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。

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《那個令人心動的時代──分子生物學》

《那個令人心動的時代──分子生物學2》

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DNA、RNA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DNA與RNA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。DNA與RNA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DNA與RNA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 Sciences, 101(40), 14323–14325.

2.      Weatherall, D. J. (2001). Towards molecular medicine; reminiscences of the haemoglobin field, 1960-2000. British Journal of Haematology, 115(4), 729–738.

3.      Williams, P. (2005). Max Perutz, a Nobel Prize Winner, and Alain Marengo-Rowe. Baylor University Medical Center Proceedings, 18(2), 138–140.