由一道試題引起對“四膜蟲”的展望

張卓鵬

最近南通通州區高三模擬考試中出現一道生物多選題，該題答案引起教師爭議。原題如下：

下列關于某人B淋巴細胞和胰島B細胞內基因、酶以及ATP的說法，正確的是（ ）

A. 酶和ATP都是基因表達的產物

B. 基因種類相同，酶種類不完全相同

C. 與ATP合成有關的酶種類相同

D. 兩種細胞內合成ATP的主要場所是線粒體，合成酶的場所是核糖體

參考答案：BCD。

有師生認為選項D有誤，原因是認為酶的化學本質一般為蛋白質，少數為RNA，合成蛋白質的場所是核糖體，而合成RNA的場所是細胞核、線粒體，故覺得“合成酶的場所是核糖體”表達不嚴謹。但也有師生認為選項D正確，原因是題干強調的是“某人B淋巴細胞和胰島B細胞內”，即人體細胞內，認為人體細胞中的酶都是蛋白質。

分歧的焦點在于人體細胞中有沒有以RNA作為酶的實例。這引起了筆者對“四膜蟲”的回憶和展望，“四膜蟲”在諾獎史上多次建立功勛，然而最近似乎有點被人們淡忘。

1 酶概念因“四膜蟲”而修改

在20世紀90年代之前，酶的定義為：酶是活細胞產生的具有催化作用的一類蛋白質。由酶催化的反應稱為酶促反應，酶所作用的物質稱為底物，酶所具有的催化能力稱為酶的活性。

20世紀80年代，美國科學家切赫和奧特曼研究發現少數RNA也具有生物催化功能，兩人同時榮獲1989年諾貝爾化學獎。他們關于核糖核酸（RNA）具有催化活性的發現，使生物學的兩大領域發生了根本變化：它不但修正了“所有的酶都是蛋白質”的長期存在的傳統理念，而且對于生命起源的問題也需要從不同的角度來認識了。其中切赫就因為在四膜蟲中發現了核酶而獲得當年的化學獎。而人體細胞中有沒有以RNA作為酶的實例目前未見報道，故原題答案為BCD。

20世紀90年代后，將酶的定義修改為：酶是活細胞產生的具有催化作用的有機物，其中絕大多數酶是蛋白質。

2 “四膜蟲”再成諾獎“得主”

2009年諾貝爾生理學或醫學獎授予了3位美國科學家——伊麗莎白·布萊克本、卡蘿爾·格雷德、杰克·紹斯塔克，以表彰他們發現了端粒和端粒酶保護染色體的機理。然而，當大眾和媒體的視線更多地聚焦在3位科學家的經歷和該項研究對人類癌癥和衰老重要意義的時候，卻忽略了一個小小的生命——只有約50 μm大小的四膜蟲。

1978年，布萊克本正是在這個單細胞真核生物中發現了染色體的末端——端粒，并于1985年和她的學生格雷德在四膜蟲中進一步發現了形成端粒的端粒酶。因此，在某種意義上，四膜蟲再次成為諾貝爾獎“得主”。布萊克本在研究四膜蟲的染色體時，證實在染色體的末端的一個DNA序列可以多次重復。在1980年的一次研討會上，布萊克本報告了她的發現。其研究結果引起了紹斯塔克的興趣。于是，他們進行了一項在遙遠物種之間的跨界的實驗。

布萊克本從四膜蟲的DNA中分離出了CCCCAA序列。而紹斯塔克把這個序列復制到微型染色體中并把它們放回酵母細胞內。布萊克本和紹斯塔克證明了以前未曾認識到的重大機理的存在，并在1982年5月的《細胞》雜志的論文中闡述了端粒的作用：在端粒中有一個特定的DNA序列保護染色體不被降解，保護染色體免于退化（圖1）。

3 四膜蟲的簡介

其實，四膜蟲離人們并不遙遠，它們廣泛分布在世界各地的淡水水體中，只是單細胞的它只有針尖大小，不被人們注意。

四膜蟲是一種單細胞真核生物，分布在全球的淡水水域中，屬于原生生物門纖毛蟲綱，與一般人所熟知的草履蟲在形態生理上十分相似。四膜蟲外觀呈橢圓長梨狀，體長約50 μm，全身布滿數百根長約4～6 μm長的纖毛，纖毛排列成數十條縱列，是不同種間纖毛蟲分類的特征之一。四膜蟲身體前端具有口器，有三組三列的口部纖毛，早期在光學顯微鏡下觀察時看似有四列膜狀構造，故據此命名。

四膜蟲細胞最大的特點是在一個細胞中有兩種核：小核和大核。具有眾多染色體的四膜蟲大核好比一個豐富的資源庫，為研究遺傳物質DNA代謝所需的分子提供了基礎。這也是作為染色體末端的端粒最早在四膜蟲中發現的重要原因。

在過去50年中，科研人員在以四膜蟲為實驗對象的基礎研究中取得了一系列突破性成果。如20世紀60年代第一個微管動力蛋白的發現、70年代端粒的發現、80年代核酶與端粒酶的發現、90年代組蛋白乙酰化翻譯后修飾功能的發現成為當下熱點研究表觀遺傳學的經典文獻之一、大核DNA重整中RNAi機制的存在作為共同發現者被評為2002年美國Science雜志十大科學發現之一。

4 “四膜蟲”的研究展望

2005年底，美國科學家完成了嗜熱四膜蟲大核基因組的測序計劃并建立了相應的預測基因數據庫。比較基因組學的研究表明，嗜熱四膜蟲較酵母等單細胞模式生物和人類具有更多的直系同源基因，其中就包括了58個與人類疾病有關的基因；作為先進的分子遺傳學工具，四膜蟲中已建立起一系列成熟的基因重組和細胞轉染等分子遺傳學操作方法和技術，使得在嗜熱四膜蟲中進行基因敲除/插入、基因表達抑制和基因過表達等十分方便快捷。同時，四膜蟲還具有生長快速、培養簡單經濟、操作精確度高和可控性強等特點，是一種重要的單細胞真核模式生物。

然而，一直以來，有關四膜蟲的社會認知度和關注度卻遠不如其他真核模式生物，直接導致了各國四膜蟲研究投入的不足和四膜蟲研究群體的減少。在我國，20世紀80年代是四膜蟲研究的鼎盛時期，北京大學陳閱增先生和華東師范大學張作人先生等在四膜蟲的有性生殖等方面取得了重要進展。90年代隨著傳統四膜蟲研究小組陸續關閉或改變研究興趣，我國四膜蟲研究進入低谷。

進入21世紀，中科院水生生物研究所和山西大學等單位通過和國際頂尖四膜蟲實驗室的合作，使我國四膜蟲研究重新得到快速發展。其中，和美國羅切斯特大學合作構建了世界上第一個纖毛蟲全基因組基因表達芯片分析平臺，完成了嗜熱四膜蟲3種典型生理或發育狀態共20個時期的全基因組表達數據的采集和分析，為四膜蟲功能基因組學的開展奠定了基礎，被同行評價為纖毛蟲分子生物學研究中的重要里程碑，以此為基礎建立的四膜蟲基因表達數據庫已成為世界四膜蟲研究的重要資源。

綜上分析，“四膜蟲”有望成為21世紀分子遺傳學的“明星材料”，如同當年孟德爾研究遺傳定律選用的“豌豆”、摩爾根選用的“果蠅”一樣，名垂青史。我們共同期待著小小四膜蟲在下一個十年對科學研究的又一巨大突破！