2016諾貝爾生理學或醫學獎 大隅良典：做別人沒做過的事

曹玲

“大隅教授是一個對科學非常專注的人，從不追求熱門，不追求在影響因子高的雜志上發表文章，也不覺得需要和別人競爭什么，他喜歡做別人沒有做過的事情。”

一人獨攬大獎

當地時間10月3日，瑞典卡羅琳醫學院宣布將2016年諾貝爾生理學或醫學獎授予日本科學家大隅良典，以表彰他在細胞自噬機理研究中取得的成就。

近幾年來，細胞自噬一直被視作得諾獎的熱門而屢屢出現在各類諾獎預測名單中，國內這個領域的研究人員紛紛表示一點也不感到意外。“10年前大家就認識到細胞自噬的工作極其重要，會得諾獎，只是不知道何時得獎。”中科院生物物理所張宏研究員說。

現年71歲的大隅良典是日本知名分子細胞生物學家，目前擔任日本東京工業大學名譽教授。從照片上來看，他的造型非常像宮崎駿，區別在于宮崎駿戴的是黑框眼鏡，他戴的是無框眼鏡。接到獲獎消息時，他還在實驗室工作，對自己單獨獲獎感到十分意外。“這一領域的研究發展迅速。我剛開始做研究的時候，每年只有約不到20篇關于細胞自噬的論文發表，如今這一數字超過5000。在過去的15年間，細胞自噬研究經歷了巨大的變化。”他說。

細胞自噬領域還有幾位重磅人物，此前有人預測獎項還可能會頒發給美國密歇根大學的丹尼爾·克利昂斯基（Daniel Klionsky）教授和德克薩斯西南醫學中心的貝絲·萊文（Beth Levine）教授。前者最早在《科學》雜志上發表綜述介紹自噬，2005年創辦了此領域第一本雜志《自噬》，目前他任主編，張宏任副主編;后者于1999年發現了第一個與乳腺癌抑制因子相關的哺乳動物自噬基因beclin1，這是科學家們首次發現與人類基因相關的自噬基因。此外，大隅良典的兩位高足——大阪大學教授吉森保和東京大學教授水島昇也是這個領域的頂級學者，大大推動了自噬研究的發展。

張宏表示他非常理解此次的生理學或醫學獎為何只頒給大隅良典一個人，他表示：“大隅教授不光建立了細胞自噬研究模型，還找到了相關的基因，對于自噬分子機制的理解也是更高一籌。”接受采訪時，張宏說自己正在給丹尼爾·克利昂斯基和貝絲·萊文寫電子郵件，“主要是安慰他們，得不得獎沒有關系，貢獻是大家都認可的”。

中科院上海生命科學研究院生物化學與細胞生物學研究所胡榮貴研究員也表示，大隅良典一個人得獎毫無爭議，實至名歸。“他原創性地建立了細胞自噬的框架，他的工作非常系統和深入，沒有人能夠超越他。”

“自噬”（autophagy）來源于希臘語的“自我”（auto）和“吞噬”（phagein），自噬表示的就是“自己把自己吃掉”（self eating）。20世紀50年代中期，科學家發現了一種新的細胞器，含有消化蛋白、碳水化合物和脂類的酶，被稱為溶酶體，能夠降解細胞內部物質。

20世紀60年代，新的研究發現，溶酶體里有時會出現大量的細胞組分甚至是其他細胞器，細胞似乎有一種策略能夠將大型“貨物”運輸到溶酶體中。進一步的生化和顯微分析表明，細胞是通過一種新的囊泡運輸機制，將這些大型物體送入溶酶體來實現降解。1963年的國際溶酶體大會上，比利時細胞生物學家克里斯汀·德·迪夫（Christian de Duve）將這種細胞中存在的包裹細胞質和細胞器的膜泡發生現象定義為自噬，這些囊泡也被命名為自噬體。1974年，迪夫因其1955年發現了溶酶體而獲得諾貝爾生理學或醫學獎。

20世紀七八十年代，研究人員主要關注另外一種降解蛋白質的系統，即蛋白酶體。這個領域于2004年獲得諾貝爾化學獎，此后研究者們對蛋白酶體展開了大量研究。蛋白酶體可有效降解蛋白質，但是這個機制并不能解釋細胞是如何處理掉大型蛋白復合物以及老的細胞器。那么自噬或許能解釋這個問題，如果真是如此，那自噬背后具體的機制又是怎樣的呢？

因為細胞自噬現象研究起來比較困難，所以長期以來人們對此知之甚少。直到20世紀90年代大隅良典進行了一系列實驗，他利用面包酵母鑒別出編碼自噬作用的關鍵基因，然后進一步闡明了酵母中自噬作用的分子機制，并且發現人類的體細胞中也有類似機制，而且更為復雜。

諾貝爾生理學或醫學獎評委會主席朱琳·吉拉斯在評價大隅良典的研究成就時表示：“你可以這樣理解，此前溶酶體一直被認為是一個垃圾場。在大隅良典的研究成果發布之前，人們知道細胞中存在這樣一個機構，但是他的研究顯示，溶酶體并不是毫無用處的垃圾場，而是一個回收站，它擁有非常復雜巧妙的工作機理。”

追蹤酵母液泡

2012年，大隅良典在接受《細胞生物學雜志》（Journal of Cell Biology）采訪時表示，自己從事科學研究很可能受到父親的影響。大隅的父親是日本九州大學的一名工程教授，所以他從小就對學術生活非常熟悉。高中時，他對化學感興趣，進入東京大學理學部學習化學，但很快發現化學并非真的吸引他。

上世紀60年代早期是分子生物學的黃金時代，他想轉而從事這方面的研究。當時日本的分子生物學實驗室并不多，大隅進入今堀和友教授的實驗室研究大腸桿菌中的蛋白合成。遺憾的是，他并沒有獲得非常好的結果，博士畢業時，發現自己很難找到一份好的工作。在導師的推薦下，他去美國紐約洛克菲勒大學的杰拉爾德·埃德爾曼（Gerald Edelman）那里從事博士后研究。埃德爾曼因為發現免疫球蛋白的輕重雙體結構而獲得1972年諾貝爾生理學或醫學獎。

2016年諾貝爾生理學或醫學獎得主、日本分子細胞生物學家大隅良典。他因發現了細胞自噬機制而榮獲該獎項

大隅良典說，那是他生命中最困難的時光。他原本研究的是大腸桿菌，但是在埃德爾曼的實驗室，他轉到哺乳動物細胞和發育生物學領域，要建立一種用于小鼠體外受精研究的系統。他對早期胚胎學知之甚少，而且只有少量的卵子來開展研究，這讓他感到非常沮喪。一年半之后，麥克·賈溫斯基（Mike Jazwinski）加入埃德爾曼博士的實驗室，大隅決定和他一起研究酵母中的DNA復制。這是他首次接觸酵母細胞，沒料到這種細胞此后貫穿了他的整個學術生涯。

1977年大隅良典回到東京大學擔任助教，1986年才晉升為講師，1988年晉升為副教授，終于擁有了自己的實驗室，那一年他已經43歲。他對《細胞生物學雜志》說：“我并不會說那時我擁有一個非常成功的研究生涯;我遇到很多困難，不過這些困難主要是我自己造成的。”

回到日本之后，他就開始認真研究酵母的液泡。當時，液泡被認為是細胞中的垃圾桶，沒有多少人對它感興趣，因此他認為研究液泡中的物質轉運將是不錯的選擇，他不會遇到太多競爭。選擇研究液泡生理學的另一個原因是當他還在埃德爾曼的實驗室時，曾嘗試過分離酵母細胞的細胞核，發現獲得純的液泡比較容易。利用這些制備的液泡，他能在液泡膜上發現很多主動轉運系統，包括將質子泵進液泡中的液泡型ATP合成酶。于是他決定研究酵母液泡的裂解功能，那時人們對液泡內被降解的物質是什么，以及這些物質怎么降解的都知之甚少。他曾多次表示他對顯微鏡的熱愛。“我非常喜歡用顯微鏡觀察。液泡是在光學顯微鏡下唯一可看到的酵母細胞器，我經常觀察它們。在顯微鏡下觀察，是我能發現液泡具有生理功能的根本原因。”

液泡是一個細胞器。由于酵母細胞比較容易研究，因此它們經常被用來作為人類細胞的模型，尤其是在鑒別對于復雜細胞通路非常重要的基因時，酵母細胞非常有用。不過大隅良典遇到了一個棘手的挑戰，由于酵母細胞非常小，即使在顯微鏡下也不容易分辨其內部的結構，同時研究者也并不確定酵母細胞中是否存在自噬過程。大隅推斷：是否能在自噬過程處于活性狀態時，干擾液泡中的降解過程，隨后自噬體就會在液泡中累積，從而在顯微鏡下被觀察到。

因此他培養了缺失液泡降解酶的酵母突變體，同時通過讓細胞“挨餓”逐漸地刺激酵母發生自噬。結果令人震驚，不到一個小時，液泡中就充滿小型的囊泡結構，而且這些結構不會被降解，這些囊泡就是自噬體。他的實驗證明了酵母中存在自噬作用。更重要的是，他找到了一個可以驗證和表征自噬過程中關鍵基因的方法。1992年，大隅發表了這個關鍵性突破。

之后，他利用基因工程改造的酵母開展了進一步的研究。如果對自噬有影響的基因失活，那么這個自噬體積累過程不會發生。大隅良典將酵母細胞暴露在特殊的化學物質中，以誘導其基因發生隨機的突變，然后再誘導這些細胞進行自噬。在發現酵母中存在自噬過程后的一年內，他就鑒定出和自噬有關的第一個基因，在接下來一系列研究中，他進一步確定了這些基因所編碼的蛋白質的性質，結果顯示，自噬過程被一系列級聯的蛋白和蛋白復合體控制，每一種都能調節自噬開始和進行過程中的具體階段。

在確定酵母的自噬機制后，一系列問題誕生了，那就是其他生命體中是否也有相應的機制控制自噬過程？研究人員很快發現，我們的細胞中運行著幾乎相同的機制，通過使用可用的研究工具，科學家們調查了自噬在人類機體中的重要性。

自噬在細胞應對短暫的生存壓力時，降解自身的非必需成分來提供營養和能量，從而維持生命。細胞為什么會出現這種反應？沃約·德雷蒂奇（Vojo Deretic）在《科學美國人》上寫道：“想一想當食物匱乏時，生物體會有怎樣的反應：它的生理活動肯定不會立即停止，而是開始分解體內儲存的營養物質。最先被分解的是脂肪細胞，如果一直沒有食物供應，肌肉細胞最終也會被分解，為基本的生理活動提供能量。同樣，當細胞缺乏養分時，它們也會分解自己的一部分，維持基本的生理活動。不論細胞的養分是否充足，自噬體始終處于活躍狀態，也就是說，它一直在一點一點地吞噬細胞質，不斷更新細胞質中的各種組分。如果遇到養分不足、缺氧、生長因子缺乏等特殊情況，細胞就會組裝更多的自噬體。因此，當細胞缺乏養分時，自噬體的活動就會增強，將細胞質中的蛋白質和細胞器（不管其功能正常與否）分解成可利用的養分和能量。”

越研究越重要

自噬是一種進化上非常古老和保守的代謝途徑，在細胞對抗饑餓以及其他困境時扮演了至關重要的角色。在感染后，細胞可以通過自噬來消滅入侵的細菌或是病毒，自噬作用也有助于胚胎發育和細胞分化。同時，自噬也用于消除受損的蛋白質和細胞器，這是細胞內部的質量控制機制，對于對應老化帶來的消極影響有著至關重要的作用。無論哪一種自噬功能的喪失都會影響到細胞的健康，甚至于基因組的完整性和穩定性，導致疾病的產生，如癌癥、衰老、肝損傷、神經退行性便便和微生物感染等等。

“細胞自噬最基本的功能就是自我循環，除此之外它還可以清除衰老的細胞器或者被氧化損傷的蛋白。如果我們的細胞里存在損壞的或有毒的蛋白質，長期積累會引發神經退化性疾病，如阿爾茲海默癥、帕金森癥或者糖尿病。”胡榮貴說。

即使自噬系統運作良好，它仍可能對人體不利。當癌癥病人接受了放療及化療后，自噬系統可能救活奄奄一息的癌細胞，使癌癥無法根治。“自噬作用對腫瘤細胞來說有雙向調節的作用。在腫瘤產生過程中，細胞中氧化損傷的蛋白累積會造成更多的蛋白質損傷，最后導致DNA損傷，DNA損傷無法修復就會導致癌變，這時候自噬作用可以抑制正常細胞的惡性轉化和腫瘤發生。在腫瘤出現之后，腫瘤周邊有血管供應氧氣和營養物質，但內部的癌細胞沒有辦法得到充足的營養和氧氣，它們需要調整代謝狀態，保證在惡劣的環境下生存，此時自噬作用能幫助癌細胞抵抗不良體內微環境和細胞應激，促進腫瘤細胞生存與疾病的發展。”胡榮貴說。自噬在癌癥中所起的作用極其復雜，由于自噬在癌癥臨床治療的巨大潛力使得自噬與癌細胞的關系成為當今的一個研究熱點。

目前，大量的研究正在如火如荼進行中，為多種疾病開發可以讓病灶自噬的藥物，一些調節自噬的藥物也被用于臨床腫瘤治療的研究中。在腫瘤發展階段，細胞在面對各種死亡刺激，如放療、化療及靶向治療時，反應性地提高細胞內基礎自噬水平以適應惡劣環境而促進腫瘤發展，聯合應用自噬抑制劑可以提高多種腫瘤治療的敏感性。比如雷帕霉素是一種傳統的免疫抑制劑，后來發現它可以作為一種有效的自噬誘導劑，讓某些腫瘤對化療藥物更敏感。另一方面，自噬的持續激活會最終導致腫瘤細胞自噬性死亡，對于一些耐藥或者凋亡耐受的腫瘤細胞，通過誘導自噬性死亡可能會取得更好的治療效果。

很多疾病的發病率，都隨著年齡的增長而升高，比如癌癥和神經退行性疾病。有科學家認為，原因可能在于年齡增加后自噬作用的效率降低了，尤其是負責清除異常蛋白及細胞器的系統。如果它們的工作效率降低，會導致有害物質大量累積，最終引發疾病。這種理論可以解釋為什么熱量限制可以延長多種實驗動物的平均壽命，也就是民間所說的吃飯要吃七分飽。這是因為限制養料的供給會讓細胞感到“饑餓”，加速自噬，從而減緩衰老。

自噬現象和疾病的關系越來越密切，了解如何控制自噬作用，對于治療疾病甚至延緩衰老進程都有重大意義。“實際上，我們在這個領域的研究還僅僅只是剛剛開始。”張宏說，他從2009年進入這個領域的研究，在高等生物中建立了篩選體系，已經找到11個酵母中不存在，但是在多細胞生物中存在的自噬基因。“目前對自噬的研究局限于酵母或者哺乳動物細胞器里，對發育過程中自噬是如何被調控的，特別是人體中的機制，我們所知甚少，自噬和疾病的關系只是觸及一些皮毛，距離轉化到臨床藥物的過程就更遠了。”

張宏和胡榮貴都是2009年認識大隅良典的，他經常來中國進行學術交流，和中國學者合辦了中日自噬交流會，目前已經召開了四屆會議，分別在西安、東京、敦煌和北京舉辦，下一屆打算在奈良召開。大隅良典還發起了國際自噬研討會，去年在中國黃山召開，張宏是大會主席。黃山是張宏的故鄉，會議期間，他還帶大隅教授去自己出生的農村看了看。“他為人誠懇，非常低調和謙虛，從不指手畫腳，是一個很好的典范，在業內深受大家敬重。”張宏說。

胡榮貴也持有相同的看法，他說：“大隅教授有著濃厚的學者氣質，是一位德高望重的科學家，大家對他的尊敬是公認的。”

“他是一個對科學非常專注的人，從不追求熱門，不追求在影響因子高的雜志上發表文章，也不覺得需要和別人競爭什么，他喜歡做別人沒有做過的事情。”張宏說。大隅良典在接受日本媒體采訪時也曾說過：“大家都做的領域不是要爭第一就是要快出成績，我對此不感興趣，我喜歡觀察誰都沒有見過的現象。”他表示自己沒有很強的競爭性，總是選擇一個新的課題開展研究，即便它并不是很流行。“如果你從某種基礎性的新的觀察結果開始研究，那么你將有很多東西需要研究。”

大隅良典曾多次對張宏表示，無論是中國還是日本，對基礎科學的關注都是不夠的。“日本以前關注基礎科學，現在也在逐漸偏向于轉化方面的研究，他覺得自己已經得了很多榮譽，不在乎還得不得諾獎，但是如果能得諾獎的話，他希望能通過自己的影響促使日本政府、民間和媒體對基礎科學給予更多關注。”