諾貝爾獎前奏：分子的「伴侶」

在古時的社會，道德觀念很重，男女授不親。年輕未婚少女如果到交際場合認識朋友，就必須有一位監護老年婦女負責監管及保護她們，這個監護人，法語中稱為chaperon。Chaperon一詞到今天都仍然會用到，例如我們醫護界的朋友如果想檢查女性病人，最好就請一位”chaperon”去見證整個過程，以免之後和病人有甚麼誤會，遭病人誣告我們「博懵」。

少女要chaperon，原來蛋白質也要chaperon。蛋白質是一台複雜的機器，雖然它很細少，但論複雜程度，它也許不差於你家中的電飯煲、打印機，或是冷氣機。當蛋白質剛被轉譯出來時，它只是一條無用的分子，它必須被摺疊成一個3D立體形狀，才可以發揮它的正常作用。就好像當你剛買一部打印機回家時，它也只是一部未能運作的機器，你要為它插電線、連接電腦、裝墨…… 之後它才能夠運作。

讓我們把時間推前約50年。1972年的諾貝爾化學獎得主Christian Anfinsen做過一個實驗，他把蛋白質加熱，破壞它們的立體結構，令它們變性。當溫度回復正常後，蛋白質可於不到一秒的時間折疊至原先的立體結構，不論試驗幾次，蛋白質只會回復到一種立體結構，於是他提出蛋白質分子的一級結構（即胺基酸的次序）可以決定其立體結構。蛋白質有些部分是親水的，有些部分是疏水的，它們會盡量把疏水的部分摺疊起來，令親水的部分向外，從而盡量減少疏水性部分暴露在水中，令分子變得穩定。而這個過程可以完全不需要能量，也不需要其他物質幫助下自我完成。

當然，現在我們已經知道世界並不會如此簡單。Christian Anfinsen做的實驗沒有錯，蛋白質的確可以在試管內自我折疊。但在生物體內則不然了，因為生物體內是另一個世界，細胞中有大量的不同的蛋白質，非常擠擁，它們會干擾這個過程，令蛋白質難以自我折疊。但為什麼我們體內的蛋白質仍然能夠正常地摺疊成有效的立體結構呢？當然就是因為我們這篇文章的主角──molecular chaperon（分子伴侶）。

分子伴侣的歷史起源於科學家Ron Laskey發現了一種叫nucleoplasmin的蛋白質，可以幫助DNA與組蛋白（Histone）的裝配，但它本身不會參與組裝成最後的產物。它只是降低了組蛋白上的正電荷，令蛋白質有更多的時間去裝配。但Ron Laskey沒有把這概念繼續推廣。之後史丹福大學的Costa Georgopoulos發現原來λ噬菌體要在大腸桿菌中複製，就需要groEL及groES兩種物質才能正常地裝配。另外John Ellis發現原來植物葉綠體中的蛋白質rubisco裝配時也需要一種叫rubisco binding protein的蛋白質幫忙。John Ellis認為這種蛋白質與nucleoplasmin類似，都是一種「陪伴」其他蛋白質裝配，但又不會自己加入成為最後產成物的物質，就好似古時陪伴年輕未婚少女參加交際場合的chaperon，於是他把這類蛋白質命名為molecular chaperon，分子伴侶。

但值得留意的是，我們之前談及的發現都只涉及把蛋白質不同部分的裝配，而未牽涉到更基本的摺疊。如果用我們之前打印機的比喻，把蛋白質不同部分裝配起來就好像把打印機的不同零件裝配起來，而蛋白質折疊就是直接把打印機的零件從金屬等原材料中製造出來，所以它是一個更基本，也更難研究的過程，而且它也最直接地衝擊著科學界一直相信，由Christian Anfinsen提出的蛋白質自我摺疊理論。

Franz-Ulrich Hartl及Arthur Horwich兩位科學家最後終於破解了這個問題。他們研究酵母菌中的線粒體（Mitochondrial）蛋白質，因為蛋白質必須要以未折疊的狀態從細胞質進入線粒體，之後才在線粒體中從新折疊。但他們發現在其中一些酵母菌中，蛋白質可以進入線粒體，但之後就不能折疊回正確的3D形狀。他們覺得這個現象很有意思，也許可以幫它們了解到蛋白質折疊的奧秘，於是二人做了更多的研究，並留意到這些酵母菌都有不正常的HSP60蛋白質（HSP60其實就是之前提過的groEL，不過groEL是在細菌中的版本），原來HSP60就是幫助線粒體內的蛋白質折疊的分子伴侶。

HSP60/groEL（兩者是同一種蛋白質，在動物中叫做HSP60，在細菌中叫groEL）究竟是怎樣運作的呢？

原來HSP60/groEL分子就像一個巨型的攪拌機，而另一種幫助摺疊的分子groES則很像攪拌機的蓋。看看下圖，真的很像吧？

未摺疊好的蛋白質先進入攪拌機中，之後蓋子把攪拌機蓋好，令蛋白質可以與外界隔絕，避免其他蛋白質的干擾。之後ATP會與攪拌機結合，改變它的內部結構，正式啟動攪拌機。最後ATP用完，水化成ADP，groES蓋子也會離開，蛋白質就可以離開攪拌機。折疊正式完成！

為什麼我們這麼關心蛋白質摺疊？如果蛋白質沒有摺疊好，會發生甚麼事？那些不正確摺疊的壞蛋白質就會堆積在細胞內，做成阿茲海默症（Alzheimer’s disease）、肌萎縮性脊髓側索硬化症（Amyotrophic lateral sclerosis，即大家俗稱的「漸凍人症」，即霍金有的病）等可怕的疾病。

但幸好我們身體也有很精密的機制去防止這個問題，這個機制叫unfolded protein response。一般來就，蛋白質摺疊都在細胞的內質網（Endoplasmic reticulum）中進行。兩位科學家Peter Walter及森和俊詳盡地研究了unfolded protein response，揭開了我們身體如何處理未摺疊好的蛋白質。

原來內質網中有一種名叫IRE1的分子作為探測器。當它偵測到未摺疊好的蛋白質，就會變得活躍，它會把HAC1 mRNA剪接好，然後HAC1 mRNA可以製造HAC1蛋白質。HAC1是一種轉錄因子，它可以令DNA製造更多的分子伴侶。分子伴侶進入內質網，把新把蛋白質摺疊好。如果多製造的分子伴侶仍然沒有辦法處理好多出來未摺疊好的蛋白質，IRE1會乾脆製造一種命令細胞自殺的轉錄因子，為細胞結束壯烈的一生。

有興趣的朋友可以看看以下的影片，解釋得非常好。

總之，把蛋白質摺好這個看似不值一提的簡單過程原來也牽涉到很大的學問，甚至影響到我們對腦神經退化疾病、糖尿病，甚至癌症的認識。不知道這們大學問又會否得到諾貝爾委員會的認同呢？

資料來源：

1. Horwich AL. Chaperonin-mediated protein folding. J Biol Chem 2013:288,23622-32.

2. Lorimer GH. A Personal Account of Chaperonin History. Plant Physiol 2001:125,38-41.

3. Lai E, Teodoro T, Volchuk A. Endoplasmic Reticulum Stress: Signaling the Unfolded Protein Response. Physiology 2007:22,193-201.

諾貝爾獎前奏：看見重力

今年 2 月 11 號，激光干涉重力波天文台（ Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，LIGO）正式宣布位於美國漢福德區和路易斯安那州的利文斯頓的兩台引力波探測器同時探測到了一個重力波信號。到6 月 14 號，LIGO 再發表第二個重力波的證據。這是人類史上第一次偵測到重力波，也是人類終於完整了愛因斯坦廣義相對論的最後一個缺環。這個發現震驚物理學界，甚至連傳統新聞都有報導，就連Facebook都有不少朋友轉發相關消息。自從CERN發現「上帝粒子」之後，似乎都沒有試過有甚麼科學發現是這麼令人關注的。

究竟甚麼是重力波？這個發現有甚麼重要？就先讓我們把時間倒轉到100年前。1915年，愛因斯坦發表了他的廣義相對論引力場方程。他的理論取代了傳統的牛頓力學理論。根據他的理論，重力根本不是力，只不過是質量令到時空扭曲。

但廣義相對論完全是從愛因斯坦的腦袋憑空出現，完全沒有實驗的證明。愛因斯坦於是提出了幾個方向給科學家去作實驗，又提出了幾個預言。第一個「光線偏折」的觀察由英國天文學家愛丁頓於日蝕時在非洲幾內亞灣的普林西比和南美洲巴西的索布拉進行觀測而證實。這是對廣義相對論的第一個證據，愛因斯坦因此名聲大噪。

之後的其他觀測（水星近日點進動、引力紅移）及預言（黑洞、雷達回波時間延遲、引力時間膨脹）之後都相繼得到證據支持。唯獨重力波的預言，多年來都沒有得到證據支持。

重力波其實有點像電磁波。根據電磁理論，當電荷在電磁埸中移動，就會產生電磁波。同樣道理，當質量在重力埸中移動，就會產生重力波。這個波就彷似時空的漣漪，把能量從一個地方傳送到另一個地方。

但問題是，引力波非常非常非常微小，就算超級大質量引起的信號都甚至比一粒質子還要小得多，所以一百年來，一直未有人成功測量過重力波，很多人甚至認為那只不過是數學上的玩意，我們永遠不會測量得到它。

其實在LIGO之前，也有不少科學家嘗試過測量重力波的，其中最著名的是韋伯（Joseph Weber）。它發明了一個叫韋伯棒的儀器，它的原理簡單的過分，就是一條巨大的鋁圓柱從天花懸掛下來，上面有偵測器去偵測它的振動。如果把它與外界完全隔絕，那令它振動的能量一定就是從遠處的重力波中來的。

雖然沒有人會覺得韋伯會成功，但他竟然宣稱自己偵測到重力波的訊號，而且發現得越來越多，似乎他想發現甚麼，就可以發現甚麼。他之後成了重力波的權威，但他的那些發現似乎只有韋伯自己才做到，其他人想重複實驗，都全部失敗。韋伯就指是因為自己的技術精良，其他人一定是實驗的方法不當。韋伯是科學界中的悲劇人物，科學界很快對韋伯失去了信任，儘管他一直都堅決自己是發現重力波的第一人。

之後，重力波的研究重回正軌。兩位美國天文學家Russell Hulse及Joseph Hooton Taylor發現了一組互相環繞著大家旋轉的中子星，其中一顆中子星是脈衝星，所以兩位天文學家可以很容易追蹤到他們。他們發現那兩顆星的軌道正在彼此貼近，它們在繞著大家旋轉，所以當中失去的能量，應該就是經過重力波而被帶走的。他們的觀察與愛因斯坦理論的計算吻合。這次雖然不是直接偵測到重力波，但卻是一個很重要的間接證據。

至於我們的主角LIGO，超源於1970年初期，最初由Rainer Weiss、Ronald Drever及Kip Thorne所構思及領導。LIGO 觀測站現時有兩座，分別在華盛頓州及路易斯安那州。它們是一個利用雷射光的干涉儀，可以測量極微小的距離變化。干涉儀主要部分是兩個互相垂直的長臂，每個臂長4公里，雷射光射入長臂，雷射光然後經由分束器分為兩束，並分別在兩塊反射鏡間所形成的光學共振腔中來回數百次以增加靈敏度，之後再在分束器中從新合併。當重力波經過時，干涉儀兩臂的長度會改變，而這些微小的改變雷射光間的path difference，做成干涉的圖案。這原理其實不複雜，相信大家高中的物理課都做過干涉的實驗。LIGO的科學家只要科學家分析干涉的圖案，就可以知道重力波的來臨。

由於我們需要很大很大的質量才能產生可以測量得到的重力波，例如兩個黑洞的相撞，所以LIGO運作了多年都仍然未有任何成果。直到上年9月14日華盛頓州及路易斯安那州的兩個探測器終於探測到重力波信號。LIGO的科學家計算到出信號是由13億光年外的兩個質量分別為太陽質量29和36倍的黑洞合併而成的，發出的能量大約是等如太陽質量3倍的物質在短短1秒之内被轉化成重力波。之後它們在同年12月26日再發現了另一個信號，才次證明了愛因斯坦的偉大理論。

這個發現除了完整了愛因斯坦的理論，更重要的是它為我們提供了觀察宇宙的全新方法。以往我們只能用電磁波去觀測宇宙，但有些天體，如黑洞，根本不會發出電磁波。但現在，我們有了個新方法去觀察它們，就是探測它們發出的重力波。

2012年，CERN宣佈發現有「上帝粒子」之稱的希格斯玻色子，翌年諾貝爾委員會就已經決定把物理學獎頒給提出理論的Peter Higgs及Francois Englert。發現重力波的重要性絕對不下於發現「上帝粒子」，不知道諾貝爾委員會今次又會不會即刻頒發獎學獎勵這個發現呢？

諾貝爾獎前奏：大熱門免疫學

免疫系統是人體中其中一個最深不可測的系統，大概僅次於神經系統，所以免疫學從來都是諾貝爾獎的大熱門。

讓我們看看諾貝爾獎有史以來所有與免疫學相關的獎項：

Emil von Behring (1901)：發明血清療法，並把它應用於白喉的治療中（第一屆諾貝爾獎已經是頒給免疫學的研究）

Ilya Ilyich Mechnikov及Paul Ehrlich (1908)：前者發現白血球的吞噬作用（Phagocytosis），後者提出「側鏈學說」（Side-chain theory）去解釋抗體如何攻擊身體的入侵者

Charles Richet (1913)：發現及研究過敏反應（Anaphylaxis）  

Jules Bordet (1919): 發現補體（Complements）及抗體如何合作去攻勢致病原 

Sir Frank MacFarlane Burnet及Peter Medawar (1960)：發現獲得性免疫耐受（Acquired immunological tolerance） 

Gerald Edelman及Rodney Porter (1972) ：發現抗體的化學結構

Baruj Benacerraf, Jean Dausset及George Snell (1980) ：發現主要組織相容性複合體（Major histocompatibility complex，MHC），可以幫助解釋免疫系統如何區分本身及外來的物質

Nils Jerne, Georges Kohler及César Milstein (1984)：Nils Jerne解釋了免疫細胞的生成機制及「網絡理論」（Network theory），另外兩位科學家發明以融合瘤製造單株抗體（Monoclonal antibodies）的技術

Susumu Tonegawa (1987)：發現抗體多樣性產生的遺傳學原理，解釋為什麼人類的基因組只有約二萬條基因，卻可以產生百萬種不同的抗體

Peter Doherty及Rolf Zinkernagel (1996)：發現T免疫細胞如何透過「雙重辨認」去辨認出受病毒感染的細胞

Bruce A. Beutlerz, Jules A. Hoffmann及Ralph M. Steinman (2011)：前兩者發現先天免疫細胞上的Toll-like receptors，可以解釋先天免疫機制如何被活化；後者發現樹狀細胞（Dendritic cells）和其在後天免疫中的作用

看！洋洋灑灑的，何等壯觀！免疫學已經拿過如此多的獎，近年來又有沒有甚麼值得獲獎的新研究呢？

其中一個近年來最受注目的免疫學領域一定是T細胞。T細胞分為CD4+ T細胞及CD8+ T細胞。CD4+ T細胞又稱為輔助型T細胞，負責幫助其他免疫細胞工作；细胞毒性T细胞自接擊殺癌細胞或受病毒感染的細胞。

T細胞非常斤斤計較，它一定要認得自身細胞上一種叫的「主要組織相容性複合體」（Major histocompatibility complex，MHC）的蛋白質才會開始工作。就好像一個士兵，他一定會認得工作是由自己上司分配的，他才會開始工作。一個「三唔識七」的人分配工作給他，要他上場殺敵，他自然不會理睬。同樣道理，T細胞只會接受MHC分配給他的免疫工作，如果沒有MHC，它才不會理睬。MHC分為兩大類，分別是class I及class II。MHC class I出現在全身體所有的細胞表面上，而class II只出現在一些特別的免疫細胞表面上，我們稱那些特別免疫細胞為抗原呈現細胞（Antigen presenting cells）。CD4+ T細胞只認得MHC class II，而CD8+ T細胞只認得MHC class I。當外來致病入侵者進入細胞後，細胞會把入侵者的蛋白片段放在自己的表面上，用來警告T細胞「我們被入侵了，快幫助我們」。T細胞上的受體只要同時認得MHC及入侵者的蛋白片段，就會開始殺敵工作。

以上是科學家到大約上世紀約80年代為止對T細胞的認識。T細胞上的受體叫T-cell receptors（TCR），明顯地它是整個殺敵過程的核心，但當時科學家甚至連TCR是甚麼都未知道，他們最初以後它可能是一種類似抗體的蛋白，就好像B細胞的受體一樣。直到1983年，James Allison、Ellis Reinherz及John Kappler三個小組分別用單株抗體（Monoclonal antibodies）的技術辨認出TCR。請特別記著James Allison的名字，此君會在之後出現很多次。

TCR由α及β兩個多肽鏈構成，它們各有一個變異區（Variable region）和一個固定區（Constant region），變異區用來辨認相對的抗原及MHC。只有抗原及MHC同時出現，TCR才會認得。α及β多肽鏈中間由雙硫鍵連起來。TCR附近有CD3及ζ鍵兩個蛋白，雖然它們不是由共價鏈（Covalent bond）連起，但會幫助TCR把訊息傳遞到細胞中。

之後另一個免疫學尚未解決的大謎團是如何控制免疫細胞不會攻擊自己呢？

科學家發現原來TCR與抗原及MHC結合後的訊號並未足夠活化T細胞，而是要有另一個由T細胞上的CD28及抗原呈現細胞上的B7（CD80或者CD86）結合而產生的訊號。如果TCR與抗原及MHC結合，但沒有第二個訊號的支持，T細胞會以為自己出錯，於是自我毀滅。大部分的正常細胞都缺乏B7蛋白的，所以如果T細胞想攻擊它們，它們就會因缺乏第二個訊號而自我毀滅。

還記得James Allison嗎？剛才提及發現TCR的那位科學家。他在90年代又有新發現了。他發現了一個名為CTLA-4的受體。如果B7蛋白與T細胞上的CD28結合，就會發出第二個訊號去活化T細胞，但如果B7蛋白與T細胞上的CTLA-4受體結合，T細胞就會停止運作。這也許防止免疫系統胡亂攻擊自身細胞的一個機制。

除了CD28、B7及CTLA-4，日本科學家坂口志文在1995又發現了另一個可以剎停過度活潑的免疫系統的機制──一種特別的T細胞。這種特別的T細胞除了有CD4蛋白外，亦有CD25蛋白（一個IL-2受體）。坂口志文發現它對各種T細胞和B細胞都有抑制作用，可以調節和控制免疫反應。這種新細胞亦因此被命名為調節T細胞（Regulatory T cells）。這種細胞的成長及作用由一種Foxp3的因子所控制，科學家試過移走老鼠中的FoxP3基因，結果老鼠出現了很嚴重的自身免疫系統疾病。

剛才談及的研究好像太「離地」？一點也不，之前已經出場過幾次的James Allison更把這些基本發現帶到臨床醫學。他提出了利用攻擊CTLA-4的單株抗體來治療癌症的概念，後來研究人員就利用這個概念研發了一種叫ipilimumab的抗癌新藥物。Ipilimumab攻擊CTLA-4，令癌細胞少了一個抑制免疫系統的機制，超級活躍的免疫系統就可以殺死癌細胞。現在，ipilimumab已經獲準在末期黑色素瘤、前列線癌等癌症中使用。同樣地，坂口志文也正在研究一些針對調節T細胞的新抗癌藥物。

屈指一算，諾貝爾獎上次頒給免疫學的研究已經是5年前了。今年會否再頒給這個領域的科學家呢？6日後就知道了。

資料來源：

1. Call ME, Wucherpfennig KW. The T cell receptor: critical role of the membrane environment in receptor assembly and function. Annu Rev Immunol. 2005:23,101-25.

2. Postow MA, Callahan MK, Wolchok J. Immune Checkpoint Blockade in Cancer Therapy. Journal of Clinical Oncology 2015:33,1974-1982. 

3. Walker LS, Sansom DM. The emerging role of CTLA4 as a cell-extrinsic regulator of T cell responses. Nat Rev Immunol 2011:11,852-63.

4. Vignali DA, Collison LW, Workman CJ. How regulatory T cells work. Nat Rev Immunol 2008:8,523-32.