TOR：開啟研究細(xì)胞生長代謝的大門 ｜ “諾獎值得”系列
mTOR通路發(fā)現(xiàn)的過程中做出重要貢獻(xiàn)的三位科學(xué)家（從左至右）：邁克爾·霍爾、約瑟夫·黑特曼、斯圖亞特·施賴伯
mTOR 是細(xì)胞感知與響應(yīng)外界營養(yǎng)狀況、調(diào)控細(xì)胞能量與物質(zhì)代謝、關(guān)乎細(xì)胞生長存亡的重要信號通路，其調(diào)控異常與腫瘤、糖尿病、神經(jīng)退行性疾病等密切相關(guān)。目前，許多靶向這一信號通路的藥物已經(jīng)顯示出了顯著療效。
在mTOR通路發(fā)現(xiàn)的過程中，邁克爾·霍爾（Michael N. Hall）、約瑟夫·黑特曼（Joseph Heitman）和斯圖亞特·施賴伯（Stuart L. Schreiber）做出了重要貢獻(xiàn)?！吨R分子》特別推出 “諾獎值得” 系列專欄，向讀者介紹那些重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)及其背后的故事。
撰文 | 計(jì)永勝
責(zé)編 | 陳曉雪
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在南太平洋東部，距離南美洲的智力共和國約3600 公里的海上漂浮著一座幾乎與世隔絕的小島，她以神秘的巨人頭雕像聞名于世，人稱復(fù)活節(jié)島（Easter island），但當(dāng)?shù)卦∶窀?xí)慣稱之為拉帕努伊島（Rapa Nui）。
圖1 復(fù)活節(jié)島 | 圖源：pixabay.com
1964年底，加拿大麥吉爾大學(xué)（McGill University）教授斯坦利·斯科利納（Stanley Skoryna）帶領(lǐng)38位科學(xué)家隨皇家海軍艦隊(duì)到復(fù)活節(jié)島進(jìn)行航海探險(xiǎn)，同時(shí)采集一些生物樣本。在這期間，斯克利納團(tuán)隊(duì)收集了島上的土壤樣本，以期能分離出一些微生物，進(jìn)而利用其代謝產(chǎn)物對抗真菌感染。十年后，科學(xué)家成功獲得了一種強(qiáng)效抗真菌化合物。根據(jù)微生物獲得的地點(diǎn)，科學(xué)家將其命名為雷帕霉素（Rapamycin）。
圖2 雷帕霉素（Rapamycin）結(jié)構(gòu)式
雷帕霉素的抗真菌效果令人驚嘆，它的副作用也很明顯，其對免疫系統(tǒng)功能有抑制作用。當(dāng)然，雷帕霉素的免疫抑制作用也并非一無是處。英國劍橋大學(xué)的羅伊·凱倫（Roy Calne）博士和美國匹茲堡大學(xué)的托馬斯·斯塔澤（Thomas Starzl）博士，成功地將雷帕霉素和其他兩種免疫抑制劑環(huán)孢素A（Cyclosporin A，主要用于肝、腎以及心臟移植的抗排異反應(yīng)）和FK506（Tacrolimus，商品名：他克莫司，分離于鏈球菌屬微生物，肝臟移植手術(shù)的首選免疫抑制劑之一）應(yīng)用于器官移植領(lǐng)域，改進(jìn)了肝臟移植的臨床手術(shù)策略。2012年拉斯科臨床醫(yī)學(xué)獎授予以上兩位先驅(qū)，以表彰他們在器官（主要是肝臟）移植領(lǐng)域做出的杰出貢獻(xiàn)。
那么，雷帕霉素是如何起到免疫抑制作用的呢？它是如何影響細(xì)胞的生理生化過程的呢？
其秘密的揭開，可以從一個(gè)叫做邁克爾·霍爾（Michael N. Hall）的科學(xué)家講起。
圖3 邁克爾·霍爾（Michael N. Hall）現(xiàn)為巴塞爾大學(xué)教授。
圖源：https://www.biozentrum.unibas.ch/news/detail/lasker-award-for-michael-n-hall
霍爾1953年出生在波多黎各的圣胡安（San Juan），在南美洲（主要是秘魯）度過了快樂的童年。
1976年，霍爾在北卡羅來納大學(xué)獲得科學(xué)學(xué)士學(xué)位，專業(yè)為動物學(xué)。在本科學(xué)習(xí)的最后一年，霍爾在馬歇爾·埃德格爾（Marshall Edgell）實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任科研助理。埃德格爾主要從事DNA調(diào)控序列的鑒定和研究工作，曾帶年輕的霍爾參加了一場在國立衛(wèi)生研究院召開的學(xué)術(shù)會議，科學(xué)家在此商議如何制定重組DNA實(shí)驗(yàn)安全操作指南。這場會議，讓霍爾對分子生物學(xué)深深著迷。
從北卡大學(xué)畢業(yè)后，霍爾來到哈德遜河畔的哈佛大學(xué)托馬斯·希爾哈維（Thomas Silhavy）實(shí)驗(yàn)室攻讀博士學(xué)位。彼時(shí)，希爾哈維實(shí)驗(yàn)室的研究重點(diǎn)是大腸桿菌的蛋白分泌機(jī)制。但霍爾覺得做這個(gè)研究方向的人太多太擁擠了，便把研究精力放在大腸桿菌的外膜蛋白（Outer membrane proteins, Omps）的合成和調(diào)控機(jī)制上。他發(fā)現(xiàn)OmpR和EnvZ蛋白共同組成一個(gè)信號系統(tǒng)來調(diào)控外膜孔蛋白OmpF和OmpC的合成。這是大腸桿菌，也是生物學(xué)上第一個(gè)雙組份調(diào)控系統(tǒng)。這種 “不走尋常路” 的做法是霍爾的一貫風(fēng)格。
圖4 EnvZ/OmpR雙組分調(diào)控系統(tǒng) | 圖源[1]
1981年獲得博士學(xué)位后，霍爾到巴斯德研究所進(jìn)行了一輪短暫的博士后研究，后到加州大學(xué)舊金山分校埃爾·赫斯克維茨（Ira Herskowitz）實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)博士后訓(xùn)練。
和讀博期間相似，霍爾沒有跟進(jìn)赫斯克維茨實(shí)驗(yàn)室的主要研究方向（酵母如何響應(yīng)外激素信號），而是選擇研究核蛋白在細(xì)胞漿合成后如何重新回到細(xì)胞核中發(fā)揮功能。當(dāng)時(shí)科學(xué)界普遍認(rèn)為蛋白入核主要依靠梯度擴(kuò)散：細(xì)胞漿合成的蛋白濃度高，自然向細(xì)胞核擴(kuò)散，如果遇到 “合適的結(jié)合物”，蛋白就留在核中，不然就重新擴(kuò)散回細(xì)胞漿。但霍爾通過一系列實(shí)驗(yàn)，證明了這些細(xì)胞核蛋白其實(shí)存在一段確定是否入核的信號序列，也就是核定位序列（Nuclear localization signal）。這項(xiàng)顛覆傳統(tǒng)認(rèn)知的發(fā)現(xiàn)于1984年發(fā)表于《細(xì)胞》（Cell） 雜志。
1987年，霍爾終于學(xué)成出山，躊躇滿志地到瑞士的巴塞爾大學(xué)組建實(shí)驗(yàn)室，獨(dú)立開展研究工作。他本想繼續(xù)尋找識別核定位序列的受體蛋白。但是研究充滿了失敗，這讓他非常沮喪。
這時(shí)，實(shí)驗(yàn)室來了一位年輕人，給霍爾的研究帶來了新的曙光。
約瑟夫·黑特曼（Joseph Heitman），1984年參加了康奈爾大學(xué)和洛克菲勒大學(xué)聯(lián)合醫(yī)學(xué)科學(xué)家醫(yī)學(xué)博士/哲學(xué)博士（Physician-scientist MD-PhD training program）培訓(xùn)項(xiàng)目，期望自己能成為一名優(yōu)秀的醫(yī)學(xué)科學(xué)家為人類健康服務(wù)。1989年完成項(xiàng)目培訓(xùn)后，黑特曼總感覺在職業(yè)生涯中還缺點(diǎn)什么：臨床技能良好，科研經(jīng)歷不足。于是，他就到巴塞爾大學(xué)霍爾實(shí)驗(yàn)室從事博士后研究。
圖5 約瑟夫·黑特曼現(xiàn)為杜克大學(xué)醫(yī)學(xué)院的分子遺傳學(xué)和微生物學(xué)系的教授。
圖源：https://gradschool.duke.edu/about/news/joseph-heitman-2018-dean-s-award-winner
黑特曼的到來 “拓展” 了霍爾實(shí)驗(yàn)室的研究范圍：從研究蛋白入核機(jī)制這種細(xì)胞內(nèi)現(xiàn)象轉(zhuǎn)移到細(xì)胞是如何感知胞外刺激信號并將其傳遞到細(xì)胞內(nèi)的。起步研究依然舉步維艱，選擇好的化合物和理想的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭陵P(guān)重要。
霍爾實(shí)驗(yàn)室一直用酵母做實(shí)驗(yàn)材料，模型算是有了?；衔镌趺凑夷?？
黑特曼的臨床經(jīng)驗(yàn)派上了用場：他從一篇發(fā)表于《自然》的文章得知，環(huán)孢素A可以應(yīng)用于真菌的研究。而環(huán)孢素A是一種在臨床用于降低器官移植排斥反應(yīng)的免疫抑制劑。黑特曼興沖沖的回到實(shí)驗(yàn)室，告訴霍爾可以研究環(huán)孢素對酵母的刺激作用，以此揭示其免疫抑制的機(jī)理。
理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)卻… …結(jié)果顯示，環(huán)孢素A和另外一種免疫抑制劑FK506的確可以抑制細(xì)胞分裂，但效果相當(dāng)溫和，并非立竿見影。研究眼看又要陷入停滯。
霍爾小組果斷選擇就地取材。他們找到了位于巴塞爾的制藥公司 Sandoz（現(xiàn)在的諾華）尋求合作。Sandoz公司的饒·默瓦（Rao Movva）正好也在尋找團(tuán)隊(duì)鑒定公司開發(fā)中的免疫抑制劑雷帕霉素的作用機(jī)制。
就這樣磕磕絆絆，對的人和對的化合物終于碰面了。
黑特曼通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雷帕霉素能將酵母的細(xì)胞周期 “禁錮” 在G1期。并且，雷帕霉素與FK506存在競爭，兩者都能與FK506結(jié)合蛋白（FK506 Binding Protein，F(xiàn)KBP）結(jié)合。缺失編碼FKBP蛋白基因FPR1的酵母對雷帕霉素有明顯的抗性。
通過進(jìn)一步的遺傳突變篩選實(shí)驗(yàn)，黑特曼鑒定出了雷帕霉素（確切講是雷帕霉素- FKBP復(fù)合物）的作用底物，并將其命名為 “雷帕霉素靶點(diǎn)”（Target of Rapamycin），也就是TOR。論文在1991年8月23日發(fā)表于《科學(xué)》雜志 [2]，作者只有三位：約瑟夫·黑特曼、饒·默瓦和邁克爾·霍爾。
圖6 1990年12月2日，黑特曼實(shí)驗(yàn)記錄本上關(guān)于TOR命名的選擇 | 圖源[3]
對于霍爾來說，TOR這個(gè)命名朗朗上口，而且容易被記住。黑特曼將其命名為TOR則是寄予更多希望：TOR在德語中是 “門” 的意思，同時(shí)，巴塞爾城位于萊茵河灣與德法兩國交界處，連接法國、德國和瑞士，是瑞士重要的門戶城市。霍爾團(tuán)隊(duì)希望TOR是細(xì)胞周期運(yùn)轉(zhuǎn)的起始點(diǎn)，開啟之門。
非常巧合的是，同在1991年8月23日，哈佛大學(xué)化學(xué)系斯圖亞特·施賴伯（Stuart L. Schreiber）團(tuán)隊(duì)在《細(xì)胞》雜志發(fā)文章報(bào)道了cyclophilin-CsA和FKBP-FK506的共同靶標(biāo)鈣調(diào)磷酸酶（Calcineurin）[4]。
確切地講，施賴伯研究生物學(xué)屬于 “半路出家”。
圖7 斯圖亞特·施賴伯（Stuart L. Schreiber）現(xiàn)為哈佛大學(xué)化學(xué)與化學(xué)生物學(xué)系教授。
圖源：https://www.broadinstitute.org/bios/stuart-l-schreiber
他在1977年從弗吉尼亞大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主修化學(xué)。而后到哈佛大學(xué)現(xiàn)代有機(jī)合成之父羅伯特·伯恩斯·伍德沃德（Robert Burns Woodward，1965年諾貝爾化學(xué)獎獲得者）和岸義人（Yoshito Kishi）實(shí)驗(yàn)室攻讀博士。1981年完成博士答辯后，施賴伯在耶魯大學(xué)謀到一個(gè)助理教授職位。在聆聽了生物物理學(xué)家阿龍·克盧格（Aaron Klug，1982年諾貝爾化學(xué)獎獲得者）和神經(jīng)生物學(xué)家埃里克·坎德爾（Eric Kandel，2000年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎獲得者）的報(bào)告后，施賴伯決定涉足生物領(lǐng)域。他的生物學(xué)研究起始與TOR并不相關(guān)，而是來自一種令人討厭的動物——蟑螂，學(xué)名蜚蠊。
施賴伯實(shí)驗(yàn)室的第一個(gè)研究生康拉德·桑蒂尼（Conrad Santini）合成了一種叫做蜚蠊酮-B（Periplanone-B）的昆蟲性激素，雌性蟑螂對蜚蠊酮-B的反應(yīng)給施賴伯留下了深刻的印象。此后的近四十年來，施賴伯將研究集中在小分子化合物引起的生物學(xué)反應(yīng)方面，重點(diǎn)是以小分子化合物做探針揭示信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和基因調(diào)控過程的化學(xué)本質(zhì)。
回到雷帕霉素和TOR。如前所述，雷帕霉素是從復(fù)活節(jié)島上的微生物中分離到的，施賴伯團(tuán)隊(duì)發(fā)揮專業(yè)優(yōu)勢，通過有機(jī)反應(yīng)合成了FK506。這也就不難理解施賴伯團(tuán)隊(duì)首先找到了FKBP-FK506的靶標(biāo)。在霍爾團(tuán)隊(duì)于真核生物酵母中發(fā)現(xiàn)TOR三年后，施賴伯團(tuán)隊(duì)在哺乳動物細(xì)胞也鑒定出了雷帕霉素的靶標(biāo) [5]，即mTOR。與酵母中的現(xiàn)象類似，mTOR的突變也可以賦予哺乳動物細(xì)胞對雷帕霉素的抗性。
圖8
到此時(shí)，科研人員還以為TOR只是調(diào)控細(xì)胞周期的一個(gè)蛋白分子。1993年底，霍爾帶著自己的新發(fā)現(xiàn)到維也納分子病理研究所作報(bào)告。細(xì)胞周期/分裂研究領(lǐng)域的頂級專家金·內(nèi)史密斯（Kim Nasmyth，2018年生命科學(xué)突破獎獲得者之一）及其團(tuán)隊(duì)就在臺下靜坐聆聽。經(jīng)過會后討論，霍爾越發(fā)覺得TOR并不是細(xì)胞周期的調(diào)控分子，而極有可能是生物大分子合成代謝的調(diào)控分子。也就是說，TOR調(diào)控的是細(xì)胞如何生長變大（Growth），而不是如何分裂增多（Division）。
霍爾團(tuán)隊(duì)隨后仍以酵母為模型研究TOR的作用機(jī)制，發(fā)現(xiàn)了TOR1和TOR2兩條獨(dú)立的信號通路。而包括斯圖亞特·施賴伯和大衛(wèi)·薩巴提尼（David Sabatini）課題組在內(nèi)的其他團(tuán)隊(duì)則進(jìn)一步揭示了mTOR的作用機(jī)制。
現(xiàn)在已經(jīng)證明，mTOR是將細(xì)胞的三大刺激（氨基酸、胰島素和能量狀態(tài)）的胞內(nèi)信號整合在一起，調(diào)整細(xì)胞生長代謝過程。mTORC1和mTORC2兩個(gè)復(fù)合物是mTOR信號的核心，有絲氨酸/蘇氨酸酶活性，能通過將下游蛋白磷酸化的形式調(diào)控細(xì)胞信號通路。mTORC1主要調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的蛋白合成過程，同時(shí)對自噬、線粒體代謝等也有影響；mTORC2主要調(diào)節(jié)細(xì)胞命運(yùn)（存活還是死亡）和細(xì)胞骨架（與細(xì)胞運(yùn)動相關(guān)）。黑特曼最先發(fā)現(xiàn)雷帕霉素將酵母 “限制” 在G1期，其實(shí)是雷帕霉素與TOR1結(jié)合后的 “副作用”。
圖9 mTOR信號 | 圖源[6]
mTOR信號通路與人體健康密切相關(guān)。研究表明，在癌癥（如乳腺癌、前列腺癌等）、神經(jīng)退行性疾病（如阿爾茲海默癥等）和II型糖尿病等疾病的發(fā)生發(fā)展過程中均存在mTOR信號通路失調(diào)。多種以mTOR為靶點(diǎn)的藥物已經(jīng)成功應(yīng)用于臨床，并收到良好的治療效果。
例如諾華公司（Novartis）研發(fā)的mTOR抑制劑依維莫司于2009年3月30日通過FDA 審批，用于晚期腎癌患者的治療；2010年10月，該藥又被批準(zhǔn)用于伴有結(jié)節(jié)性硬化癥（TS）的室管膜下巨細(xì)胞星形細(xì)胞瘤（SEGA）患者。
當(dāng)年，黑特曼給雷帕霉素靶點(diǎn)命名為TOR，期望它是細(xì)胞感受外界信號的大門?，F(xiàn)在看來，TOR作為大門可能不合適，但已經(jīng)是調(diào)控細(xì)胞生長代謝的核心分子。
致 謝
感謝北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院羅佗平老師對文章的修改建議。
制版編輯 | 盧卡斯
