當然，雷帕霉素的免疫抑制作用也并非一無是處。英國劍橋大學的羅伊·凱倫（Roy Calne）博士和美國匹茲堡大學的托馬斯·斯塔澤（Thomas Starzl）博士，成功地將雷帕霉素和其他兩種免疫抑制劑環(huán)孢素A（Cyclosporin A，主要用于肝、腎以及心臟移植的抗排異反應）和FK506（Tacrolimus，商品名：他克莫司，分離于鏈球菌屬微生物，肝臟移植手術的首選免疫抑制劑之一）應用于器官移植領域，改進了肝臟移植的臨床手術策略。2012年拉斯科臨床醫(yī)學獎授予以上兩位先驅，以表彰他們在器官（主要是肝臟）移植領域做出的杰出貢獻。

那么，雷帕霉素是如何起到免疫抑制作用的呢？它是如何影響細胞的生理生化過程的呢？

其秘密的揭開，可以從一個叫做邁克爾·霍爾（Michael N. Hall）的科學家講起。

圖3 邁克爾·霍爾（Michael N. Hall）現(xiàn)為巴塞爾大學教授。 

圖源：https://www.biozentrum.unibas.ch/news/detail/lasker-award-for-michael-n-hall

霍爾1953年出生在波多黎各的圣胡安（San Juan），在南美洲（主要是秘魯）度過了快樂的童年。

1976年，霍爾在北卡羅來納大學獲得科學學士學位，專業(yè)為動物學。在本科學習的最后一年，霍爾在馬歇爾·埃德格爾（Marshall Edgell）實驗室擔任科研助理。埃德格爾主要從事DNA調(diào)控序列的鑒定和研究工作，曾帶年輕的霍爾參加了一場在國立衛(wèi)生研究院召開的學術會議，科學家在此商議如何制定重組DNA實驗安全操作指南。這場會議，讓霍爾對分子生物學深深著迷。

從北卡大學畢業(yè)后，霍爾來到哈德遜河畔的哈佛大學托馬斯·希爾哈維（Thomas Silhavy）實驗室攻讀博士學位。彼時，希爾哈維實驗室的研究重點是大腸桿菌的蛋白分泌機制。但霍爾覺得做這個研究方向的人太多太擁擠了，便把研究精力放在大腸桿菌的外膜蛋白（Outer membrane proteins, Omps）的合成和調(diào)控機制上。他發(fā)現(xiàn)OmpR和EnvZ蛋白共同組成一個信號系統(tǒng)來調(diào)控外膜孔蛋白OmpF和OmpC的合成。這是大腸桿菌，也是生物學上第一個雙組份調(diào)控系統(tǒng)。這種 “不走尋常路” 的做法是霍爾的一貫風格。

圖4 EnvZ/OmpR雙組分調(diào)控系統(tǒng) | 圖源[1]

1981年獲得博士學位后，霍爾到巴斯德研究所進行了一輪短暫的博士后研究，后到加州大學舊金山分校埃爾·赫斯克維茨（Ira Herskowitz）實驗室繼續(xù)博士后訓練。

和讀博期間相似，霍爾沒有跟進赫斯克維茨實驗室的主要研究方向（酵母如何響應外激素信號），而是選擇研究核蛋白在細胞漿合成后如何重新回到細胞核中發(fā)揮功能。當時科學界普遍認為蛋白入核主要依靠梯度擴散：細胞漿合成的蛋白濃度高，自然向細胞核擴散，如果遇到 “合適的結合物”，蛋白就留在核中，不然就重新擴散回細胞漿。但霍爾通過一系列實驗，證明了這些細胞核蛋白其實存在一段確定是否入核的信號序列，也就是核定位序列（Nuclear localization signal）。這項顛覆傳統(tǒng)認知的發(fā)現(xiàn)于1984年發(fā)表于《細胞》（Cell） 雜志。

1987年，霍爾終于學成出山，躊躇滿志地到瑞士的巴塞爾大學組建實驗室，獨立開展研究工作。他本想繼續(xù)尋找識別核定位序列的受體蛋白。但是研究充滿了失敗，這讓他非常沮喪。

這時，實驗室來了一位年輕人，給霍爾的研究帶來了新的曙光。

約瑟夫·黑特曼（Joseph Heitman），1984年參加了康奈爾大學和洛克菲勒大學聯(lián)合醫(yī)學科學家醫(yī)學博士/哲學博士（Physician-scientist MD-PhD training program）培訓項目，期望自己能成為一名優(yōu)秀的醫(yī)學科學家為人類健康服務。1989年完成項目培訓后，黑特曼總感覺在職業(yè)生涯中還缺點什么：臨床技能良好，科研經(jīng)歷不足。于是，他就到巴塞爾大學霍爾實驗室從事博士后研究。

圖5 約瑟夫·黑特曼現(xiàn)為杜克大學醫(yī)學院的分子遺傳學和微生物學系的教授。

圖源：https://gradschool.duke.edu/about/news/joseph-heitman-2018-dean-s-award-winner

黑特曼的到來 “拓展” 了霍爾實驗室的研究范圍：從研究蛋白入核機制這種細胞內(nèi)現(xiàn)象轉移到細胞是如何感知胞外刺激信號并將其傳遞到細胞內(nèi)的。起步研究依然舉步維艱，選擇好的化合物和理想的實驗模型至關重要。

霍爾實驗室一直用酵母做實驗材料，模型算是有了?；衔镌趺凑夷?？

黑特曼的臨床經(jīng)驗派上了用場：他從一篇發(fā)表于《自然》的文章得知，環(huán)孢素A可以應用于真菌的研究。而環(huán)孢素A是一種在臨床用于降低器官移植排斥反應的免疫抑制劑。黑特曼興沖沖的回到實驗室，告訴霍爾可以研究環(huán)孢素對酵母的刺激作用，以此揭示其免疫抑制的機理。

理想很豐滿，現(xiàn)實卻… …結果顯示，環(huán)孢素A和另外一種免疫抑制劑FK506的確可以抑制細胞分裂，但效果相當溫和，并非立竿見影。研究眼看又要陷入停滯。

霍爾小組果斷選擇就地取材。他們找到了位于巴塞爾的制藥公司 Sandoz（現(xiàn)在的諾華）尋求合作。Sandoz公司的饒·默瓦（Rao Movva）正好也在尋找團隊鑒定公司開發(fā)中的免疫抑制劑雷帕霉素的作用機制。

就這樣磕磕絆絆，對的人和對的化合物終于碰面了。

黑特曼通過實驗發(fā)現(xiàn)，雷帕霉素能將酵母的細胞周期 “禁錮” 在G1期。并且，雷帕霉素與FK506存在競爭，兩者都能與FK506結合蛋白（FK506 Binding Protein，F(xiàn)KBP）結合。缺失編碼FKBP蛋白基因FPR1的酵母對雷帕霉素有明顯的抗性。

通過進一步的遺傳突變篩選實驗，黑特曼鑒定出了雷帕霉素（確切講是雷帕霉素- FKBP復合物）的作用底物，并將其命名為 “雷帕霉素靶點”（Target of Rapamycin），也就是TOR。論文在1991年8月23日發(fā)表于《科學》雜志 [2]，作者只有三位：約瑟夫·黑特曼、饒·默瓦和邁克爾·霍爾。

圖6 1990年12月2日，黑特曼實驗記錄本上關于TOR命名的選擇 | 圖源[3]

對于霍爾來說，TOR這個命名朗朗上口，而且容易被記住。黑特曼將其命名為TOR則是寄予更多希望：TOR在德語中是 “門” 的意思，同時，巴塞爾城位于萊茵河灣與德法兩國交界處，連接法國、德國和瑞士，是瑞士重要的門戶城市?；魻枅F隊希望TOR是細胞周期運轉的起始點，開啟之門。

非常巧合的是，同在1991年8月23日，哈佛大學化學系斯圖亞特·施賴伯（Stuart L. Schreiber）團隊在《細胞》雜志發(fā)文章報道了cyclophilin-CsA和FKBP-FK506的共同靶標鈣調(diào)磷酸酶（Calcineurin）[4]。

確切地講，施賴伯研究生物學屬于 “半路出家”。

圖7 斯圖亞特·施賴伯（Stuart L. Schreiber）現(xiàn)為哈佛大學化學與化學生物學系教授。

圖源：https://www.broadinstitute.org/bios/stuart-l-schreiber

他在1977年從弗吉尼亞大學獲得學士學位，主修化學。而后到哈佛大學現(xiàn)代有機合成之父羅伯特·伯恩斯·伍德沃德（Robert Burns Woodward，1965年諾貝爾化學獎獲得者）和岸義人（Yoshito Kishi）實驗室攻讀博士。1981年完成博士答辯后，施賴伯在耶魯大學謀到一個助理教授職位。在聆聽了生物物理學家阿龍·克盧格（Aaron Klug，1982年諾貝爾化學獎獲得者）和神經(jīng)生物學家埃里克·坎德爾（Eric Kandel，2000年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎獲得者）的報告后，施賴伯決定涉足生物領域。他的生物學研究起始與TOR并不相關，而是來自一種令人討厭的動物——蟑螂，學名蜚蠊。

施賴伯實驗室的第一個研究生康拉德·桑蒂尼（Conrad Santini）合成了一種叫做蜚蠊酮-B（Periplanone-B）的昆蟲性激素，雌性蟑螂對蜚蠊酮-B的反應給施賴伯留下了深刻的印象。此后的近四十年來，施賴伯將研究集中在小分子化合物引起的生物學反應方面，重點是以小分子化合物做探針揭示信號轉導和基因調(diào)控過程的化學本質(zhì)。

回到雷帕霉素和TOR。如前所述，雷帕霉素是從復活節(jié)島上的微生物中分離到的，施賴伯團隊發(fā)揮專業(yè)優(yōu)勢，通過有機反應合成了FK506。這也就不難理解施賴伯團隊首先找到了FKBP-FK506的靶標。在霍爾團隊于真核生物酵母中發(fā)現(xiàn)TOR三年后，施賴伯團隊在哺乳動物細胞也鑒定出了雷帕霉素的靶標 [5]，即mTOR。與酵母中的現(xiàn)象類似，mTOR的突變也可以賦予哺乳動物細胞對雷帕霉素的抗性。

圖8

到此時，科研人員還以為TOR只是調(diào)控細胞周期的一個蛋白分子。1993年底，霍爾帶著自己的新發(fā)現(xiàn)到維也納分子病理研究所作報告。細胞周期/分裂研究領域的頂級專家金·內(nèi)史密斯（Kim Nasmyth，2018年生命科學突破獎獲得者之一）及其團隊就在臺下靜坐聆聽。經(jīng)過會后討論，霍爾越發(fā)覺得TOR并不是細胞周期的調(diào)控分子，而極有可能是生物大分子合成代謝的調(diào)控分子。也就是說，TOR調(diào)控的是細胞如何生長變大（Growth），而不是如何分裂增多（Division）。

霍爾團隊隨后仍以酵母為模型研究TOR的作用機制，發(fā)現(xiàn)了TOR1和TOR2兩條獨立的信號通路。而包括斯圖亞特·施賴伯和大衛(wèi)·薩巴提尼（David Sabatini）課題組在內(nèi)的其他團隊則進一步揭示了mTOR的作用機制。

現(xiàn)在已經(jīng)證明，mTOR是將細胞的三大刺激（氨基酸、胰島素和能量狀態(tài)）的胞內(nèi)信號整合在一起，調(diào)整細胞生長代謝過程。mTORC1和mTORC2兩個復合物是mTOR信號的核心，有絲氨酸/蘇氨酸酶活性，能通過將下游蛋白磷酸化的形式調(diào)控細胞信號通路。mTORC1主要調(diào)節(jié)細胞內(nèi)的蛋白合成過程，同時對自噬、線粒體代謝等也有影響；mTORC2主要調(diào)節(jié)細胞命運（存活還是死亡）和細胞骨架（與細胞運動相關）。黑特曼最先發(fā)現(xiàn)雷帕霉素將酵母 “限制” 在G1期，其實是雷帕霉素與TOR1結合后的 “副作用”。

圖9 mTOR信號 | 圖源[6]

mTOR信號通路與人體健康密切相關。研究表明，在癌癥（如乳腺癌、前列腺癌等）、神經(jīng)退行性疾病（如阿爾茲海默癥等）和II型糖尿病等疾病的發(fā)生發(fā)展過程中均存在mTOR信號通路失調(diào)。多種以mTOR為靶點的藥物已經(jīng)成功應用于臨床，并收到良好的治療效果。

例如諾華公司（Novartis）研發(fā)的mTOR抑制劑依維莫司于2009年3月30日通過FDA 審批，用于晚期腎癌患者的治療；2010年10月，該藥又被批準用于伴有結節(jié)性硬化癥（TS）的室管膜下巨細胞星形細胞瘤（SEGA）患者。

當年，黑特曼給雷帕霉素靶點命名為TOR，期望它是細胞感受外界信號的大門?，F(xiàn)在看來，TOR作為大門可能不合適，但已經(jīng)是調(diào)控細胞生長代謝的核心分子。

致  謝

感謝北京大學前沿交叉學科研究院羅佗平老師對文章的修改建議。