細胞窺探者：尋找最迷你“快遞小哥”
如果把一個神經(jīng)元細胞想成中國地圖的話，那么將物品從廣州運到內(nèi)蒙古的“快遞小哥”是誰呢？邁克爾·希茨和羅納德·韋爾試圖在烏賊身上尋找答案，然而那一年，由于全球經(jīng)歷了嚴重的厄爾尼諾現(xiàn)象，美國西海岸的烏賊全溜了……
撰文 | 黃宇翔
編輯 | 萬朵
直到今天，不斷地迎接意料之外的實驗結(jié)果的挑戰(zhàn)依然令我感到興奮，并且是推動我在科學事業(yè)上不斷進取的最大動力。
邁克爾·希茨（細胞生物學研究者，力學生物學和生物力學先驅(qū)者）[1]
1946年12月，剛剛從美國海軍退役的大衛(wèi)·希茨（David Sheetz）迎來了自己第一個孩子的降生，為他取名為邁克爾·希茨（Michael Sheetz）。退役后的大衛(wèi)隨后在內(nèi)布拉斯加大學取得化學博士學位，并在大名鼎鼎的陶氏化學公司的研發(fā)部門成功找到了一份工作，隨后舉家搬到陶氏公司的總部——位于美國密歇根州的米德蘭（Midland）。[2]
邁克爾在米德蘭度過了他快樂的童年時光。這座只有四萬人口的小城，蘊藏著濃郁的化學氛圍——研發(fā)出從鹽水中高效萃取出溴的化學家赫伯特·陶（Herbert Dow）于1897年在米德蘭這座小城創(chuàng)立了陶氏公司。這家最初以經(jīng)營漂白劑和溴化鉀為主要業(yè)務的公司在二十世紀上半葉蓬勃發(fā)展，到了五十年代已經(jīng)是一家年銷售額達10億美元的化工巨頭。由于大量米德蘭的居民都是陶氏公司的雇員，因此這座小城也被稱作“陶氏化工之城”（A Dow Chemical Town）。
“大家都期望陶氏公司化學家們的孩子在未來都能成長為比他們父輩更為優(yōu)秀的化學家，我當時深受這種思想的影響?！边~克爾回憶自己的童年時說。[3]
結(jié)緣生物化學研究
1964年，高中畢業(yè)的邁克爾選擇到離家140英里的阿爾比恩文理學院（Albion College）就讀。這家文理學院的化學系不錯，而且在邁克爾看來更重要的是“在這里我能獲得更多老師一對一的指導，能有機會做自己獨立的項目”。[3]
在阿爾比恩文理學院，邁克爾打下了扎實的數(shù)理基礎，并對基礎物理學和化學研究產(chǎn)生了濃厚的興趣，但是身為化學家的父親大衛(wèi)卻希望大兒子能打開視野。
“老爸嘗試說服我能治病救人的研究比物理或者化學的基礎理論更有價值，”邁克爾在2012年拉斯克獎頒獎典禮的致辭中回憶道，“為了驗證他的觀點，我去醫(yī)院做了幾個月的夜間護工，很快就意識到在當時許多治療方法都遵循著‘不造成傷害’（do no harm）的原則，其根源是我們那時對于人體的生物化學機制了解還非常的匱乏?！?/p>
1967年，在參加了美國阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）暑期科研項目后，邁克爾正式確定自己的志向是成為一名生物化學家，并于1968年被加州理工學院（California Institute of Technology，Caltech）研究生項目錄取。
在加州理工學院，邁克爾在生物物理化學家Sunney Chan（陳長謙）的指導下用核磁共振影像方法對細胞膜的性質(zhì)進行研究。然而，囿于技術手段的局限，邁克爾在研究生期間僅僅能在相對劇烈的條件下（如高溫變性）檢測到細胞膜的核磁共振信號，而無法對細胞膜更細微的結(jié)構進行觀測。[4-6]
1972年，邁克爾獲得博士學位，前往舊金山大學圣地亞哥分校（University of California, San Diego, UCSD）的Jon Singer實驗室進行博后研究。
初出茅廬
在邁克爾來到Jon Singer實驗室的70年代，人們關于細胞膜生物化學的知識還非常缺乏。邁克爾和導師Jon Singer針對“細胞膜雙分子結(jié)構中內(nèi)膜富含陰離子脂質(zhì)”的這一事實提出了一個他們稱之為“雙層偶聯(lián)”（bilayer couple）的假設：陰離子內(nèi)膜會吸引一些陽離子藥物，進而通過影響膜結(jié)構改變細胞的形狀。通過簡潔的功能學和電鏡實驗，邁克爾作出了自己在學術界第一個重要的貢獻，推動了“雙層偶聯(lián)”模型的發(fā)展。[7]
1974年，邁克爾在康涅狄格大學（University of Connecticut, UCONN）建立了自己的獨立實驗室，繼續(xù)跟進博后期間在紅細胞膜方面的工作，試圖探究細胞膜“雙層偶聯(lián)”的生物化學機制。
紅細胞膜的膜蛋白擴散速度比其他細胞類型的膜蛋白擴散速度要慢約100倍，而邁克爾和他在康涅狄格大學的合作者Dennis Koppel與Mel Schindler發(fā)現(xiàn)，珠蛋白（一種膜骨架蛋白）突變的小鼠紅細胞膜蛋白擴散速度變得與其他細胞的膜蛋白一樣快了?；诖耍麄兲岢鲋榈鞍自诩毎け砻嫘纬删植康摹吧汉鳂咏Y(jié)構”，能允許膜蛋白局部的擴散，但卻阻止其長距離擴散。這一發(fā)現(xiàn)為邁克爾帶來了他在《自然》雜志發(fā)表的第一篇論文，也讓他在學術界開始小有名氣。[8]
就在這個時候，邁克爾選擇到斯坦福大學詹姆斯·斯普迪赫（James Spudich）的實驗室開啟一段改變了他職業(yè)生涯的學術休假。
黏菌VS麗藻
當時詹姆斯·斯普迪赫的研究興趣在于通過體外重組得到肌球蛋白運動的過程。
詹姆斯僅僅比邁克爾年長四歲，在一個克羅地亞移民家庭長大，研究生期間在斯坦福大學亞瑟·科恩伯格（Arthur Kornberg）（1959年因發(fā)現(xiàn)DNA聚合酶獲諾貝爾生理或醫(yī)學獎）手下接受了嚴格的生物化學訓練。
博士畢業(yè)后，他留在斯坦福大學查理·亞塔夫斯基（Charley Yanofsky）實驗室做了一段短期博后，運用遺傳學手段研究大腸桿菌色氨酸操作子，隨后來到英國劍橋大學的Hugh Huxley實驗室研究肌球蛋白運動的機制。Hugh Huxley基于X射線衍射與電鏡實驗結(jié)果為提出解釋肌肉如何收縮舒張的“肌動滑動”模型作出了重要貢獻。詹姆斯在Hugh Huxley實驗室的博后工作提出原肌球蛋白（tropomyosin）和肌鈣蛋白（Troponin）通過空間位阻抑制肌動蛋白（actin）與肌球蛋白（myosin）的相互結(jié)合。[9-12]
在1970年代，對于肌動滑動模型最大的挑戰(zhàn)是細胞內(nèi)存在各種可能與肌動蛋白結(jié)合的蛋白，研究者們無法清晰地闡明ATP水解引發(fā)機械運動的分子機制。因此，在加州大學舊金山分校（University of California, San Francisco， UCSF）建立獨立實驗室的詹姆斯希望能在體外重現(xiàn)肌動蛋白與肌球蛋白相互作用的生理過程（詹姆斯后于1977年搬到了斯坦福大學結(jié)構生物學系）。
為了實現(xiàn)這個目標，詹姆斯率領團隊在十年的時間里嘗試了包括粗糙脈孢菌（Neurospora crassa）、釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）、黏菌（Physarum polycephalum）、盤基網(wǎng)柄菌（Dictyostelium discoideum）等在內(nèi)的許多體系。
在最初的嘗試中，黏菌是最被詹姆斯寄予厚望的實驗體系，詹姆斯的博后瑪格利特·克拉克（Margaret Clarke）成功從黏菌中純化出了肌球蛋白，并且黏菌的肌動蛋白與細胞膜緊密相連，使得研究者可以相對容易地分離出結(jié)合聚苯乙烯珠子的肌動蛋白。詹姆斯團隊試圖通過珠子將肌動蛋白固定在玻璃上，然后向其中加入結(jié)合了肌球蛋白的珠子和提供能量的ATP，希望能觀測到肌球蛋白-珠子在肌動蛋白上的定向移動。[13-15]
遺憾的是，直到1982年開始學術休假的邁克爾加入團隊的時候，詹姆斯團隊依然沒有成功建立起這一體外重組體系。
人們事后分析認為，詹姆斯團隊前期失敗的原因很可能是固定在玻璃板上的肌動蛋白朝向各異，導致只能觀察到肌球蛋白-珠子的一些無規(guī)則運動。
邁克爾嘗試利用麗藻（Nitella axillaris）建立詹姆斯團隊長期希望實現(xiàn)的體外重組體系。
結(jié)構生物學家施一公在給清華生科院的本科生上課時曾經(jīng)說過，實驗所選用的體系之于生物學研究，正如引擎之于汽車，體系如果用對了，往往能達到事半功倍的效果。
對于建立體外肌動滑動模型這一特定的生物學問題，邁克爾幸運地選擇了合適的實驗體系：麗藻的大節(jié)間細胞（giant internodal cell），這種細胞的葉綠體緊緊貼在細胞壁上，成排的肌動蛋白整齊地依附在葉綠體上（每排葉綠體平均含有5排肌動蛋白），而光學顯微鏡下看到的每排肌動蛋白絲含有上百個肌動蛋白分子，排列得宛如閱兵的方隊一般整齊，仿佛只等待著研究者去檢閱。
通過顯微鏡，邁克爾見證了這一細胞內(nèi)的生命奇觀，并將其應用于回答自己的科學問題上——神奇至極，這一次，詹姆斯團隊第一次在體外體系看到了肌球蛋白-珠子在肌動蛋白上的定向移動！[16]
1983年5月5日，邁克爾和詹姆斯在《自然》雜志與全世界分享他們成功建立出重組肌動滑動體系的喜悅。
這場科學的勝利，麗藻功不可沒。
麗藻節(jié)間細胞：完美的體系！（圖源：參考文獻 16）
烏賊，厄爾尼諾以及驅(qū)動蛋白的發(fā)現(xiàn)
1982年邁克爾利用麗藻成功建立體外重組體系的消息，震動了他們實驗室樓下的一位23歲的研究生，羅納德·韋爾（Ronald Vale）。
羅納德此時在Eric Shooter教授的指導下研究神經(jīng)生長因子如何激活神經(jīng)生長因子受體的生物化學機制。他在研究中不禁思考：對于神經(jīng)元而言，在樹突附近的信號激活是如何將特定的物質(zhì)從胞體（神經(jīng)元的細胞核）“遠行千里”（對于細胞而言的確如此?。┻\輸?shù)捷S突的末端呢？如果把一個神經(jīng)元細胞想成中國地圖的話，那么那個將物品廣州運到內(nèi)蒙古的“快遞員”是誰呢？[17,18]
羅納德立刻想到，邁克爾利用麗藻細胞揭示的機制在神經(jīng)元中可能同樣適用——即神經(jīng)元中快遞運輸?shù)摹拌F路”就是肌動蛋白，肌球蛋白就是細胞中勤勉的“快遞小哥”！
激動的羅納德立刻找到了樓上的邁克爾，想同他一起揭曉神經(jīng)元中“快遞傳輸”的分子機制。
這一次，他們所選用的研究體系是為現(xiàn)代生理學立下過汗馬功勞的烏賊巨大軸突。
這一年羅納德23歲，邁克爾36歲。下面就以小羅和小麥稱呼他倆吧。
天公作美，就在同一年，伍茲霍爾海洋研究所（Woods Hole Marine Biological Laboratory）的Robert Allen和Shinya Inoue獨立地開發(fā)出能將顯微鏡圖像呈現(xiàn)在電子屏幕的技術，大大解放了研究者觀察記錄的負擔。并且Robert Allen團隊用此技術成功地觀察到烏賊巨大軸突中顯著的軸漿運輸過程。[19-21]
經(jīng)過討論，小羅和小麥設計了如下實驗：他們計劃將麗藻模型依葫蘆畫瓢，將烏賊巨大軸突的肌動蛋白分離出來，加入肌球蛋白-珠子，期望能觀察到珠子的定向移動。
懷著激動的心情，小羅向隸屬于斯坦福大學海洋實驗室的霍普金斯海洋監(jiān)測站（Hopkins Marine Station）打電話請求他們從海里打撈一些烏賊作為實驗材料，對方爽快地答應了。
經(jīng)過億萬年演化形成的胞內(nèi)物質(zhì)運輸?shù)姆肿訖C制，即將在人類面前被揭曉！
天將降大任于斯人之前，總是要先制造一些波瀾。
小羅和小麥就算是天選之子，也不能夠例外。
距小羅給霍普金斯海洋監(jiān)測站打電話過去了幾個月時間，他們始終沒有收到對方寄來的烏賊，也沒有收到任何電話通知。
苦苦等米下鍋的小羅終于忍不住了，于是在1983年的6月?lián)芡撕Ｑ蟊O(jiān)測站的電話。
“我?guī)讉€月前曾經(jīng)請求過請你們幫忙捕撈一些烏賊，請問你們不會是忘記了吧？”
“沒有呀！可是我們今年確確實實捕捉不到烏賊。”
這到底是怎么回事呢？烏賊怎么會突然抓不到了呢？
關注全球氣象變化的讀者朋友們可能知道，1983年全球經(jīng)歷了嚴重的厄爾尼諾現(xiàn)象，后果之一就是加州西海岸的海洋溫度上升，導致烏賊離開海岸到溫度更低的海域，該年度烏賊捕撈量呈現(xiàn)斷崖式下跌！[21]
加州烏賊捕撈量在1983年由于厄爾尼諾現(xiàn)象呈斷崖式下跌。（圖源：參考文獻 22）
巧婦難為無米之炊，沒有實驗材料，這實驗還怎么做呀？
小羅和小麥執(zhí)著地希望能用實驗檢測自己的想法。既然加州的西海岸今年捕不到烏賊，那就到有烏賊的地方去做實驗。
于是在1983年的夏天，他倆來到了位于東海岸的伍茲霍爾海洋研究所。
剛剛抵達伍茲霍爾海洋研究所，翻開最新一期《自然》雜志的兩人都感到仿佛有一塊冰滑入了自己的胃里：英國MRC實驗室的研究者，報道了幾乎與他們計劃中完全相同的實驗，只不過所用的實驗材料不是烏賊，而是螃蟹。[23]
還沒來得及搬磚就被人在《自然》上搶發(fā)了？（圖源：參考文獻 23）
剛剛千里迢迢從西海岸來到東海岸，還沒開始動手就發(fā)現(xiàn)自己設計的實驗已經(jīng)被其他人先一步在《自然》雜志搶發(fā)了。
小羅和小麥的心情在這一天跌落到了谷底。難道就此收拾行李打道回府嗎？
仔細閱讀了英國團隊的這項研究后，他們發(fā)現(xiàn)此研究所使用的珠子與他們實驗設計的不同，是不結(jié)合肌球蛋白的塑料珠，并且也沒有對所觀察到的不含有肌球蛋白結(jié)合的珠子運動從機制上給出明確的解釋。也就是說，現(xiàn)在開始在烏賊的體系下用肌球蛋白-珠子做實驗追趕進度，依然很有價值。
經(jīng)過了一番折騰，小羅和小麥終于做了他們在幾個月前計劃的實驗。但實驗的結(jié)果卻令他們大跌眼鏡：被寄予厚望的肌球蛋白-珠子實驗組沒有表現(xiàn)出定向的移動，而沒有結(jié)合肌球蛋白，被用作陰性對照的珠子卻表現(xiàn)出定向的移動！
令人費解的結(jié)果（圖源：參考文獻 24）
面對如此費解的結(jié)果，聰明如小羅和小麥也感到一籌莫展。
他們重新回顧了他們的假設模型，仔細思索自己的實驗設計哪里可能存在問題。
聰明的讀者朋友們也許已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，他們假設自己從烏賊巨大軸突分離出的纖維束的主要成分是肌動蛋白，因此預測肌球蛋白-珠子能與之結(jié)合進而在纖維束上作定向運動。但假若這些纖維束的成分不是肌動蛋白呢？
伍茲霍爾海洋研究所的Bruce Schnapp和Thomas Reese給予了小羅和小麥很大的幫助。為了鑒定小羅和小麥分離出的纖維束是否為肌動蛋白，他們進行了電鏡成像實驗。實驗結(jié)果清晰地顯示——這些纖維束根本不是肌動蛋白的結(jié)構，而很可能是微管蛋白！[25]
這一結(jié)果令小羅和小麥激動異常：纖維束是微管蛋白！這是否意味著在烏賊軸漿運輸中存在一套全新的分子機制？
他們在逐步走近自然的真相。
小羅和小麥從烏賊巨大軸突分離出的“肌動蛋白”未必是肌動蛋白，而實際是微管蛋白。（圖源：參考文獻 25）
小麥，Thomas Reese，Bruce Schnapp和長發(fā)的小羅。（圖源：參考文獻 26）
1983年的8月，小羅和小麥試圖在體外重組出微管蛋白介導的軸漿運輸過程。
他們將純化出的烏賊微管蛋白、細胞器組分、ATP加在一起，沒有觀察到軸漿運輸；
他們將純化出的烏賊微管蛋白、細胞器組分、ATP、細胞質(zhì)基質(zhì)中的水溶性組分加在一起——奇跡發(fā)生了，細胞器囊泡在玻璃片上有序地移動起來！[27]
這意味著，細胞質(zhì)基質(zhì)水溶性組分中包含一種與肌球蛋白功能類似的全新分子馬達。
接下來的工作重點，就是希望用生化的手段從細胞質(zhì)基質(zhì)水溶性組分中包含的上百個蛋白分子中找出那一個全新的分子馬達。
伍茲霍爾海洋研究所的夏天熙熙攘攘，十分熱鬧。到了冬天，這里就變得如同修道院一般肅穆寂寥。
1983-1984年的這個冬天，就在安靜的伍茲霍爾海洋研究所，烏賊巨大軸突的細胞質(zhì)基質(zhì)水溶性組分通過了一個個柱子被逐步分離成單一組分。終于，在經(jīng)過一個羥基磷灰石層析柱的洗脫之后，能引發(fā)細胞器在微管蛋白上運動的純凈組分終于現(xiàn)出了廬山真面目：聚丙烯酰胺電泳圖上清晰的兩個條帶：大的在110kDa附近，小的在65kDa附近。[28]
千呼萬喚始出來，驅(qū)動蛋白（Kinesin）就此從人類知識盲區(qū)的迷霧中露出了它的神秘面龐。
12年以后，已經(jīng)是UCSF藥理系主任的羅納德解析了驅(qū)動蛋白的晶體結(jié)構：包含兩條重鏈和兩條輕鏈。重鏈對應的就是他當初在電泳膠圖上看到的100kDa大小的條帶；輕鏈對應的則是那條65kDa左右的條帶。[29]
驅(qū)動蛋白后續(xù)被研究者發(fā)現(xiàn)是一類非常大的蛋白超家族，在眾多細胞生物學事件和疾病過程中發(fā)揮關鍵作用。[30]
2006年，驅(qū)動蛋白這位細胞中的“快遞小哥”拖動細胞中“快遞物件”的視頻被哈佛大學的研究者做成了生動的動畫，成為了現(xiàn)代細胞生物學的標志。
筆者在高一時第一次看到這個視頻，立刻被細胞內(nèi)部的美所震驚，對生物學研究興趣大增，如今在接受細胞生物學博士研究生的科研訓練。
驅(qū)動蛋白家族成員眾多（圖源：參考文獻 30）
（圖源：The Inner Life of the Cell (2006) Harvard Biology）
新的征程
光陰荏苒，當年意氣風發(fā)的小麥如今已經(jīng)年逾古稀。但依然奮戰(zhàn)在科研一線。不同于專注闡釋驅(qū)動蛋白結(jié)構和功能的羅納德，邁克爾在包含囊泡內(nèi)吞過程中的膜張力變化、整合素感受蛋白互作張力在內(nèi)的多個領域都有涉獵，其中對于生物力學的關注是他幾十年來的一條研究主線。[31-34]
在發(fā)現(xiàn)驅(qū)動蛋白后不久，邁克爾·希茨將實驗室搬到了圣路易斯的華盛頓大學，隨后又來到杜克大學醫(yī)學院擔任系主任。他于1990年起受聘哥倫比亞大學講席教授。2009年，他在新加坡國立大學牽頭建立了生物力學研究所并任教授。2019年5月，他受聘德克薩斯大學醫(yī)學部韋爾奇講席教授。
2012年，邁克爾·希茨、詹姆斯·斯普迪赫和羅納德·韋爾憑借他們對于分子動力蛋白的工作被授予拉斯克基礎醫(yī)學獎。
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