撰文 | 王宗安（芝加哥大學(xué)計(jì)算化學(xué)博士）

責(zé)編 | 劉楚

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哈特爾的兩大愛(ài)好

弗朗茲-烏爾里希·哈特爾出生于1957年的西德工業(yè)城市埃森（Essen），四歲時(shí)隨父母搬遷到黑森林（Black Forest）北部的一個(gè)小鎮(zhèn)。在林野間，捉蛙捕螈，蹚溪筑壩，哈特爾度過(guò)了美好的童年。自五歲，哈特爾開(kāi)始學(xué)習(xí)樂(lè)譜，先后學(xué)會(huì)了木笛、長(zhǎng)笛和鋼琴，音樂(lè)成為了他保持終身的兩大愛(ài)好之一。另一個(gè)愛(ài)好嘛，是生物學(xué)！確切地說(shuō)，哈特爾對(duì)生物學(xué)的興趣是捕捉、收集昆蟲(chóng)，制作標(biāo)本，用顯微鏡觀察?！耙肟印?的是他的爺爺，一位業(yè)余顯微鏡大拿。進(jìn)入高中后，哈特爾找到了新的愛(ài)好：生物化學(xué)。[1]

19歲，哈特爾進(jìn)入海德堡大學(xué)（Heidelberg University）醫(yī)學(xué)院學(xué)醫(yī)。在完成必要醫(yī)學(xué)訓(xùn)練的同時(shí)，哈特爾在生物化學(xué)系進(jìn)修博士學(xué)位。期間，他發(fā)現(xiàn)肝細(xì)胞的一類(lèi)細(xì)胞器過(guò)氧化物酶體（peroxisome），可以被甲狀腺激素代謝激活并誘發(fā)大量增殖 [2]。

1985年，哈特爾的博士論文被送給慕尼黑大學(xué)的著名細(xì)胞生物學(xué)家瓦爾特·諾佩特（Walter Neupert，1939 - 2019）[3]評(píng)審。諾佩特很賞識(shí)這篇論文，邀請(qǐng)哈特爾來(lái)自己的實(shí)驗(yàn)室做博后研究—— 這成為了哈特爾人生至關(guān)重要的轉(zhuǎn)折。

對(duì)哈特爾而言，這個(gè)轉(zhuǎn)折有雙重意義。一方面，導(dǎo)師諾佩特在1986年將他派往希臘參加分子生物學(xué)暑期學(xué)習(xí)，令他結(jié)識(shí)了未來(lái)的生活?lèi)?ài)侶和科學(xué)良助瑪納吉特（Manajit）；另一方面，在諾佩特實(shí)驗(yàn)組研究線粒體吸收（import）新合成蛋白，催生了其分子伴侶的工作。

哈特爾與夫人瑪納吉特于2020年領(lǐng)取生命科學(xué)突破獎(jiǎng) | 照片版權(quán)：Miikka Skaffari

蛋白質(zhì)折疊的安芬森法則

我們先談?wù)劦鞍踪|(zhì)在細(xì)胞內(nèi)怎么折疊。

1972年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主克里斯蒂安·伯默爾·安芬森（Christian Boehmer Anfinsen, 1916 – 1995）曾這樣猜想：小的水溶性蛋白質(zhì)在生理環(huán)境條件下的天然結(jié)構(gòu)僅取決于其氨基酸序列 [4]。這被稱為安芬森法則（Anfinsen’s dogma），也被稱為蛋白質(zhì)折疊的熱力學(xué)猜想（thermodynamic hypothesis）。

安芬森法則是今日蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的計(jì)算預(yù)測(cè)的基石，說(shuō)是公設(shè)也可以，是不容置疑的、需要提前承認(rèn)的法則——在此公設(shè)框架下進(jìn)行計(jì)算預(yù)測(cè)。

安芬森本人是基于對(duì)核糖核酸酶（ribonuclease A）的研究做出上述假說(shuō)的。他觀察到，令純化的有生理活性的酶變性以至于其多肽長(zhǎng)鏈打開(kāi)（unfold），之后通過(guò)稀釋溶液降低變性劑濃度，已經(jīng)去折疊的蛋白會(huì)自發(fā)地重新獲得酶活性。這表明，酶自發(fā)地、正確地折疊回去了，即，酶的氨基酸序列足以特異性地決定其三維結(jié)構(gòu)以及酶活功能。

更明白地說(shuō)，酶的折疊不需要其它蛋白質(zhì)的協(xié)助，也無(wú)需輸入額外的能量（如ATP）。

如此簡(jiǎn)潔、明白、優(yōu)美的物理理解在當(dāng)時(shí)并不容易被接受，甚至可謂石破天驚。多年后本文的另一位主人公——亞瑟·霍里奇回憶 [5]，“安芬森得諾獎(jiǎng)時(shí)，自己與實(shí)驗(yàn)室的組員連著討論了好多天，簡(jiǎn)直讓人驚呆了，安芬森真膽大包天啊，怎么會(huì)期待讓變了性的蛋白再折疊回去、恢復(fù)功能？”

當(dāng)然安芬森法則所描述的折疊發(fā)生于所謂 in vitro（體外）實(shí)驗(yàn)條件下。在細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)折疊，即 in vivo（體內(nèi)），即使基本法則不變，情況也復(fù)雜得多得多。

大家可以想象：一個(gè)接一個(gè)的氨基酸在蛋白質(zhì)的制造工廠 —— 核糖體內(nèi)被綴鏈到一起，生成一個(gè)新的蛋白；這個(gè)新蛋白，猶如一段擠出來(lái)的牙膏，離開(kāi)核糖體，進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)（cytosol）。這個(gè)還沒(méi)有折疊的蛋白質(zhì)長(zhǎng)鏈上的一些氨基酸殘基又油又黏，另一些則又潤(rùn)又滑。油膩的殘基傾向于聚合而包埋到蛋白質(zhì)內(nèi)部，水潤(rùn)的殘基傾向于暴露朝外，與外部水溶液接觸。

現(xiàn)在問(wèn)題來(lái)了：細(xì)胞內(nèi)非常擁擠，充滿了各種折疊的、半折疊的、未折疊、甚至錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)分子，如何能保證自己的折疊不受旁邊分子的干擾呢？

發(fā)現(xiàn)折疊酶

自60年代安芬森提出蛋白質(zhì)折疊的熱力學(xué)假說(shuō)，近30年間，基石般的法則左右了整個(gè)生物學(xué)界對(duì)待蛋白質(zhì)折疊問(wèn)題的態(tài)度。哈特爾回憶 [5]，“細(xì)胞生物學(xué)家就是對(duì)蛋白質(zhì)折疊不感興趣，這是研究試管里蛋白質(zhì)自發(fā)反應(yīng)的生物物理學(xué)家和生物化學(xué)家的領(lǐng)域?！?/span>

直到80年代末，兩位年輕人的科研軌跡相互交叉。

年齡稍大的霍里奇結(jié)束兒醫(yī)住院醫(yī)師訓(xùn)練后回到耶魯大學(xué)，加入了醫(yī)學(xué)院院長(zhǎng)里昂·羅森博格（Leon Emanuel Rosenberg，1933-）的課題組。仍然對(duì)蛋白折疊心心念念的霍里奇希望能挑一個(gè)兒科病，結(jié)合當(dāng)時(shí)已有的DNA重組技術(shù)，從分子生物學(xué)角度闡明它的致病機(jī)理。他瞄上的是一種罕見(jiàn)的X染色體遺傳?。?/span>鳥(niǎo)胺酸氨甲?；D(zhuǎn)移酶（ornithine transcarboxylase deficiency，OTC）缺乏癥。OTC是一種線粒體酶。遺傳有這種致命疾病的新生兒不能正常代謝尿素，血氨增高。

霍里奇研究發(fā)現(xiàn) OTC 在細(xì)胞溶膠內(nèi)合成，然而必須要進(jìn)入線粒體，才能發(fā)揮功能。利用酵母作為載體篩查人體酶的基因突變，他發(fā)現(xiàn)一種特殊的酵母突變體能夠?qū)CT運(yùn)輸入線粒體，但是OTC卻沒(méi)有酶活。那么這時(shí)可能有兩種情況：（1）OTC其實(shí)沒(méi)有真正進(jìn)入線粒體；（2）OTC進(jìn)入了線粒體，但沒(méi)有正確折疊，因而無(wú)法發(fā)揮催化功能。

話分兩頭。此時(shí)大西洋的另一邊，哈特爾剛剛開(kāi)始研究蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的輸運(yùn)，特別是蛋白質(zhì)如何進(jìn)入線粒體。在研究過(guò)程中，哈特爾認(rèn)識(shí)到，蛋白質(zhì)必須先打開(kāi)，進(jìn)入線粒體之后再重新折疊功能狀態(tài)?！?這可不巧了嘛，霍里奇和哈特爾的研究互補(bǔ)了！

蛋白質(zhì)進(jìn)入線粒體示意圖[6]

1988年，哈特爾的導(dǎo)師諾佩特給霍里奇打了一個(gè)越洋電話?；衾锲鎺缀醴畔码娫捑腿ベI(mǎi)了飛往慕尼黑的機(jī)票。[5]

面對(duì)霍里奇帶來(lái)的結(jié)果，諾佩特和學(xué)生們盡管感到很興奮，卻依舊保持懷疑 —— 如果要證明存在一種輔助OTC折疊的蛋白質(zhì)，必須要證明 OTC 完全進(jìn)入了線粒體，因?yàn)镺TC可能在穿過(guò)線粒體膜的過(guò)程中“卡住”，而這種情況下呈打開(kāi)狀態(tài)的OTC可能會(huì)被從中切斷而失去活性?！?這時(shí)，哈特爾主動(dòng)請(qǐng)纓，自己來(lái)做這個(gè)實(shí)驗(yàn)。

僅僅幾周，哈特爾就做出實(shí)驗(yàn)結(jié)果—— OTC的確完全進(jìn)入了線粒體。這意味著，線粒體內(nèi)確實(shí)存在一種折疊酶（foldase）。哈特爾、霍里奇以及諾佩特等人于1989年在 《自然》上發(fā)表了兩篇標(biāo)志性論文 [7-8]：安芬森法則統(tǒng)治蛋白質(zhì)折疊的時(shí)代結(jié)束了。

哈特爾在32歲用了幾個(gè)星期做出了讓他在日后蜚聲科學(xué)界的工作。

文獻(xiàn) [7] 證明一種名為hsp60的線粒體內(nèi)的熱休克蛋白在進(jìn)入線粒體的蛋白的組裝過(guò)程中起關(guān)鍵作用。因?yàn)?hsp60 符合約翰·埃利斯（John Ellis）在1987年對(duì) “分子伴侶”（molecular chaperone）的定義，所以被歸納為一種分子伴侶蛋白。[9] 這篇論文的首作者鄭明媛（CHENG Ming Y.，右上角）是霍里奇的最早的研究生之一， 現(xiàn)已從臺(tái)灣省國(guó)立陽(yáng)明大學(xué)生命科學(xué)系暨基因體科學(xué)研究所退休?；衾锲嫘稳菟秊?/span> “無(wú)所畏懼的實(shí)驗(yàn)學(xué)家”。[10-11]

文獻(xiàn) [8] 則進(jìn)一步證明線粒體內(nèi)的蛋白質(zhì)折疊必須要hsp60，并且消耗ATP水解的能量。

分子伴侶：熱休克蛋白

哈特爾和霍里奇一同榮獲過(guò)許多獎(jiǎng)項(xiàng)，包括2011年的拉斯克基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究獎(jiǎng)。荷蘭遺傳學(xué)細(xì)胞生物學(xué)家、洛克菲勒大學(xué)教授蒂蒂亞·德朗厄（Titia de Lange）是二人獲得拉斯克獎(jiǎng)的現(xiàn)場(chǎng)介紹人。

德朗厄在介紹二人獲獎(jiǎng)工作時(shí)做了一段很精妙的比喻，來(lái)說(shuō)明熱休克蛋白hsp60的功能：

“哈特爾和霍里奇的工作大大加深了我們對(duì)細(xì)胞生命功能的理解，在醫(yī)學(xué)、藥學(xué)方面有廣泛應(yīng)用。幾乎所有蛋白質(zhì)在其熟化（maturation）過(guò)程中都需要分子伴侶的某種形式的參與，而幾乎所有生命體都使用 “單獨(dú)囚禁” 的方式驅(qū)策它們的一部分蛋白正確折疊。分子伴侶-輔助的蛋白質(zhì)折疊給我們提供許多洞見(jiàn)，以理解因蛋白變異而導(dǎo)致的疾病，如阿爾茨海默癥、帕金森癥、盧·賈里格癥（又稱肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥、漸凍癥）等?！?/span> [6]

Hsp60-Hsp10 分子伴侶復(fù)合體功能示意圖[12]

哈特爾的學(xué)術(shù)家譜

筆者敘述科學(xué)家事跡有一個(gè)習(xí)慣：總免不了考察他的學(xué)術(shù)家譜。哈特爾是德國(guó)培養(yǎng)的科學(xué)家，在當(dāng)前美國(guó)的生命科學(xué)整體領(lǐng)先歐洲及東亞的大背景下，追索一下他的師承脈絡(luò)，可能會(huì)給我們帶來(lái)一些有益的啟發(fā)。

哈特爾的學(xué)術(shù)生涯里先后有三位導(dǎo)師：博士導(dǎo)師、化學(xué)家、海德堡大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授 Hans Schimassek，博后導(dǎo)師、細(xì)胞生物學(xué)家、慕尼黑大學(xué)教授瓦爾特·諾佩特，博后導(dǎo)師、生物化學(xué)家、達(dá)特茅斯學(xué)院教授威廉姆·維克納（William T. Wickner）[12]。

哈特爾曾自述在諾佩特教授處的經(jīng)歷是其人生重大轉(zhuǎn)折，那么我們重點(diǎn)攀著諾佩特的師承譜系樹(shù)上行看一看。

筆者根據(jù) academictree.org、維基百科、nobelprize.org 等網(wǎng)站整理，自最左諾佩特向右顯示了學(xué)術(shù)代際繼承關(guān)系，黑色箭頭附近的紅色字體表明導(dǎo)師與學(xué)生的具體關(guān)系以及前者指導(dǎo)后者的時(shí)間。每位科學(xué)家所屬的主要領(lǐng)域?qū)懺谄渖淠晗路?。特別地，我用藍(lán)色字體標(biāo)出學(xué)生在導(dǎo)師處的主要研究方向；例如，諾佩特在其博士導(dǎo)師西奧多·布夏（Theodor Bücher）處的主要工作是研究線粒體的形成與形態(tài)。[13]

這張圖展現(xiàn)的7位科學(xué)家中，有幾位的名字格外響亮。

奧托·海因里希·瓦爾堡（Otto Heinrich Warburg）因?yàn)槠鋵?duì)呼吸酶的發(fā)現(xiàn)和研究而榮獲1931年諾貝爾生理學(xué)醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

赫爾曼·埃米爾·費(fèi)歇爾（Hermann Emil Fischer）因?yàn)槠鋵?duì)嘌呤和糖類(lèi)的合成而榮獲1902年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，但他更出名的是以其名字命名的費(fèi)歇爾投影式（Fischer projection），本科有機(jī)化學(xué)課必講內(nèi)容。

奧古斯特·凱庫(kù)勒（August Kekulé）可能更著名一些，畢竟苯環(huán)的凱庫(kù)勒式（Kekulé structure）進(jìn)入的是高中課本，甚至他的夢(mèng)（Kekulé's dream）—— 因?yàn)閴?mèng)見(jiàn)頭尾相銜的蛇（ouroboros）而想出了苦苦思索的苯環(huán)結(jié)構(gòu)，都進(jìn)入了高中教材。

阿道夫·馮·拜爾（Adolf von Baeyer）因?yàn)楹铣?/span>靛藍(lán)（indigo）而榮獲1905年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，落后于他的博士生費(fèi)歇爾，沒(méi)辦法學(xué)生太優(yōu)秀了；他還發(fā)現(xiàn)了酚酞，進(jìn)入了初中教材。 

我們可以看到，費(fèi)歇爾→瓦爾堡→布夏→諾佩特→哈特爾，他們的研究一脈相承，漸次推進(jìn)，非常連貫。瓦爾堡在博士期間細(xì)致地研究多肽分子在與呼吸有關(guān)的氧化反應(yīng)中發(fā)揮的作用和代謝機(jī)理，并且由于自己的醫(yī)學(xué)背景，使得布夏在博士期間致力于理解血紅蛋白的氧化還原反應(yīng)；進(jìn)而，當(dāng)諾佩特開(kāi)始讀博，研究細(xì)胞呼吸作用的線粒體如何形成、如何功能則成為當(dāng)時(shí)細(xì)胞生物學(xué)的研究焦點(diǎn)；接著，哈特爾恰逢其會(huì)地由對(duì)線粒體輸運(yùn)蛋白的研究發(fā)現(xiàn)分子伴侶。順理成章。