憾失诺奖的泛素研究大师Alexander Varshavsky的科研传奇

泛素-蛋白酶体系统（ubiquitin-proteasome system，UPS）是真核动物中蛋白质降解和代谢的主要途径。近年来，人们开发出了许多干预UPS的小分子，包括PROTAC（Proteolysis-Targeting Chimera）等。除了作为科学研究的工具，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命，减轻病人的痛苦。泛素-蛋白酶体研究领域的大师并不少，其中最杰出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凭借细胞内蛋白降解机制的研究获得过多项国际大奖，包括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年的生命科学突破奖。值得一提的是，2004年的诺贝尔化学奖颁给了泛素研究的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论。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

染色质结构的研究

Alex于1946年出生于前苏联莫斯科的一个书香门第，母亲是医师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究所获得生物化学的PhD。1970年，他加入莫斯科的分子生物学研究所，从事染色质和基因表达的研究。30岁时，Alex决定移民美国，来到了美国东海岸的波士顿，加入MIT的生物学系。

刚入职MIT的Alex决定要继续之前的工作，研究核小体的分布模式。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割。有意思的现象出现了，他们发现染色体上的一个位点比其他位点更容易被酶切，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关注：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开放（更容易被内切酶切割），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。

泛素化修饰在细胞中的功能

泛素-蛋白酶体系统（图源：Paul G Corn）

1978年，对组蛋白泛素化的研究把Alex的注意力从染色质转移到了泛素。日本科学家发现了一株突变的细胞，这些细胞在32摄氏度时正常生长，而在39度时停止了分裂。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系统存在缺陷，导致不能正常分裂。他推断，把泛素连接到组蛋白上所需的某些酶容易被高温破坏。

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有泛素研究的经验，Alex邀请他和研究生Daniel Finley（现哈佛大学教授）一起研究那株细胞。他们发现，这株细胞中E1酶的突变是导致泛素化功能缺失的原因【3，4】。另外，这也为他们提供了在活细胞内研究蛋白降解的良机。的确，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。

为了充分理解泛素系统对细胞生理的影响，Alex使用了酵母作为模型进行研究。当时，Avram Hershko等已经鉴定出了泛素化修饰所必须的E1，E2和E3酶，并且发现蛋白质的降解需要多个泛素分子组成的链，而不是多位点的单泛素修饰。几年后，Alex的工作揭示了多泛素链的功能，并且展示了单个泛素分子是如何组装成链的——泛素分子之间通过异肽键相连，位点通常是K48和G76【5】。Alex还确定了泛素系统在细胞中的功能，包括细胞周期的调控、DNA的损伤修复【6】、蛋白质的合成【7】、转录调控、应激反应等等。Alex的研究证明，泛素系统不仅在试管中起作用，在活细胞中也至关重要。

 

“无所不能”的泛素化修饰【8】

蛋白质降解的N端规则

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还鉴定了泛素化的非降解功能。

到这里，人们已经知道泛素能够标记需要被破坏的蛋白质。反过来，将要被降解的蛋白本身可能也携带有信号，以告诉E3酶是否要向它们添加泛素。这样，细胞可以在特定的时间或特定的条件下清除不同的蛋白。1986年，Alex发现了决定哪些蛋白会被降解的规则——N端规则（N-end rule）【9，10】。蛋白的N端氨基酸的种类决定了其在细胞内的分解速率，这一规律适用于从原核到真核的各类生理及疾病过程。简而言之，N端规则途径利用一组脱酰胺基、精氨酰基化等作用，使非稳定蛋白的N端氨基酸暴露出来。这种特定的信号会被特定的E3酶识别，从而介导多泛素化和蛋白降解。

这篇发现N端规则的论文已经被引用了超过1000次

酵母细胞的N端规则【11】

方法学的研究

Alex认为，高质量的工具和方法是科学研究的推动力。他痴迷于新工具的开发，这些工具也反过来促成了他自己的科研发现。除了许多用于泛素研究的技术，Alex还开发了用于研究DNA复制和染色体分离的二维电泳方法。他还引入了低离子强度（~10mM）下的凝胶电泳以研究DNA结合蛋白，这个方法即EMSA（electrophoretic mobility shift assay）的原型。另外，许多人都做过的染色质免疫共沉淀（chromatin immunoprecipitation，ChIP）实验也是由Alex实验室发明的。

人才的培养

Alex直接指导过许多杰出的科学家，除了上述的Daniel Finley教授，还包括中科院生化所的胡荣贵研究员、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。