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纪念我的朋友Don Wiley,他改变了人类对流感病毒的认知

来源:知识分子

图源:National Library of Medicine 不久前,我收到来自哈佛医学院的一封电邮,通知我2023年六月将会有一个Harrison/Wiley实验室的团聚。随着团聚日子慢慢接近,已经不幸意外过世二十多年的Don Wiley的非凡成就和个人魅力又不时在我脑海里涌现。 他和英国病毒学家John Skehel在1981年合作发表在Nature上的流感病毒感染寄主细胞的关键分子,血凝素的结构研究奠定了学界对于这一类RNA病毒,包括艾滋病毒和最近流行的新冠病毒感染机理的理解。他和他的哈佛同事,免疫学家Jack Strominger合作在1987年发表在Nature上的组织相容抗原分子结构的研究深刻影响了细胞免疫学和医学科学。 他的这两项卓越成就注定会在科学史上留下印迹。和他相识二十年的点点滴滴也促使我落笔写下此文以资纪念。   

年轻的现代生物学家们 James Watson 1956-1976期间在哈佛生物系当教授时,他大力主张把哈佛的经典生物学改造成为分子生物学,来迎接由DNA双螺旋的发现所引起的生物学革命。他破格引进了相当一批年轻的、活跃在新兴领域的、冒尖的生物学家。其中最早选拔的分子遗传学家Mark Ptashne连跳两级,1971年到了哈佛直接就成了正教授。那个时候,生物系的系名也更新为生物化学和分子生物学系。 几乎在同一个时间,主要是在Watson的推动下,也是在1971年系里前后在几个月内从哈佛内部招了两个结构生物学家,Steve Harrison 和Don Wiley。Steve是从Junior fellow(哈佛选拔最优秀的博士毕业生给予接近于教授待遇的三年的任职)选上的,而Don则是在哈佛化学系刚刚拿到博士学位后,不经过博士后直接当上教授的。从一开始,两位年轻的结构生物学家就决定合作建立一个共享的结构生物学Harrison/Wiley实验室。 有趣的是,他们两位对于系里其他同事所从事的当时最热门的基因调控等分子生物学问题并不感兴趣。Harrison的雄心是测定一个球状病毒的结构。七十年代初,蛋白质结构研究才刚刚起步,全世界一共只有很少数几个蛋白质的结构花了二三十年才被测定,遑论比一般蛋白质至少要大上百倍的最小的病毒?一位最权威的专家称之为蛋白质结构研究难于攀登的珠穆朗玛峰。Steve是世界上第一个成功测定病毒结构的科学家。Wiley的兴奋点是从蛋白质结构研究中探讨病毒如何能感染寄主细胞的。他是看到了英国科学家Skehel 最新的文章,报道了他们能够从流感病毒表面酶解下来一个专门负责感染寄主的名为血凝素(hemagglutinin)的刺突蛋白(spike)。Don认为这是一个非常有意义而没有被探索过的领域。 一个里程碑式的研究: 流感病毒何以如此凶险? 身为英国皇家协会会员的John Skehel毕生从事流感病毒研究,1975-1993曾经是世界卫生组织的流感国际合作中心的主任。Wiley很快和 Skehel联系上,并且还专门去Skehel实验室作过学术休假好几个月。一个流感病毒专家,一个结构生物学家,两个人一拍即合,决定研究血凝素的晶体结构。血凝素位于病毒表面,它对感染寄主细胞有两个关键功能:1)识别细胞受体,让病毒附着其上;2)介导病毒外层脂膜和细胞膜融合,以便病毒的遗传物质能进入细胞内繁衍。他们希望一个血凝素的三维结构能有助于理解其分子功能。那时候,还没有任何人有培养过像血凝素那样的很不容易拿到化学纯的糖蛋白的晶体。他们开始的运气很好,选中的病毒株血凝素正好是唯一能长出晶体的一种。在七十年代,测定一个分子量在七万左右的蛋白质是一个很艰巨的任务。Wiley招到了从牛津大学毕业的博士后Ian Wilson, 两个人一起努力。庞大的晶体衍射的数据收集要论年才能完成。寻找解结构必须的重原子衍生物是一个非常令人沮丧的过程。当时整个哈佛都没有足够大的计算机可供浩繁的计算,更谈不上如今到处都有的计算机图像显示仪可用于分子模型的构建。Skehel频繁地来访鼓励他们,带来充足的晶体生长材料。前后至少六年的努力,他们终于“看到”了血凝素的真面目。 这是一个像Wiley本人一样的有将近200Å的“高个子”分子:一个球状的“头部”和一个细长而结实的“腿部”,锚定在病毒的脂膜上。三个分子组成一个三聚体(见附图红,绿,蓝三色),“耸立”在病毒表面。 它所显示的生物学价值几乎立刻让他们激动不已。多年来让病毒学家和免疫学家们困惑的流感病毒的抗原性很清楚地主要分布在头部四个区域,很容易被人体免疫系统接近。这是第一次科学家们能够从分子水平解释一个病毒是如何慢慢变异而逃避人类免疫系统的攻击的。而在大量可以不断变异的区域中间,他们又发现了一个位于顶部,极其保守的“小坑“, 应该是受体结合的位点。后续研究证明,他们找到了受体结合位点。重要的是他们进一步发现感染人类的上呼吸道和感染禽类的消化道的受体分子有立体化学差别,解释了禽流感毒株和人流感毒株的差别,以及禽流感病毒通过变异越过物种差别感染人类,引起类似于历史上凶险的流感大流行的风险。这个结构立刻引起学界的轰动。 但是一个令人困惑的问题始终在Wiley脑子里容绕,而且每次作报告时最后他都会给听众提出来,供大家思考。问题是:受体的位点的确是很正确地在分子的顶部,朝向寄主细胞。但是为啥血凝素分子那个负责细胞融合的部分会“藏在”分子中间,距离顶部100Å的地方呢?这是不合理的。已知病毒在进入寄主细胞后,在一个包含体内遇到酸性环境会发生剧烈变化,病毒的脂膜和寄主细胞膜才融合。为此,Skehel/Wiley团队又经过十几年的艰苦努力,解析了血凝素在酸性条件下的结构。同样令人震惊的是分子结构的确发生了蛋白质结构领域里从未见过的剧烈变化。 一段本来藏在三聚体内疏水的多肽段,现在摔出去100Å,的确指向寄主细胞方向,以便插入寄主细胞膜内。而本来链接病毒膜的部分发生180度弯折,也指向了寄主细胞。这清楚的指明,在这个酸性环境里,血凝素可以把病毒的膜和细胞膜“拉”到一起。此时,结合受体的头部却让开了。这样,血凝素分子就变成了一个能介导病毒膜和细胞膜融合的结构。位于病毒表面的刺突分子真是以如此巧妙的方式,分步完成了感染寄主的功能。 Skehel/Wiley团队对流感病毒血凝素的研究成为了同类RNA病毒里程碑式的典型。后来证明艾滋病毒和新冠病毒等的刺突蛋白都采用了非常相同的机理,去感染寄主细胞。Don Wiley 对血凝素结构的深入理解对于病毒作用原理及其医学价值的贡献是十分巨大的。 “一个结构改变一个领域” 还在全力以赴研究血凝素的时候,Don Wiley就听说了奇妙的组织相容性抗原(MHC)。医学界很早以前就知道,器官移植的排斥是由于不同个体之间有不同的组织相容性抗原所引起。

后来证明,器官移植的排斥实际上是一种细胞免疫反应。免疫的本质就是识别“非己“,尔后加以排斥和清除。1974年一位瑞士免疫学家Zinkernagel和一位澳大利亚免疫学家Doherty一起发现,淋巴细胞在杀死受病毒感染的细胞时,必须同时识别外源的病毒以及受感染细胞自身表达的MHC分子,即所谓双重识别。这两位科学家对细胞免疫系统的重大发现在两年后得了诺贝尔奖。 后续研究表明,病毒感染寄主细胞后,MHC分子会把病毒在细胞内被降解的小片段(一般是8-10个氨基酸大小的肽段)递呈到受感染细胞的表面,就好像是给“病态”细胞做了一个标记。当“巡逻”的淋巴细胞,T细胞遇到这个病态细胞时, T细胞表面的受体分子TCR将识别这个抗原片段和MHC分子的复合物,从而触发免疫反应,清除病态细胞。因此,MHC是一个极端重要的免疫分子。每个个体都有自己遗传来的独特的MHC分子。所以它们以前被“误认为”组织相容性抗原。但是MHC是如何发挥作用的呢?众说纷纭。 Wiley在哈佛生化系的同事,免疫学家Jack Strominger就是研究MHC的。人类的MHC又叫人淋巴细胞抗原(HLA)。七十年代后期,Don敏锐地感到了测定MHC结构对免疫学的巨大意义,他开始和Jack商量合作研究HLA的结构。生化系每个新学年都会有一个在校外的聚会,由每个教授给新入学的研究生介绍他们的研究方向和最新成果,以利学生和教授双向选择研究生课题。1978年,一位女生叫Pamela Bjorkman(她现在是加州理工学院的教授)在会上听到了Wiley讲血凝素的进展,非常兴奋,认为用X-射线晶体衍射研究蛋白质结构对解决生命奥秘太有吸引力了。Jack的一个研究生Jim Kaufman鼓动她参与最前沿的HLA结构研究。Pamela 就成了Don和Jack联合培养的学生。那个时候虽然哈佛生化系在分子遗传学领域世界领先,但是分子克隆技术还没有成熟。Pamela只能培养巨大数量的细胞,然后用胃蛋白酶从那些细胞表面把HLA切下来。200升细胞才能提纯出3-4毫克蛋白,只够200次晶体生长实验。1981年我在那个实验室里,亲眼目睹那可怜的晶体又薄又易碎,对年轻的Pamela是个巨大的挑战。寻找重原子样品,收集衍射数据,解析结构,又是一个非常令人沮丧的长过程。多年后Pamela回忆道,要不是Don的充满热情的鼓励,她很可能会放弃了。Don一再以不可动摇的信心告诉她,结构一定能解出来,而且这个结构将会具有巨大的意义。Don 还安排有经验的博士后多方面给予具体的帮助。 1987年的春天,当Wiley和他的同事们终于第一次看到了一个MHC分子的三维结构时,其震憾绝对可以说比七年前看到血凝素时有过之而无不及!用一个不太恰当,但是形象的比喻,MHC分子底部是两个支撑的结构域,顶部的构造像一条小木船,船中的卧槽里躺了一个人。那个“人”就是MHC分子所递呈的抗原肽段(见附图球形原子组成的抗原分子“躺在”MHC的一个槽里,面向前来的免疫细胞)。也就是说,MHC分子以一种非常“优雅”的方式把病原体的抗原肽段送到了受感染细胞的表面,供淋巴细胞来识别。它和免疫学家们以前熟悉的抗体分子完全不一样。这个结构一下子给免疫学家打开了一个全新的研究细胞免疫的思路。淋巴细胞表面的受体TCR既能和外来抗原分子作用,又能和MHC同时发生作用。这很好的解释了为啥不同个体会对不同病原会有不同反应。个体和个体之间遗传得到的MHC不同,它们基本结构一样,但是它们表面分布的氨基酸组成不同,对不同病原体识别能力也就不同。譬如已知有极少数人天然对艾滋病毒有一定免疫性。这保证了整个物种里必定会有一定的个体会有一定的MHC分子可以把任何新冒出来的病原体识别了,递呈到细胞表面,激发免疫反应。物种得以成活。MHC结构也有助于解释自身免疫病又是如何发生的,也为个性化医学铺了路。等等。MHC结构提供了研究细胞免疫的基石。因此Steve Harrison对MHC的评价,“一个结构改变了一个领域”是中肯的。

“请带我去一个地方小饭馆搓一顿” 我和Don Wiley前后相识有二十年。1981年我刚到哈佛作访问学者时,他刚刚在Nature上发表了轰动学界的血凝素的结构。但是他给我的印象确是非常随和的,他会坐在地毯上,很随便地把苹果在牛仔裤上噌一噌就啃一口。 Harrison/Wiley 实验室的传统是每天四点有一个下午茶,大家喝茶吃点心聊天,Don经常是中心人物,谈天说地。要是工作中有有趣的进展,我有时会去敲他办公室的门,他非常愿意我去和他分享,讨论。 1996以后我到哈佛医学院的Dana-Farber 癌症研究所任职,我们的课题有时还会和Wiley发生直接竞争,互有胜负。有一次,我们有一个免疫学上非常有意义的结构比他们先解出来后,我邀请Don到我们实验室的图像显示器上来看结果,他很高兴看完后,很快提出几点击中要害的生物学见解,令我十分钦佩,因为那正是我思索了好多天后,打算写文章的要点,让他一眼就点破了。 1982年9月我完成访问学者项目后回国,Don告诉我,他11月要到北京参加一个国际病毒学会议。他一再跟我说,一定要带他去一个地方小饭馆搓一顿。 那个时候即便在北京,饭馆也不多。我和我夫人想到了比较有北京特色的东安市场,我们三人进了一个大餐厅,只见人山人海,烟雾腾腾,嘈杂喧哗,诺大一个餐厅一个空位子都没有,我们只好站在一个桌子后面等。那时即便在北京,外国人也极少,Wiley又是一个大高个儿,这唯一的老外站在那里要多显眼就有多显眼,人人都会很好奇地盯他看。半小时后一对夫妻终于吃完了,服务员过来把那张大桌子擦出一个角落来,让我们三人坐下,美餐一顿。 据说他回到波士顿后,绘声绘色地给实验室讲了他这次的有趣的,他一辈子都没有过的经历。这正是我所认识的Don Wiley 的另外一面。

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