· 细胞科学 ·
细胞就像是一座我们刚刚来学习寻找周围道路的城市。一幅好“地图”能引导我们去探索青春的秘密、器官再生的奥妙以及许多许多......
干细胞演化路标
胚胎干细胞是怎样开始向构成人体组织和器官的特化细胞转化的？这是多伦多市西奈山医院塞缪尔 · 卢伦费尔德研究所的细胞生物学家托尼 · 波森（Tony Pawson）急于想了解的问题。
波森及其课题组目前主要的研究方向是细胞内信息传导系统，特别是名为“受体酪氨酸激酶”（RTK）的跨膜蛋白。RTK本质上就是信息通路，细胞能由此接收外界信号并将其转变为指示细胞从事各种不同活动的指令。
“这种受体能穿越到细胞膜的外侧起着一种天线的作用，”波森说，“在膜外，它能非常紧密地与胰岛素那样的信号分子结合；在膜内，它也有各种与细胞其他蛋白质相互联系的部位。”例如，具有活性的RTK能派出蛋白质信使到细胞核去激活新的基因，或激发细胞中其他酶进行活动。
这项重大突破的取得迄今不过10年，当时波森在该信号传导链中发现一种名叫“SH2结构域”的链接。所谓结构域，是各种蛋白质三维折叠中的一个层次，在许多较大的蛋白质中构成了亚结构区。波森等人发现，许多蛋白质（从酶到转录因子）都有一个SH2结构域，它使这些蛋白质具有传递活性RTK信息的能力。
SH2的发现只是一个良好的开端。在过去的10年里，研究人员已经发现了数十种结构域，各结构域在细胞线路系统中都具有其自身的特定功能。波森最近研究了一种在胚胎早期发育期间能启动胚胎干细胞转变为特化细胞的信号。一个干细胞分化时，能生成两个不同的子细胞，其中一个仍然是干细胞，另一个则已开始分化为像血液干细胞那样的特殊细胞。
波森课题组沿此信号追踪到一个名叫PTB的蛋白质结构域，然后通过PTB又追踪到一种模块化蛋白质，目前已知这种蛋白质只在一个子细胞中有活性，而在另一个子细胞中无活性。PTB结构域似乎也能传递活性RTK的信号。波森说，有关细胞如何从一种类型转变为另一种类型的线索可能对新近出现的治疗性克隆领域具有至关重要的意义，也为利用患者自身组织培育移植器官带来了极大的希望。
——Andy Coghlan
战胜暴风雨
西雅图市佛瑞德 · 哈钦森癌症研究中心的遗传学家利兰 · 哈特维尔（Leland Hartwell）认为，大量遗传变异的累积能力作为生物一种重要的进化特性而显现的情况，生物学家们可以运用古老的遗传学方法进行探讨。
包括人类在内的自然生物种群，均含有许多的遗传变异，其中既有像身高那样的明显差异，也有各种隐藏的差异。例如，人类细胞修复DNA损伤的能力，在不同个体间的差异高达100倍。值得注意的是，哈特维尔认为如此巨大的遗传变异并没有什么害处。
哈特维尔和普林斯顿大学的斯坦尼斯拉斯 · 利布勒（Stanislas Leibler）均认为，细胞含有能缓解遗传变异潜在性有害影响的分子“生物学巡回线路”。当巡回线路的一部分由于基因突变而发生变化时，另一部分巡回线路能平衡这种影响，这种性质被利布勒戏称为“健全性”。哈特维尔说：“它可通过限制其对基因表达的影响而让遗传变异积累。”
哈特维尔提出一种办法，从一种常见的遗传现象入手来寻找这些健全的巡回线路。在某些基因对，若一个基因发生突变时可能无伤大雅；若两个基因都发生突变则会置其所在细胞于死地。遗传学家通常在搜索相互作用的蛋白质时利用这样的基因组合，从一个基因的突变入手，搜索置细胞于死地的另一个基因的突变。
哈特维尔认识到，基因的致命性组合就是一种健全。如果基因A的突变在基因B突变之前并不明显，反之亦然，那么各基因都会缓解其他基因的缺陷。他的实验室最近在寻找能对酵母基因MEC1的删除作出补偿的致命性基因时发现了一例。这种基因负责编码一种在DNA受损时能协助阻止染色体复制的蛋白质，而基因删除本身并不是致命的。
他们所发现的基因大多涉及到核苷（DNA的建筑材料）的合成。哈特维尔认为，这些基因可以编排出在DNA复制受阻时平衡核苷有效性的分子巡回线路。试图在缺乏核苷（由于核苷未能足够快速地制造出来）的情况下进行复制的细胞则必定死亡。
——Philip Cohen
破坏与生长
对细胞分裂生长（细胞周期）的深入了解将使我们找到办法来控制癌变或许还能使缺失的肢体得以再生，哈佛大学细胞生物学家马尔克 · 柯什纳（Marc Kirschner）说。柯什纳对这一领域的贡献是一项“细胞的创造关键取决于破坏”的似非而是的发现。
20世纪80年代初，蛋白质破坏（即蛋白质水解）被认为只是一种重复利用。蛋白质水解作用能将细胞用过的或受损的蛋白质拆除以确保新蛋白质构建材料的不断供应。柯什纳说：“该领域当时是有些不大在乎局外人的观点。”
事实证明，细胞内名叫“周期蛋白”的蛋白质达到临界水平之前会逐渐增多，当该蛋白质达到临界点时便引发一系列事变而导致正常的细胞分裂——有丝分裂。柯什纳小组发现，细胞在完成有丝分裂之前，必须将周期蛋白降解。
大多数古老的蛋白质都能被名叫“溶酶体”的装酶囊袋反复利用，但是周期蛋白受到不同的对待。首先，是名叫“泛肽”的微小蛋白与周期蛋白结合；然后是吞噬蛋白质的大型“蛋白降解酶复合体”认出泛肽标记并将其占领而摧毁之。
一个令人困惑不解的问题是，细胞怎么知道什么时候开始摧毁周期蛋白。就细胞周期来说，一组名叫细胞分裂“后期启动复合体”（APC）的蛋白质似乎处于该决定的中心。APC的任务是把泛肽标记粘贴到周期蛋白上。
几个月前，柯什纳小组发现，大多数已知的APC靶中都有一小段蛋白质序列。他希望这种序列能使蛋白降解酶复合体退化的规则清楚明白地显示出来。柯什纳说，已有研究人员用他所发现的蛋白质序列鉴定出可能适用于APC的新型调节功能并向他提交了试验报告。
对细胞分裂中的信号进行更详细地了解，有可能使我们找到办法来排除像癌变那样的细胞周期故障，医生们也希望能够诱使细胞发生应答人工信号的分裂。柯什纳说：“我想我们能找到办法使细胞激增，并最终让机体获得使神经、肝脏、心肌或许肢体再生的能力。”火蜥蜴能使肢体再生，因此我们确信我们的想法也是可以实现的。不过，“我们现在只是刚开始试图解决如何来模拟细胞激增的过程。”
——Mark Schrope
偶然性老化
“戴帽”的概念正在改变研究人员观察端粒酶的方法，端粒酶的发现者、旧金山加州大学遗传学家伊丽莎白 · 布莱克邦（Elizabeth Blackburn）说。能对染色体末端具有保护作用的端粒进行修复的端粒酶有时似乎在老化过程中起着关键性作用，具有端粒酶的健康细胞将得以永生。然而，实际情景是相当复杂的。
每当线性染色体为进行细胞分裂而复制时，其两端的DNA都会逐渐消蚀掉。如果不进行阻止，分裂中的细胞最终会丧失重要的基因。端粒就具这种阻止作用，它们由外面裹有蛋白质的DNA序列所组成，而且在有些细胞中，端粒酶能在它们变得过于短小时重新使它们变长。
研究人员都知道，端粒有些长有些短，有些中等等；但是现在看来，它们还可分为戴帽和不戴帽两种类型。端粒的帽子是约束并稳定端粒DNA的蛋白质团。戴帽的端粒会通知细胞它已作好了分裂的准备。
不过，端粒变得越短，那么成为不戴帽的可能性就越大。当这种情况发生时，它也会向细胞发出警报信号通知其停止分裂。布莱克邦说：“这种情形与我们以前所知的情况完全不同。”
这种情形已经使细胞衰老的观念发生了改变。若将一些无端粒酶的体细胞置于一个盘子内，这群细胞会分裂几十次之后便停止。许多生物学家曾认为，个别细胞会随着它们的端粒逐渐消蚀而放慢分裂速度。
但现在看来，细胞能够蓬蓬勃勃地不断进行分裂，直到其某一个端粒意外地丢失了帽子，那才是它停止分裂的时候。因此，重要的问题并非是细胞的缓慢恶化，而是后续细胞偶然停止了分裂。
虽然生物学家已发现端粒确实会随着人的年龄增长而变短，但这并不一定意味是较短的端粒导致细胞的老化，布莱克邦告诫说。在不产生端粒酶的鼠细胞，经过6代使端粒缩短的分裂变化之后，细胞寿命也就变得更短。因此几乎可以肯定，动物体内有其他信号在指示细胞停止分裂或死亡。
如果我们在对戴帽问题获得较深了解之时只是把端粒如何涉及老化的问题弄清楚，那是很有可能的。
目前，要查明戴帽端粒中的某些蛋白质包括DNA修复酶和DNA包装蛋白，可以说是“十拿九稳”，至于它们如何结合在一起，则仍是一个谜。
——Jonathan Knight
癌变始末
一位妇女发现她的乳房有一个肿块，医生在为她作活组织检查时取出一些细胞注入一台仪器。几分钟后，电脑就显示出肿瘤的类型、发生部位以及病情变化状况，而且还详细开出最有可能抑制该肿瘤的药物。旧金山加州大学的迈克尔 · 毕晓普（Michael Bishop）认为，只要再过20年，我们就能创造出这种非凡的仪器。从某种意义上来说，基因科学革命将成为这种创造的动力。
正是毕晓普和原在旧金山加州大学的同事哈罗德 · 瓦尔莫斯（Harold Varmus）取得了受损基因会引发癌变这一荣获诺贝尔奖的发现。这是25年前的事。
从那时起，已发现会对肿瘤形成起作用的基因大约有100种，而与肿瘤相关的基因则高达数百种。如果每一种肿瘤的发生都含有10多个或更多个这样的基因突变，那么肿瘤类型的潜在数量将是极其庞大的。不过，毕晓普说，处理这样的复杂事物很快将成为常规性工作。在基因组学这一发展中领域，研究人员正在学习同时应付成千上万的基因。
毕晓普认为，要使癌细胞变得更容易对付，需经过三个重要步骤：第一步是要找出能触发癌变的每一个“肿瘤基因”，第二步是要学会如何根据肿瘤所含的遗传变化对每一个肿瘤细胞进行分类，最后是要根据肿瘤细胞的遗传物质组成设计出治疗的方法。
人类基因组的序列测定可使科学家们很快就能完成第一步工作。许多癌细胞的染色体明显发生了破裂，即出现了倒置或游离的染色体片断。因为研究人员多年来一直在进行这些破裂位点的分门别类，所以他们都知道这类受损基因所在的部位，只是不清楚它们是些什么基因。不过，他们很快就能从基因组数据库中直接读到这些关键性的DNA序列。
其他潜在的癌基因也将从基因组数据库中“跳”出来，因为这类基因同酵母菌和蛔虫等其他生物中控制细胞生长的基因是相似的。毕晓普说，生物学家将能够利用DNA芯片（与特定DNA序列结合的DNA编码晶片）来追捕所有残余的癌基因。
研究人员将为每种类型的癌细胞建立一份有关其遗传缺陷的档案。那么，以后只要查一下肿瘤细胞的遗传学指纹就能知道肿瘤发生在机体的哪个部位。如果把组织样本与处于不同时期的癌细胞进行比较，还有可能知道肿瘤目前发展到了什么时期，是不是会马上扩散。
毕晓普认为，一旦诊断出癌症，按理说是可以根据癌细胞特殊的遗传变化制定出适合每位患者甚至每种肿瘤的治疗方法，包括替换受损基因的基因疗法。
不过，如果能绕开肿瘤间的差异而找到它们的共同点，那也许会更加切实有效。
看来，还有一种办法，就是对那些在许多肿瘤细胞中都出现的破裂基因群做修补工作。例如，几乎所有的结肠癌都在一种名为APC的基因上出现损伤，而许多不同类型的肿瘤都在一种名为p53的基因上存在缺陷。因此，研究人员可以通过查看特定肿瘤中其他基因的受损情况作出判断：是对p53或APC进行修补，还是利用药物来中止受损基因的影响，才能完全达到阻止肿瘤生长的目的。
——Philip Cohen
生命的发动机
细胞就像是座喧闹繁忙的城市，不停地生产着DNA并把它包装成染色体，不断地把营养物质运进来把垃圾运出去。这种工作是由数以千计的微型运动装置来承担的。斯坦福大学的生物化学家詹姆士 · 斯帕蒂奇（James Spudich）说：“如果没有这样的分子运动装置，细胞就活不了。”
斯帕蒂奇及其课题组目前的主攻方向就是要弄清这些微型装置的受控原理，而可能获得的回报则是治疗疾病的更好方法。
也许是机体中久负盛名的运动装置使肌肉产生收缩。肌肉含有两种细长的蛋白质：肌球蛋白和肌动蛋白。每个肌球蛋白分子都沿着肌动蛋白纤维的方向伸出一个棘突并能像手指那样作出“到这儿来”的手势运动。几年前，斯帕蒂奇和他的同事对这种互相作用所施加的力进行了测定。他们把一个肌动蛋白微丝分子铺展在两个塑料珠之间，并让一个肌球蛋白分子抓紧它。该肌球蛋白在拖拉时用了几个微微牛顿的力，相当于一个手持激光指示器轰击荧屏时作用力的十分之一。
目前经过测试的还有几种其他的运动装置。第一种是驱动蛋白，它负责在名叫微管的轨道上从事细胞各处蛋白质包的运输。斯帕蒂奇的同事史蒂夫 · 布洛克（Steve Block）和他的研究小组发现，这种运动装置的驮拉力高达6微微牛顿。斯帕蒂奇小组最近对一种名为肌球蛋白5（肌球蛋白V）的脑组织蛋白进行了深入研究，认为它的工作是在神经末梢的肌动蛋白微丝上从事物质的运输。
肌球蛋白V的研究表明，人们对运动装置的控制情况知之甚少。从神经元膨大的胞体（产生蛋白质的部位）沿其轴突和树突向外运输的大部分业务都是由驱动蛋白负责处理的。它先是在微管大路上运行，到远端后移交给肌球蛋白V，而肌球蛋白V又沿着由肌动蛋白构成的小路传送。每个行李包中都有驱动蛋白和与其结合的肌球蛋白V，但一次只能运送一个。斯帕蒂奇说：“现在必须弄清，是什么时候使得一个运动装置关闭或转轨的。”至于这种情况如何发生，目前也还是个谜。
这种细胞就像是一个巨大的城市交通网，斯帕蒂奇说，然而对于其交通信号，实际上我们一点也不知道。还有一个更大的谜是，细胞能够改变其整个城市规划的方式，例如，当细胞开始分裂时，它可以改变形状并拆卸掉不必要的微管。
对运动装置控制问题的更多了解能导致更好的治癌药物。如最初从太平洋紫杉树皮中提取的taxol，就能通过防止微管的崩溃而发挥作用，因为微管的崩溃会干扰细胞进行分裂所需要的“城市功能转变”。斯帕蒂奇说，一种更为有效（具有较小副作用）的抗癌办法就是把目标对准特殊的运动装置，而不是那么多的运动装置所共有的微管轨道。他说：“其实，没有探索过的目标还有很多。”
——Jonathan Knight
秘密握手
在细胞内，许多新合成的蛋白质是装在由生物膜构成的小包里被送往需要它们的地方去的。这一传输系统关系到细胞的生死存亡。但是那些小包是怎样准确找到目的地的呢？各种新发现表明，它们在蛋白质伸出的“手臂”上都有一个“地址标签”。
这种名为囊泡的脂质小包能在细胞内许多由膜隔开的“包厢”之间往返运送蛋白质。例如，许多新合成的蛋白质可以进入内质网（ER），而由内质网以出芽方式形成的囊泡又把这些蛋白质传送给高尔基器，以便蛋白质在此加工修饰；另一些囊泡可把蛋白质送入名为液泡的细胞“垃圾桶”里；还有一些囊泡则能把蛋白质送到细胞膜外去。当囊泡到达其目的地时，它能与靶细胞器的膜发生融合从而将其内含物吐出。
驱动这种融合活动的是名叫v-SNARE和t-SNARE的两种蛋白质，它们分别位于囊泡和靶细胞器并从其膜上伸出“手”来，以一种“秘密握手”的方式紧紧相握。纽约市斯朗-凯特琳癌症研究中心的詹姆士 · 罗斯曼（James Rothman）和他的同事以及其他的研究人员做了一个试验，他们在一支试管里将v-SNARE和t-SNARE分别置于两个人造囊泡上重演了这种膜融合活动。
膜融合只是事情的一个方面，但另一方面，囊泡怎么“知道”它是不是找对了目标？这也是SNARE蛋白的工作职责吗？罗斯曼了解到，每个“包厢”在它产生的囊泡上都贴有一种特殊的v-SNARE蛋白标签，而不同的靶上则有不同的t-SNARE。因此，罗斯曼和他的研究小组利用这种膜融合试管试验法，对不同的SNARE搭档驱动膜融合的能力进行了测试。
这些SNARE蛋白其实相当挑剔。根据已知的囊泡运行线路来看，具有内质网v-SNARE的囊泡只能与显示高尔基器t-SNARE的囊泡发生膜融合，其他带有SNARE蛋白并发生过膜融合的囊泡则见于液泡至液泡和高尔基器至细胞膜外的运输线路。但是在细胞内从未见过的线路（如内质网至内质网的传输）上，膜的接触不会发生融合。
“这个问题简单至极”，罗斯曼说，“你可以把囊泡运输的特性归并于蛋白质介导的膜融合作用。”罗斯曼认为，这并不是说其他的蛋白质就无助于引导囊泡的活动，不过它们的作用也许是多余的。
只有一种未曾想到会起作用的SNARE结合确实引起了囊泡发生膜融合，这就是表现为从囊泡至细胞膜运输的SNARE搭档。罗斯曼曾从酵母菌中的这条运输线路上提取到了该对蛋白质，这条线路在酵母菌中尽管没人见过，但在动物细胞和粘霉菌中则是众所周知的。
——Philip Cohen
（未完待续）
（New Scientist Confierence Report，2000年4月15日）