2019年10月8日 星期二

諾貝爾獎特寫:當細胞缺氧時


又到一年一度的科學界盛事──諾貝爾獎的公佈日子。今屆諾貝爾生理學或醫學獎由凱林(William G. Kaelin Jr)、特克利夫(Sir Peter J. Ratcliffe)及塞門薩(Gregg L. Semenza)三位科學家共同奪得,以表彰他們發現細胞如何感應和適應氧氣。史丹福當然要為大家介紹一下他們三位的研究對生理學以至臨床醫學的貢獻。事實上,他們的研究如史丹福從事的血液學都有相當關係。

今屆諾貝爾生理學或醫學獎的三位得獎者(來源:https://www.nobelprize.org/

醫學界很早就已經了解到氧氣水平對身體的影響,例如早在19世紀法國生理學家伯特(Paul Bert)已經發現缺氧對心血管系統的影響,又發現在高海拔低氧氣的環境生活會令人紅血球數量增加。

到了20世紀,科學家又發現了腎臟中的細胞可以偵測氧氣量,當氧氣供應減少時,腎臟中的細胞會合成一種名為促紅血球生成素(erythropoietin)的賀爾蒙,刺激骨髓製造紅血球。這是一個保償機制,在缺氧的情況下,身體需要更多的紅血球去運送更多氧氣到身體組織,作為彌補。在臨床上,有很多現象都與這個機制相關,例如慢性腎病的病人會有貧血,這是因為腎臟不能正常合成促紅血球生成素;腎細胞癌(renal cell carcinoma)的病人可能會出現高紅血球,這是因為這些不正常的癌細胞製造出過量的促紅血球生成素。

然而,缺氧的反應在生化層面上是如何運作呢?這個問題是近20-30年來藉著今屆三位諾貝爾得獎者的研究才慢慢被揭露出來。

塞門薩詳盡地研究負責合成促紅血球生成素的EPO基因。一條基因除了有直接控制蛋白質編碼的編碼序列(coding sequence)外,它附近的「側翼區」(flanking region)也是重要的區域,這個區域常包含了啟動子(promoter)或強化子(enhancer),負責調控蛋白質的轉譯。塞門薩發現了EPO基因的3‘側翼區中有一個小區域可以刺激與缺氧反應相關的基因,他把這個區域命名為hypoxia response element。這個區域能夠與兩種不同的核因子(nuclear factor)結合,其中一種可以被缺氧誘導,所以塞門薩把它稱為缺氧誘導因子(hypoxia-inducible factor,簡稱HIF)。塞門薩進一步研究發現HIF的化學結構,發現它是由HIF-1αARNT這兩部分組成。特克利夫及塞門薩都發現HIF不只可以刺激腎臟細胞的缺氧反應基因,而是能夠激活所有細胞的缺氧反應基因,似乎缺氧的反應是身體中各式各樣的細胞共同擁有的,這大大增加了科學界的興趣。今時今日,我們已知道最少有300條基因與缺氧反應相關,它們牽涉眾多的不同反應,從器官發展,到組織重生,到新陳代謝。

特克利夫又發現了HIF-1α的水平是由透過泛素-蛋白酶體(ubiquitin-proteasome)的機制所調控。當氧氣水平充足時,泛素把HIF-1α標記好,蛋白酶體把它分解。當氧氣水平不足時,泛素-蛋白酶體系統就減少分解HIF-1α,令細胞中HIF-1α含量增高,刺激缺氧反應的基因。

另一邊廂,凱林卻在做一個看似風馬牛不相及的研究──VHL基因。希佩爾-林道綜合症(Von Hippel–Lindau disease)這種罕見的遺傳性癌症綜合症便是由VHL基因突變引起的。希佩爾-林道綜合症的患者會出現各種罕見的癌症,包括腎臟血管瘤、腎細胞癌(renal cell carcinoma)、血管母細胞瘤(haemangioblastoms)以及嗜鉻細胞瘤(pheochromocytoma)等。凱林先為這基因定序,之後他又發現把正常的野生種VHL基因引進VHL基因突變的腎細胞中,便可以阻止細胞癌變,顯然VHL基因是一個腫瘤抑制基因(tumour suppressor gene)。

凱林與其他的小組合作又發現VHL基因突變的細胞中,有好幾個與HIF相關的基因都過度表現。這兩個最初看似風馬牛不相及的路徑竟然是相關的。但究竟它們怎樣互相影響呢?

特克利夫最終成功把這兩條路徑聯繫起來,發現VHL蛋白可以與HIF-1α結合,泛素E3連接酶(ubiquitin E3 ligase)以VHL蛋白為目標,為蛋白複合物標記上泛素,HIF-1α之後就會被泛素-蛋白酶體機制分解。

整個機制的最後一塊拼圖是究竟氧氣如何影響到HIF-1αVHL的結合呢?這塊拼圖最後由特克利夫及凱林破解,他們的實驗室分別報告指出HIF-1α中有脯胺酸(proline)可被酶羥化(hydroxylation),而這個生化反應本身需要氧氣,所以只會在氧氣充足的環境下才可進行。脯胺酸被羥化後,VHL就會與HIF-1α結合。這就完美地解釋了手HIF-1αVHL、氧氣與細胞缺氧反應的關係。當氧氣充足時,HIF-1α出現脯胺酸羥化(proline hydroxylation),令VHL與它結合,並被泛素-蛋白酶體機制分解。當氧氣缺乏時,HIF-1α不能與VHL結合,所以不會被分解,它在細胞中積聚,激活與缺氧反應相關的基因。

細胞缺氧反應機制的示意圖(來源:https://www.nobelprize.org/

凱林、特克利夫及塞門薩三人發現的機制非常巧妙,而且在生理學上相當最要。但這些基本生物學的知識又應用到臨床醫學中?史丹福在此舉兩個簡單的例子。

細胞對缺氧的反應原來都與癌症息息相關。試想想,惡性腫瘤需要快速增長,自然需要大量氧氣。如果腫瘤增長太快,令所需的氧氣大於供應,那麼細胞的缺氧反應就會發揮作用。HIF-1α能夠激活不同的基因去支持腫瘤的生長,例如VEGF基因就負責合成血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor),這種因子刺激血管大量生長,新生的血管為腫瘤提供氧氣與養份,為腫瘤提供了優越的生長環境。就如之前介紹的VHL基因能夠合成VHL蛋白,促進HIF-1α的降解,所以屬於一種腫瘤抑制基因。VHL基因突變令激活缺氧反應基因被持繼激活,最終引起癌症。科學家已經在針對這路徑研究新的標x藥物,這成了醫治癌症的新方向。

而氧氣反應機制的研究也革新了貧血的治療。慢性腎病的病人因未能正常地合成紅色球生成素而有慢性貧血。傳統的治療方法是注射紅色球生成素,不過近期又出然了一種革命性的新型口服藥物--roxadustatRoxadustat是一種HIF脯胺酸羥化酶抑制劑,抑制HIF-1α的脯胺酸羥化,變相抑制它與VHL結合及被泛素-蛋白酶體機制分解。負負得正,當藥物抑制了HIF-1α的分解,HIF-1α數量就會提升,促進腎臟合成促紅色球生成素。一個第三期臨床研究已經發現在不須進行洗腎的慢性腎病病人中,使用roxadustat的病人比起服用安慰劑的病人,血紅蛋白水平顯著地提升了。這是一個治療貧血的全新方向。

史丹福在此再次恭喜三位得獎者,並希望他們的研究能夠繼續促進我們對基本生理學的了解,同時也可以促進臨床醫學的進步,促進新藥的研發,造福病人。

參考資料:

1. Jelkmann, W. (2007). Erythropoietin after a century of research: younger than ever. European Journal of Haematology78(3), 183–205.

2. Chen, N., Hao, C., Peng, X., et al. (2019). Roxadustat for Anemia in Patients with Kidney Disease Not Receiving Dialysis. New England Journal of Medicine381(11), 1001–1010.

2019年10月6日 星期日

網球名將莎蓮娜的惡夢

美國網球名將莎蓮娜(來源:ubitennis.net)


有「細威」之稱的美國網球名將莎蓮娜(
Serena Williams)是史上第一位奪得網球大滿貫女單冠軍的黑人,唯一一位同時擁有單打生涯金滿貫和雙打生涯金滿貫的網球手,兼23座大滿貫女單冠軍得主,稱她為史上最出色的網球女選手也絕不為過。

然而,這位偉大的網球手原來反覆受到血栓問題的困擾,不單影響到她的比賽,更差點奪去她的性命。

話說莎連娜在獲得第四次溫布頓冠軍不久後,便不小心在餐廳中被玻璃碎片傷及腳掌。她的傷勢不輕,需要做手術處理,並在傷口上足足縫了18針,腳傷問題令她缺席了多個重要比賽。有一次,她在紐約治理腳傷後,便乘搭飛機回到洛杉磯出席奧斯卡電影金像獎的派對。誰不知她禍不單行,出席派對後又出現腳腫與呼吸困難。醫生立即為她進行檢查,而電腦掃描檢查的結果顯示她有肺栓塞(pulmonary embolism)。究竟甚麼是肺栓塞呢?

在介紹肺栓塞之前,讓我們先認識另一個與它息息相關的疾病--深層靜脈栓塞(deep vein thrombosis,簡稱DVT)。深層靜脈栓塞是指血塊在靜脈血管中形成,它理論上可以在任何靜脈血管中出現,不過以下肢最為常見。當下肢血管被血塊阻塞了,血液就會積聚著,令下肢紅腫、發熱及疼痛。

為甚麼會出現深層靜脈栓塞呢?現代病理學之父維爾肖(Rudolf Virchow)就曾經深入研究過深層静脈血栓的成因,並提出血栓形成的三大要素,分別是血流緩慢(stasis)、血管內皮損傷(endothelial damage),及血液高凝狀態(hypercoagulability),後人把這三個要素統稱為「維爾肖三大要素」(Virchow triad)。

血流的流動是影響血栓生成的重要因素,在血流緩慢的時候,血小板較易接觸到血管壁內皮,而凝血因子也較易積聚,令血栓容易形成。靜脈血液緩慢的主要原因包括長期臥床、手術、下肢骨傷及使用長途交通工具等。

當血管內皮受損時,膠原蛋白(collagen)被暴露了出來,血小板會附著在膠原蛋白上,然後被激活。另一方面,組織因子(tissue factor)也會被暴露,並激活凝血系統。最終,血小板及纖維蛋白組成血栓。這本來是個保護身體的止血機制,但當血栓過度增大時,就可能阻塞血管。創傷、手術及感染都是令血管內皮細胞受損的重要原因。

即使沒有以上提及的風險因素,有些病人始終有比較容易形成血栓的不正常傾向,我們稱之為血液高凝狀態。雌激素(estrogen)會增加血漿中纖維蛋白原與凝血因子的水平,因此雌激素水平高的女士有較大機會得到靜脈栓塞,常見的情況包括懷孕及服用口服避孕藥等。 某些腫瘤,尤其是胰腺、卵巢和肺部的腫瘤會使血中的促凝物質含量升高,所以癌症病人也較易得到静脈血栓。

先天性的基因變異也可以導致血液高凝狀態,例如C蛋白(protein C)、S蛋白(protein S)及抗凝血酶(anti-thrombin)的缺憾。這三種蛋白質都是人體中的天然的抗凝血物質,C蛋白及S蛋白會抑制凝血因子VVIII,而抗凝血酶則會抑制凝血酶與凝血因子X。這些抗凝血物質與凝血物質就像天坪的兩邊一樣互相平衡,當天然抗凝血物質因基因突變而出現缺憾,平衡被打破,天坪傾了向凝血的一邊,增加形成血栓的機會。

深層靜脈栓塞如果只是居限在下肢,那麼除了引起紅腫與疼痛,及可引起靜脈功能不全及靜脈曲張外,本身並無太大殺傷力。只不過栓子可以脫離下肢的靜脈,隨著血液循環走到肺部,阻塞肺動脈,引起肺栓塞,這就致命得多了。肺栓塞令受影響的肺部組織無法正常進行氣體交換,無法排出二氧化碳吸收氧氣,使患者出現呼吸困難、胸痛。嚴重的肺栓塞甚至會影響血液回流至左心房,進而影響心臟泵血至全身,導致低血壓、休克,甚至死亡。

深層靜脈血栓及肺栓塞會導致D-二聚體(D-dimer)的升高。D-二聚體是一種很有趣的生物化學指標,它是纖維蛋白降解時產生的物質。化驗室可以透過測量D-二聚體來幫助診斷偵測深層靜脈血栓及肺栓塞。

不過D-二聚體有一個缺憾,就是它太敏感了,不只是血栓,而且不論是感染、發炎、手術、創傷,都可以令這指標升高,所以檢查的假陽性比率很高。當年我讀醫時血科教授曾經很幽默地打趣說到,即使用摺凳打我們,都足以令D-二聚體上升。既然這檢查有如捕風捉影,莫名其妙的也會升高,那它不是很沒用嗎?那倒也不是,雖然D-二聚體陽性可以告訴我們的資訊並不多,但正正由於它非常敏感,如果它是陰性的話,醫生就可以很有信心地排除血栓了。

然而,要準確地診斷深層靜脈血栓及肺栓塞,醫生始終要依靠醫學成像的方法,包括使用多普勒超聲波(Doppler ultrasound)去偵測下肢靜脈的血栓及使用顯影電腦掃瞄(contrast computer tomatography)去偵測肺部的血栓。

深層靜脈栓塞及肺栓塞的患者必須服用抗凝血藥物去阻止血塊進一步增長,而嚴重肺栓塞的患者更需要注射血栓溶解劑(thrombolytics)去快速消減血栓,但血栓溶解劑會大大增加病人出血的風險,其中以腦出血的風險最令人擔憂,所以醫生只會在非常嚴重的肺栓塞時才會使用,並且會密切監察病人使用後的情況。

莎連娜因腳傷而減少活動,近期做過手術,加上剛乖搭飛機從紐約到洛杉磯,以上幾個都是靜脈血栓的風險因素,這就足以解釋她的病因。

莎連娜經過適當的治療後,身體續漸康復,網球事業亦都更上一層樓。2017年,她更揭開人生的新一頁——她懷孕了。而更令人驚嘆的是,她竟然在懷孕時贏得澳洲公開賽冠軍!這個成績令人拍案叫絕。懷孕當然是喜事,但同時也是件危險的事,因為莎連娜之前曾經有過靜脈血栓的病歷,所以在懷孕時候特別高危。一來,懷孕時雌激素上升,令血液易凝。二來,懷孕時胎兒會壓著盤腔中的靜脈,影響血流。

因為莎連娜的血栓病歷,醫生都嚴陣以待,她需要在懷孕期間使用抗凝血藥物預防血栓復發。醫生之後了為她進行剖腹生產,由於生產時流血的風險太高,她必須暫時停用抗凝血藥物。然而,剖腹生產之後,莎連娜感到胸口疼痛、呼吸困難。醫生為她安排了電腦掃描,非常不幸的,證實她再度得了肺栓塞。

治療的方法是使用治療劑量的抗凝血藥。不過她的病情很複雜,肺栓塞導致嚴重的咳嗽,最後竟令她剖腹生產的傷口破裂,醫生為她安排手術修補,發現傷口處出現血腫,顯然是因為抗凝血藥令她的出血風險大增。這時,情況陷入了一個醫學上的兩難局面,莎連娜的血栓與出血的風險都很高,繼續使用抗凝血藥會令她的傷口流血不止,停用抗凝血藥又阻止不了深層靜脈栓塞的蔓延及走到肺部。怎麼辦呢?

幸好,醫生還有最後一個殺著——下腔靜脈濾器(inferior vena cava filter)。下腔靜脈濾器是一個特殊的金屬裝置,形狀就像一把撐開的雨傘,負責過濾血液,把脫離下肢靜脈的血栓擋住。醫生利用手術的方法把下腔靜脈濾器放入下腔靜脈(inferior vena cava)中,由於下肢及盆腔的靜脈血液都必須經過下腔靜脈回流到心臟,下腔靜脈濾器就像是一個「中央過濾器」,可以有效地隔住栓子,防止它們走到肺部。下腔靜脈濾器讓莎連娜可以暫停抗凝血藥之餘又避免了栓子繼續走到肺部的風險,是一個巧妙絕淪的方法。

莎連娜最後大難不死,母子平安。然而,並不是每個病人都如此幸運,可以走出鬼門關。根據美國疾病控制與預防中心(Centers for Disease Control and Prevention 的數據顯示,每年在一千人中會有一至兩人患上深層靜脈血栓,而超過一成患者會在確診深層靜脈血栓的一個月內身亡。肺栓塞是繼心臟病及中風之後第三常見的心血管疾病。有研究數據顯示,美國一年有高達30萬人死於肺栓塞,每年死於肺栓塞的病人比死於愛滋病、交通意外與乳癌的病人的總和還要多。亞洲人雖然較少機會患上靜脈血栓,不過本土研究數據顯示,每年在十萬人中會有16.6 人患上靜脈血栓,這也是非常值得我們留意的。

參考資料:

1. Rathbun, S. (2009). The Surgeon General’s Call to Action to Prevent Deep Vein Thrombosis and Pulmonary Embolism. Circulation119(15).

2. Tapson, V. F. (2008). Acute Pulmonary Embolism. New England Journal of Medicine358(10)

3. Wikipedia

2019年9月29日 星期日

貨幣上的科學家與數學家


除了國旗之外,史丹福覺得另一個可以反映國家文化質素的指標就是它的貨幣。任何國家都會理所當然地把自己最引以為傲的事物印在紙幣上。某個鄰近香港的國家把史上殺人最多的獨裁者印在自己的貨幣上(希特拉殺了1700萬人,史太林殺了2300萬人,那個鄰國最愛的獨裁者卻殺了7800萬人),可見這個國家所擁戴的價值是多麼的低等。不過,其他大部分的國家都會選擇把值得人尊敬的偉人印在貨幣上,其中有不少是數學家或科學家。這體現了一個國家或民族對科學的極大尊重。

英國在7月宣布將推出新的50英鎊鈔票,上面將會印上被譽為「電腦科學之父」的數學家圖靈(Alan Turing)。 1936年,還是24歲的圖靈發表了經典論文《論可計算數及其在判定問題上的應用》,提出的著名「圖靈機」,利用機器來模擬人們用紙筆進行數學運算的過程,這成為了電腦科學及計算理論的數學基礎。

即將發行的新50英鎊鈔票上印有圖靈的肖像(來源:Bank of England)


圖靈除了對數學及電腦科學的巨人外,又是位戰爭英雄。他最為人所知的事蹟是在二次大戰時利用數學與計算機技術發明了解密機去破解德軍的Enigma密碼,徹底扭轉了戰爭的局面。圖靈在戰後卻因為同性戀而被英國政府控告,及強迫他接受女性賀爾蒙注射,最後他在1954年因吃了浸過氰化物的蘋果而死。很多人相信他是自殺,也有人認為他的死是意外,這到現在仍是個謎團。2013年,英女王伊利沙伯二世終於赦免了他的定罪。現在英國更把他的肖像印在新鈔票上,也可算是一個遲來的平反。圖靈的一生非常具戲劇性,他的故事也曾被改篇成電影《解碼遊戲》,後來電影更獲得了奧斯卡金像獎最佳改篇劇本獎。電影非常精彩,劇力萬鈞、高潮迭起,史丹福非常推薦大家看看。

現在流通的日本1000円鈔票上印有野口英世的肖像(來源:Wikipedia)


日本是港人最愛的旅遊地區之一,大家都應該見這張1000円的日本紙幣,但大家又知不知道上面的肖像是誰?他是日本的著名細菌學家野口英世,他成功地從患有梅毒性腦病的病患腦組織中分離、培養出梅毒螺旋體(Treponema pallidum),證實這是發病的根源,更因而被多次提名諾貝爾獎,奈何他始終沒有機會正式得獎。為了紀念他的貢獻,日本現在的1000円紙幣就印有他的肖像。不過野口英世的研究也有不少不準確的地方,例如他堅信黃熱病的致病體是螺旋菌,現在我們卻知道是由病毒引起的。

即將發行的新日本1000円鈔票上印有北里柴三郎的肖像(來源:Wikipedia)

今年4月日本財務省又宣布會在 2024 年發行全新紙幣,其中1000円紙幣上的人物肖像會改成野口英世的師父北野柴三郎。現代細菌學有兩大始組,一位是法國的巴斯德(Louis Pasteur),另一位是德國的科赫(Robert Koch)。北野柴三郎師承科赫,作為現代細菌學始組的弟子,他的成就當然也相當高。北里柴三郞在跟隨科赫學習的期間發現及培養出破傷風梭菌,並發明了破傷風抗毒素。之後他又聯同貝林(Emil von Behring)發明了白喉抗毒素。貝林因此獲得了第一屆諾貝爾生理學或醫學獎,但奈何諾貝爾委員會卻遺留了同樣獲提名的北里柴三郎,也許是因為當年的歐洲人普遍看不起亞洲人,覺得第一屆諾貝爾獎這樣大的一個榮耀不應該給予亞洲人。 之後北里柴三郞回到日本後設立了研究所,培育微生物學的研究人員。

因發現伊維菌素(ivermectin)而獲得2015年諾貝爾生理學或醫學獎得主大野智就是來自以北野柴三郎命名的北里大學。不少日本人都認為這是代北里柴三郎達成了他的悲願。

紐西蘭雖然不是傳統的科學強國,但其100元鈔票上卻所有大名鼎鼎的「原子核物理學之父」盧瑟福(Ernest Rutherford)的肖像。盧瑟福是紐西蘭人,之後到了英國劍橋大學的卡文迪許實驗室做研究。盧瑟福因發現αβ射線,並證實放射性涉及從一個元素到另一個元素的遷變而獲得1908年的諾貝爾化學獎。但值得一提的是盧瑟福其實對獲獎不太高興,因為他自認是一位物理學家而不是化學家,他覺得自己應該得的是物理學獎而不是化學獎。

紐西蘭100元鈔票上印有盧瑟福的肖像(來源:Wikipedia)

不過對大眾來說,盧瑟福最著名的成就應該是它利用α粒子照射薄金箔紙的實驗,這是個高中物理學課程都有教授的著名實驗。它發現出實驗中的α粒子可以被大角度散射,他非常驚訝,形容為「如同你用15吋巨砲朝著一張衛生紙射擊,而炮彈卻被反彈回來而打到你自己一般地難以置信」。最後他提出「盧瑟福原子模型」,指出原子是由帶正電的原子核與帶負電的電子組成,原子核的佔了整個原子大部份的質量,而電子圍繞著原子核旋轉。

瑞士的1976年推出的第6系列10瑞士法郎舊鈔票中就印有數學家歐拉Leonhard Euler的肖像。歐拉毫無疑問是史上最偉大的數學家之一,歐拉非常多產,研究的範圍覆蓋了代數、幾何、數論、微積分、圖論和拓撲學,甚至是物理數學上都有不少突破性的研究,可以說是支配了18世紀至現在的數學。 史丹福就曾經寫文章介紹過他其中一個發現──歐拉線(《DSE試題中的「歐拉線」》及《再談DSE試題中的「歐拉線」》)。。歐拉28歲時右眼失明,59歲後左眼也慢慢失去視力。但在他失明的19年間,他依然以驚人的毅力與非凡的才智去從事數學研究,完成400多篇數學論文。他的一生共完成860多篇論文,後人為他出版的作品集紀錄他的數學研究,竟然足足出了72集。

瑞士舊10法朗鈔票上印有歐拉的肖像(來源:Wikipedia)



熟悉數學的朋友在讀到歐拉定理/方程/公式時都總會有些微妙的感覺,因為以歐拉命名的定理/方程/公式實在太多了,有時候實在需要思考一下才意會到所指的是那一個定理/方程/公式。為了避免有太多數學發現都以歐拉命名,有些數學發現干脆以歐拉之後第一個證明的人來命名好了。

瑞士200法朗鈔票上印有大型強子對撞機紀錄到的粒子碰撞信號(來源:Wikipedia)


瑞士現在使用的紙幣已經再沒有印上人像了,所以自然也沒有再沒有歐拉的肖像了。不過現在流通的200瑞士法朗的貨幣卻印上了瑞士日內瓦近郊歐洲核子研究組織CERN大型強子對撞機(Large Hadron Collider)紀錄到的粒子碰撞信號。大型強子對撞機就是發現俗稱「上帝粒子」的希格斯玻色子(Higgs Boson)的粒子加速器。可見瑞士人始終以自己對數理科學的貢獻而驕傲。

自從歐洲各國於1999年正式推行歐元之後,各個歐洲國家都沒有再使用自己印刷的貨幣了。但其實在此之前,很多歐洲國家的紙幣上都印上了名震天下的科學家或數學家。

1989年德國推出的貨幣系列中印有兩位大名鼎鼎的數理巨星。10馬克鈔票上的有「數學王子」之稱的數學家高斯(Carl Friedrich Gauss),而200馬克貨幣上的則是研究免疫學及血液學的偉大科學家埃爾利希(Paul Erlich)。

高斯自幼已是一位數學天才,在9歲的時候已經以巧妙的方法計算到小學老師給他的數學難題1 + 2 + 3 + … + 10019歲的高斯證明了可以用尺規作圖作出正十七邊形,同時發現了可作圖多邊形的條件。他的研究遍及代數、數論、幾何、微積分、天文學及統計學。他是繼歐拉之後又一位非常多產的數學家。德國10馬克鈔票上就印有他的肖像與他的其中一個重要發現──歐拉積分。這個發現對處理統計學中的正態分佈非常重要,史丹福都曾經在《《天賦的禮物》中的數學題》中介紹過這個數學發現。

德國舊10馬克鈔票上印有高斯的肖像(來源:Wikipedia)

埃爾利希則是免疫學及血液學的重量級人物,可能說,沒有埃爾利希就沒有現代血液學。血液中的細胞除了紅血球外,大多都本來是無色的。大家見到史丹福跟大家分享的血液抹片都是色彩繽紛的,這是因為它們經過了染色的處理。而把染色法帶到了血液學中的就是埃爾利希。他又準備地描述了幾種白血球的特性,並且為他們命名。他使用的命名方式相當準確,在經過稍稍改量之後就一直沿用至今。他的另一個重要血液學發現就是發現肥大細胞(mast cells)。他在1908年因以「側鏈理論」來解釋抗體與免疫力關係而獲得諾貝爾生物學或醫學獎。之後他又研發出世上第一種有效對付梅毒螺旋體的藥物Salvarsan

德國舊200馬克鈔票上印有埃爾利希的肖像(來源:Wikipedia)


總之,世上有很多國家都把令人尊重的科學家或數學家肖像印在貨幣上,史丹福未能一一為大家介紹了,我只能選擇其中的幾位。這些國家都展現了對科學的極大尊重,它們重視科學,並因自己的科學成就而驕傲。相較起來,那個把史上殺人最多的獨裁者印在自己貨幣上的國家,真是全無文化,一個國家竟然以這個「成就」而驕傲,完完全全反映了它的素養之低。

2019年9月21日 星期六

那個令人心動的時代 ── 分子生物學3

史丹福翻閱自己的舊文章時,發現自己在三年前寫過的《那個令人心動的時代──分子生物學》系列,當時的計劃是寫一個系列的文章,簡單介紹二十世紀四、五十年代分子生物學興起的故事。當年也許是因為反應不太理想,不知怎的就沒有繼續寫下去了。不過我翻閱自己造篇舊文章時,覺得這個故事實在很有趣,心血來潮下又很想繼續寫下去。

傳送門

之前提及,上世紀有兩個科學史上最令人心動的年代,它們分別是二、三十年代的量子力學發展期,及四、五十年代的分子生物學發展期。二十世紀初期,科學界中最聰明的頭腦都被量子力學這個花花宇宙所吸引,但量子力學之父薛丁格寫了一本名為《生命是甚麼?》的書,讓新一代的科學家知道原來生命還有很多秘密還未被揭曉。生物歸根究底都是由物理法則所控制的。一班受過高等物理學訓練的科學家意識到自己的物理學知識原來可以用來破解生命的秘密,於是他們中有不少轉投到生物學的懷抱,例如上次介紹過的克拉克,他們令到四、五十年代分子生物學研究如雨後春筍,風頭一時無兩。

分子生物學有所謂的「中央法則」(central dogma),指出遺傳信息又DNA傳到RNA再傳到蛋白質,所以DNARNA與蛋白質可以說是分子生物學的三大支柱,我們之前已經簡單地介紹過DNARNA的研究之旅,今次倒不如介紹一下第三條支柱──蛋白質的故事。

蛋白質可以說是最直接地影響生物運作的分子。DNARNA是幕後的控制者,它們躲於背後指揮蛋白質的合成。因此要徹底了解生物運作的機制,除了要研究DNARNA外,當然也不可以忽略蛋白質這個走在最前線的先鋒。

在那個令人心動的年代,最早獲得分子生物學界重視的蛋白質是血紅蛋白haemoglobin)與肌紅蛋白(myoglobin)。這兩種蛋白質對生物來說固然重要,但重要的蛋白多如恆河沙數,為何偏偏是這兩種蛋白質最獲重視呢?這當中牽涉到一個技術上的問題,讓史丹福在這裡先賣個關子,之後再詳談。

首種分子遺傳疾病的發現之旅

之前出現過的天才明星級的化學家鮑林(Linus Pauling)又將再次出場,此人是化學鏈研究的先驅,他是諾貝爾獎史上唯一一位同時獲得化學獎與和平獎的科學家,更差點搶先華生及克拉克一步發現DNA結構,雖然最後因犯了一個低等的化學錯誤而功敗垂成,與發現DNA結構的機會擦身而過,否則他可能會是史無前例,史上最強,同時獲得三次諾貝爾獎之人。

鮑林對分子生物學很有興趣,之前提及過他是首位提出蛋白質中的α螺旋結構的人。但原來他的成就遠不止於此,他更是發現首種分子遺傳疾病的人。

醫學界早於1910年已經描述了一個奇怪的血液疾病,這個疾病在非洲人中特別常見,患者的血液中出現鐮刀狀的紅血球,病人除了有溶血性貧血外,也不時會有骨骼及胸部疼痛,甚至有中風、視網膜病變、關節缺血性壞死(avascular necrosis)、腎病變、陰莖異常勃起(priapism)等併發症,影響之大遍佈全身。不過這個疾病在當時仍然是個迷,沒有人知道它的真正成因。因為血液中的鐮刀狀紅血球,這個病被稱為鐮刀型細胞貧血症(sickle cell anaemia)。

鮑林相信鐮刀型細胞貧血症是由異常的的紅血蛋白引起,他把這個課題交給了學生伊塔諾(Harvey A. Itano),嘗試找出異常紅血蛋白的特性。伊塔諾嘗試過量度質量、大小、酸鹼特性等方法,都沒有找到與正常血紅蛋白的異常之處。不過伊塔諾倒是有幾個有趣的發現。一,氧氣可以抑制患者紅血球變成鐮刀狀,而還原性物質則可以加速這過程。二,鐮刀型細胞貧血症患者的血紅蛋白中的球蛋白部分與正常紅血球的電荷稍有不同。

藉著這個發現,鮑林引領學生利用電泳(electrophoresis)的方法去分析血紅蛋白。電泳是種非常有用的化學分析方法,其原理是為混合物通上電流,如果混合物中含有不同電荷的物質,它們會在電埸中以不同的速度移動。而鐮刀型細胞貧血症血紅蛋白與正常血紅蛋白在電游下的移動特性並不同。利用電泳,他們終於發現了鐮刀型細胞貧血症血紅蛋白的異常之處──它比正常血紅蛋白多了三個正電荷。

鮑林、伊塔諾與另外兩位學生共同寫了一篇劃時代的科學論文──鐮刀型細胞貧血症,一個分子疾病Sickle Cell Anaemia, a Molecular disease),報告了他們的發現。這篇論文在1949年於科學期刊上刊登,鮑林團隊提出鐮刀型細胞貧血症血紅蛋白在電泳中發現的特性可能是由於它與正常血紅蛋白擁有不同的可電離氨基酸,這也是令到紅血球會變成鐮刀狀的原因。這是「分子疾病」一詞的首次出現,自此之後,分子生物學正式走進了醫學的殿堂。同時,這也是鮑林把物理化學方法帶進生物學的一大勝利。

鮑林及伊塔諾等人提出鐮刀型細胞貧血症血紅蛋白與正常血紅蛋白擁有不同的氨基酸,因而引起疾病,但這是那一個氨基酸的改變呢?鮑林沒有解答到這個問題。最後破解到謎題的是來自卡文迪許實驗室的英格拉姆(Vernon Ingram)。

卡文迪許實驗室是一個物理學實驗室,而且是實驗室中的明星,成立至今共有29人獲得諾貝爾獎。他的首任主管是建立了現代電磁學的馬克斯威(James Clerk Maxwell),在物理學中,他的地位高得大概可以與牛頓與愛因斯坦相提並論。之後幾任主管分別是發現氬氣及瑞利散射的瑞利(John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh)、發現電子的湯姆森(Joseph John Thomson)及發現原子中心是原子核的「原子核物理學之父」盧瑟福(Ernest Rutherford),他們三人都是諾貝爾獎的得獎者。可想而知,這個實驗室在學術界中的地位有多高。

但卡文迪許實驗室始終是一個物理學的實驗室,為甚麼之後會成為了分子生物學的聖地呢?這就要從它的第五任主管布拉格(William Lawrence Bragg)說起。不用說,他當然也是位諾貝爾獎得獎者,而且他在25歲的時候已經因X射線繞射術(X-ray diffraction)與父親一起獲得諾貝爾物理學獎。直至現在,他仍然是史上最年輕獲得諾貝爾科學獎的科學家。古語有云:「小時了了,大未必佳」,這句說話卻不適用在布拉格身上,因為他在當上了實驗室主管後又邁向了另一個學術上的高峰,他帶領了實驗室用他研發的X射線繞射術研究生物分子的結構,令實驗室成了分子生物學誕生初期的重地。

當時坐陣的科學家包括了發現DNA結構的「科學界最佳CP」華生與克拉克、分別破解紅血蛋白與肌紅蛋白三維結構的佩魯茨(Max Perutz)與肯德魯(John Cowdery Kendrew)、發現mRNA的布瑞納(Sydney Brenner)及破解胰島素的氨基酸序列,之後再發明DNA定序方法的桑格(Fredrick Sanger)。以上提及的6個人共處一實驗室,這個組合之強是百年難得一見的,就如神一般的存在,事關他們6人就共獲得了7個諾貝爾獎!桑格是史上唯一一位兩度獲得諾貝爾化學獎的人。布瑞納並未因RNA的研究而獲獎,不過之後因研究線蟲的神經網絡發育機制而獲得諾貝爾生理學或醫學獎。

話題扯遠了,讓我們回到英格拉姆的發現。英格拉姆剛到卡文迪許實驗室時,佩魯茨請他幫助為紅血蛋白加上一個重原子好讓他可以利用X射線繞射術的方法測出紅血蛋白的三維結構。英格拉姆很快便完成這個任務,於是它便有很多空閒的時間去探索自己有興趣的科學問題。桑格剛破解了胰島素的氨基酸序列,佩魯茨又建議他不妨試試利用桑格的方法去找出鐮刀型細胞貧血症血紅蛋白的氨基酸的不同。紅血蛋白比胰島素大得多,英格拉姆的做法是利用胰蛋白酶(trypsin)去分解特定的肽鍵,把紅血蛋白分解成不同的較短的肽片段,然後用色譜法或電泳的方法去找出鐮刀型細胞貧血症血紅蛋白與正常血紅蛋白的肽片段的不同。在眾多的肽片段中,英格拉姆發現只有一個片段與正常血紅蛋白有所不同,意味著鐮刀型細胞貧血症應該只由一個氨基酸的改善而引發。經過進一步的分析,他發現異常紅血蛋白β鏈的第6個胺基酸由麩氨酸(glutamic acid)變成纈胺酸(valine),謎底終於被解開了,原來一個如此嚴重的疾病只不過由一個胺基酸的改變而形成!

球蛋白雙星

1962年,華生、克拉克及威爾金斯(Marice Wilkins)因發現DNA的分子結構而獲得諾貝爾生物學或醫學獎。然而,較為少人知道的是,在同一天在瑞典斯德哥爾摩市政廳中從瑞典國王手上接到諾貝爾獎牌的,還有華生與克拉克的同事,花了畢生精力研究血紅蛋白的佩魯茨與研究肌紅蛋白的肯德魯,他們獲得的是諾貝爾化學獎。

佩魯茨先在維也納大學攻讀化學,其後在1936轉到英國劍橋大學的卡文迪許實驗室(Cavendish Laboratory)攻讀博士。在他剛進卡文迪許實驗室的時候,科學界已經知道蛋白質是生物運作的重要物質,卻沒有人知道它們的結構。佩魯茨決心用X射線繞射術這種物理學的技術破解蛋白質的結構。X射線繞射術只能夠測量結晶,而血紅蛋白是當時小數可以做到結晶的蛋白質之一。回到文初的問題,為何最早獲得分子生物學界重視的蛋白質是血紅蛋白最早獲得分子生物學界的重視呢?其中一個原因就是蛋白能否被結晶化本身就是利用X射線繞射術的技術限制。佩魯茨在學習這技術的時候,因緣際會下獲得了馬的血紅蛋白結晶。就這樣,他遇上了令他「魂牽夢繞,情繞一生」的蛋白質。那時他可不知道,他這個研究一做就做了22年。

讓我們先了解一下佩魯茨使用的X射線繞射技術。X射線是一種波,就如所有波一樣,都有繞射(diffraction)的性質,在傳播過程中經過障礙物邊時會偏離原本的傳播路線,擴展開去。這就好像我們即使隔著牆說話,牆對面的人都一樣可以聽到,因為聲波從牆的邊緣中發生繞射。同樣地,波穿過晶體中原子規則排列成的晶胞時,一樣可以出現繞射。但原子很小,大部分波的波長都比它長得多,令繞射不明顯。X射線的波長與原子大小接近,所以繞射很顯著。只要把X射線穿過血紅蛋白結晶,再觀察繞射圖案,佩魯茨就可以得知血紅蛋白中原子的相對位置。佩魯茨的目標是把弄清每個原子的精確位置,得出它的三維結構。說易行難,血红蛋白分子大約有12,000個原子,而且當年並沒有先進的電腦幫手,佩魯茨的計算工作只能依靠人手及原始的計算工具。佩魯茨發明了考妙的同晶置換法(isomorphous replacement),把汞原子(mercury)這種重原子加到紅血蛋白分子中,去解決測量時遇到的「相位問題」(phase problem)。佩魯茨把22年的時間貢獻了給同一個科學問題,這種堅毅不屈簡直可以稱得上是現代的愚公移山。

佩魯茨與他的紅血蛋白結構模型(來源:Life Sciences Foundation)

佩魯茨開始了自己研究的十年後,肯德魯又加入了研究。佩魯茨把較為簡單的肌紅蛋白分子交給肯德魯探索,肌紅蛋白的大小只有紅血蛋白的四分之一,應該是更為容易的。肯德魯利用X射線繞射技術在1957年破解了肌紅蛋白分子的三維結構。

佩魯茨與肯德魯一起觀看他們的蛋白結構模型(來源:Medical Research Council)

佩魯茨在三年後描述了紅血蛋白在5.5 Å解析度中的三維結構,令人驚訝的是,血紅蛋白與肌紅蛋白的結構出奇的相似,只不過血紅蛋白的大小是肌紅蛋白的四倍,彷彿就是四個肌紅蛋白組合而成。佩魯茨研究的是馬血紅蛋白,肯德魯研究的是鯨魚肌紅蛋白,所以它們的相似就顯得更神奇了,這似乎說明了這兩種蛋白質在生物演化的過程中有相同的來源。但佩魯茨的工作並未因而完結,他又繼續研究高解析度的氧合血红蛋白(oxyhaemoglobin)及脫氧血红蛋白(deoxyhaemoglobin)的三維結構。

簡單來說,紅血蛋白分子由四個亞基(subunit)組成,每個亞基都包含了一個血基質與一個球蛋白肽鏈。貯藏氧分子的地方是血基質中央有一個鐵離子,氧分子便是與此鐵離子結合。佩魯茨發現的結構可以用來解釋很多生理學與醫學上的問題,例如為何一個簡單的胺基酸改變就可以做成嚴重的鐮刀型細胞貧血症,又或者為何紅血蛋白懂得改變自己與氧結合的能力,在氧氣充足的環境中緊緊地捉實氧氣,並在氧氣缺少的環境下把氧氣盡量釋放出來。

1962年諾貝爾獎得獎者的合照,由左至右分別是威爾金斯、文學獎得獎者史坦貝克、肯德魯、佩魯茨、克拉克與華生(來源:The British Library)

佩魯茨是分子生物學誕生初期的領軍人物之一,他把一生都獻給了同一個科學問題,他的毅力可以說是科學界的典範。華生及克拉克發現DNA分子結構或多或少都有點幸運成分,因為DNA分子比較簡單,對稱性很強,但對生物運作至關重要,在學術研究的角度來說「性價比」很高。但佩魯茨破解了一個複製得多的蛋白質結構,他的成功絕對是天賦與勤奮互動出來的結果。1962年,華生、克拉克、佩魯茨與肯德魯都獲得了諾貝爾獎,這是卡文迪許實驗室輝煌的時刻,也是分子生物學掘起的最佳肯定。


資料來源:

1.      Davis, T. H. (2004). Biography of Vernon M. Ingram. Proceedings of the National Academy of Sciences101(40), 14323–14325.

2.      Weatherall, D. J. (2001). Towards molecular medicine; reminiscences of the haemoglobin field, 1960-2000. British Journal of Haematology115(4), 729–738.

3.      Williams, P. (2005). Max Perutz, a Nobel Prize Winner, and Alain Marengo-Rowe. Baylor University Medical Center Proceedings18(2), 138–140.