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表观遗传学-施扬(3)人生选择无参照

2015-04-28
表观遗传学,施扬,去甲基化
所谓表观遗传学,也就是说DNA不完全决定你的遗传特性,比如说你的社会经历有可能会传到下一代去。表观遗传学跟蛋白的甲基化和DNA的甲基化有关,这一系列的发现形成了表观遗传学的新领域。我的实验室也开始做这方面的工作,叫做表观遗传继承性(epigenetic inheritance)。大家都知道DNA是遗传的,但是除了DNA以外,还有其他东西也可以遗传下去,环境、甚至也许个人经历都可能会对你的后代产生影响.

【华人之光Ⅱ】施扬(3):人生选择无参照
2015年4月28日 07:05 阅读 293
编者按

去甲基化研究,让施扬真正一跃成为世界级的科学家。被他命名为LSD1的蛋白质的重大发现,结束了生物学界长达40多年关于组蛋白是否可以去甲基化的争论,由此成为表观遗传学发展中的重大突破,并对生物医药行业产生了深远影响。

然而回望来路,很多人当初对施扬要去寻找去甲基化酶的选择并不看好。而他觉得,去甲基化酶的研究,要么会让自己的职业生涯进入一个崭新的时期,要么将就此“结束”。

在这段曲折的发现旅程中,究竟发生了怎样耐人寻味的故事?

《赛先生》特约撰稿人 涂芮/整理

《赛先生》创办人之一、北大教授饶毅将施扬和哈佛的关系比喻成“先结婚后恋爱”,获得永久教职在先,后来的成就则超出了哈佛对教职工作的要求。

通过发现一个被命名为“LSD1”的蛋白质,施扬证明了自己没有辜负哈佛当初的信任。喜欢咬文嚼字的施扬,在用中国传统的阴阳理论给自己博士后期间的工作成果命名之后,又选择了上世纪60年代流行于美国摇滚界和文艺圈的著名迷幻药“LSD”,来给这个重要发现命名。

然而在一向严肃的生物学界,这个带有性感名称的发现结束了长达40多年关于组蛋白是否可以去甲基化的争论,是表观遗传学发展中的重大突破,并对生物医药行业产生了深远影响。

直觉的引导

鲁白:我们之前谈到的其实是序曲,施扬真正成为世界级的科学家是从去甲基化的研究开始的。

施扬:其实后来我也做了一些RNAi相关的研究,包括发明用于哺乳动物、基于DNA载体的RNAi技术。(编者注:2002年,包括施扬实验室在内的美国几个实验室,同时发明了DNA vector-based RNAi技术,此技术现在被广泛应用于细胞及动物水平上的基因功能研究。)再后来,秀丽线虫做多了又开始有点坐立不安,想去探索新鲜的东西。我就想,应该再做些什么东西呢?每一个生物系统都有它强的地方,也有它弱的地方——秀丽线虫是一个极好的、可以通过遗传学技术做生物研究的系统,但研究分子和生化机理却不那么容易,因为一个线虫只有900多个体细胞,而且很多细胞都是不一样的,很难做好生化研究,所以我又回到了生物化学领域。

我作了一个很重要的决定,这个决定就跟我博士后期间的训练有关。当时在病毒领域,研究者用病毒阐明了很多的细胞功能,包括细胞周期如何调控,很多都是用病毒来做的,发现第一个肿瘤抑制基因也是通过病毒做出来的。所以,我想我应该再回到病毒。病毒会告诉我应该去做什么。有一个病毒叫做“腺病毒(adenovirus)”,它有一个蛋白质叫E1a,也就是我博士后期间的研究对象。

这个腺病毒E1a跟我们所知道的第一个肿瘤抑制基因Rb可以有一个直接的物理相互作用,通过这个相互作用可以抑制它的功能,从而影响细胞周期,使得细胞能够无限制地分裂,成为肿瘤细胞。但是在与E1a发生相互作用的蛋白中,有一个蛋白当时几乎没有人研究过,只有几篇相关的文章。这个蛋白质叫CTBP,就是C末端结合蛋白(C Terminal-Binding Protein)。然后我就决定去做这个蛋白质,这个决定真的改变了过去十年间我所做的事情。

我觉得我不是一个绝顶聪明的人,但是我有较好的直觉。我觉得生物学跟物理学和数学不同,我一定不可能成为一个好的物理学家或者数学家,那真的需要非常聪明。但生物学不同——生物体系很复杂,一些东西不是你所能想象的,这里有很多惊喜,你要有一个直觉,跟着你觉得好的某种东西走。我觉得在生物领域,这种直觉很重要。

当我决定去做这个蛋白,又面临着要去说服实验室的人这个问题。我很幸运地找到了一个思路跟我接近的博士后,我就叫他去做,去学习人家如何做蛋白的串联亲和提纯(tandem affinity purify)——就是给蛋白加个标签,然后用这个标签的抗体去把蛋白提取出来。很快,实验结果就出来了,我一看就知道我们“中了大奖”,因为被提取的不少蛋白都是和代谢酶有相似性,我想这里面肯定有文章可做,很有意思。

在2014年哥本哈根生物科学会议上,施扬(右2)向一位研究生颁奖。 图片来源:www.cph-bioscience.com

鲁白:所以你开始提取蛋白的时候是在CTBP蛋白上加了个标签,然后把那些和它结合的蛋白一起提取出来,而这其中很多都是和代谢相关酶有相似性的蛋白,是这样吗?

施扬:对。我看了结果以后,觉得其中几个蛋白质是我应该去研究的,比如KIAA0601,当时只有这样一个编号。我为什么会对它感兴趣呢?从化学的角度看,这是一个多胺氧化酶的同源物(polyamine oxidase homolog)。

这个多胺(polyamine)是什么东西呢?在染色质里面有蛋白质,有DNA,也有小分子,这个多胺也是染色质的一个组分。所以我当时觉得,如果CTBP可以调节转录的话,它的下游目标是通过KIAA0601调控的多胺,那是很有意思的。

然后发现胺氧化酶(amine oxidase)从理论上也可以作用于蛋白质,也就是说有可能使蛋白去甲基化,所以我就决定把其他东西都放一放,全力以赴做这个蛋白质。我的直觉告诉我,这个蛋白质会有些很有趣的故事。

我马上就去查了文献,发现总共有两三篇发表的文章提到了这个蛋白质,一共有三个实验室,但那些实验室都没有人在继续做这个蛋白,而我认定这个蛋白值得去做,所以我就去做了。当然,研究中间也经历了很多很有意思的曲折。

为激动人心的时刻努力

鲁白:这里解释一下去甲基化。蛋白质的功能可以被有些氨基酸侧链化学集团的修饰来改变,最有名的是磷酸化,就是蛋白质上面加一个磷酸,或者减一个磷酸,可以使蛋白质的活性改变,这个理论大概统治了生物学近50年的历史。

另外一个修饰就是甲基化。把一个甲基加上去也可能会改变蛋白质的功能,但这需要有两个酶,一个是把甲基装上去,一个是减下来。把甲基装上去的酶很早就有人发现了,但是如果没有把甲基减下来的酶,这就没什么意义,因为它还不是一个调控机制。那么把施扬的工作放到一个大的背景下来看,就是说,如果全世界有人能找到这个去甲基酶(demethylase),这一下子就变成一个调控机制了。

大家最早发现甲基化现象是在染色体的组蛋白上——组蛋白是球状的,DNA是包在上面的,很早前就知道组蛋白上有很多甲基化位点,所以大家最早开始研究的就是组蛋白的去甲基化。施扬找到的这个酶,就是组蛋白的去甲基化酶。一旦找到这个酶,我们就能很容易地发现其他很多蛋白也有去甲基化现象,这就变成了很大的一个领域。

施扬:几十年来大家得到一个共识:磷酸化是很重要的一个调控机理,因为它很快——装上去一个磷酸,很快又可以拿下来。作为一个快速的应答机制,细胞用磷酸化调控用得很多。磷酸键是比较容易被打破的,上世纪60年代时就发现组蛋白上面有甲基化,但甲基化的化学键比较稳定,又因为找不到酶,所以很长一段时间,大家都认为这个反应是个不可逆的修饰——甲基装上去以后,唯一能够把它去掉的途径就是通过细胞不断的分裂,分裂一次少一半,最后一点一点地稀释掉。

正如鲁白所说,没有相反的过程就不是一个调控的机制,所以在我们这个领域里,很多人想找这个蛋白质,但是一直找不到。到了上世纪70年代,大家就认为磷酸化是可逆的,而甲基化是不可逆的。

我们找到这个酶的时候,我心里还是七上八下的,因为我跟其他人聊天,人家都说你别去找这个去甲基化酶,肯定是没有的,很多人都做过这个东西,你别弄了。所以当我拿到这个结果的时候,我知道我的职业生涯要么进入一个新的时期,要么就此“结束”。因此我们做了很多对照实验并用不同的方法来验证我们的实验结果。为此我们建立了一系列检查去甲基化酶的技术。这也为以后寻找其它更多的去甲基化酶奠定了理论及技术基础。(编者注:继LSD1的发现两年后,施扬及另外两个实验室分别报道了又一类去甲基化酶。)

2000年,施扬与著名生物学家吴瑞合影。

不仅仅是做学问,生活中的很多事情在不知不觉中发生,有时可能是个好结果,但也有可能是个坏结果,你从来都无法预料。好的科研所带来的兴奋感,也是驱使我做下去的原因之一。

很多科学家的一个共性就是上瘾,沉迷其中。当你做出一个东西,你就希望还能做出更多的新的发现。我觉得驱使很多科学家的动力都是这样,一颗好奇心,为了那个激动人心的时刻而去努力——当你获得一个真正的新发现时,确实是蛮激动的。

给蛋白质起名也很重要

鲁白:能不能再展开说明一下,为什么去甲基化反应这么重要?为什么表观遗传学的研究突然变得很热门?

施扬:关于基因表达的研究主要是在转录领域,但这个领域逐渐在走下坡路,很长一段时间大家都觉得没事做了。但是现在,由于这个发现以及中间发生的一系列事情,在染色体基础上的基因调控研究又重新成了生物学里面很热的领域。

所谓表观遗传学,也就是说DNA不完全决定你的遗传特性,比如说你的社会经历有可能会传到下一代去。表观遗传学跟蛋白的甲基化和DNA的甲基化有关,这一系列的发现形成了表观遗传学的新领域。

我的实验室也开始做这方面的工作,叫做表观遗传继承性(epigenetic inheritance)。大家都知道DNA是遗传的,但是除了DNA以外,还有其他东西也可以遗传下去,环境、甚至也许个人经历都可能会对你的后代产生影响,但你都不知道,这里面有着很有趣的故事。比如说,瑞典有个Överkalix研究发现,祖父母的food supply(食物供给)影响孙子、孙女的死亡风险因素(mortality risk factor)。有趣的是,祖父的食物供给只影响孙子,而祖母只影响孙女。这些现象很有可能是通过表观遗传机理介导的。

就好像一个机器有很多部分,转录这个领域的研究,前期做的都是这个机器比较基础的部分,是关于如何将这个过程启动、开始。细胞中有染色体、组蛋白、DNA,而表观遗传学就是在真正的生理条件下,有染色体存在的情况下,探索怎么样把一个基因打开、关掉,怎么样在应急的时候把一些基因调动起来,然后把新的基因表达谱稳定地传给新产生的细胞甚至下一代,所以染色体的调控机理是表观遗传学很重要的一部分。表观遗传学也是研究环境如何影响生物的功能和行为以及某些诱导的特征如何传给后代的学科。

那为什么大家现在会对这个领域很感兴趣呢?除了基础理论很重要,有一部分原因是因为制药公司。因为制药公司做磷酸化激酶,五百多个激酶做药物靶点做了好几十年了,大多数都是失败的,所以大家都在想,是不是还有未开垦的新土地可以找到新的做药的靶点。现在,我们突然一下子找到了很多新的酶。从化学角度来讲,酶是比较好的药物靶点,因为它的化学过程是明确的,你可以设计小分子去抑制酶的活性。

当我们发现第一个去甲基化酶的时候,我就想,我应该给它起一个好的名字。我作出第一个蛋白质发现的时候,我叫它YY 1——阴阳1号,那这个我应该叫它什么呢?我就取了个名字叫LSD1。

我觉得名字很重要,因为起了一个好的名字之后,大家就容易记住它。LSD代表lysine specific demethylase,赖氨酸去甲基酶。我为什么没有叫它组蛋白去甲基酶呢?我想到,甲基化现象并不只是局限于组蛋白的,我预测这个酶的底物并非只有组蛋白,可能非组蛋白的蛋白质也可以被去甲基化,所以在这个酶的名字里面我没有用组蛋白这个词。

另外,大家都知道LSD是迷幻药的缩写,所以比较容易记,所以后来有两个前沿(preview)报道都借用了这个双关用语——包括题为“A crack in histone lysine methylation”(Cell(2004)Vol119:903-906)及“Take LSD1 to a new high”(Cell(2005)Vol122:654-8)的报道。这些是起名的趣事,跑题了。总而言之,LSD1现在是制药工业的一个新靶点。

我觉得能找到第一个去甲基化酶有几个很重要的原因,一是敢于去做别人认为不可能的事情,二是问对了问题及找对了入手的方向,另一个是找对了人去做这件事,这几条缺一不可,做这个课题的博士后叫石雨江,极聪明能干。我怀疑换一个人的话,就不一定能做出来。

2005年,施扬(后排右6)与石雨江(后排右2)等实验室团队成员合影。

鲁白:也许大家不一定完全懂组蛋白的甲基化为什么重要,这里进一步解释一下。DNA的结构用一个“串珠模型”( beads on a string)来描述,就是一个球和一个球中间有一条线,线状DNA在球形的组蛋白上绕三圈再过来、绕三圈再过来。DNA在组蛋白上包好以后都是紧的,紧的就没法转录,没法把基因表达出来,所以你一定要把它放松,让它像一条线一样才能转录,这就跟DNA的甲基化和去甲基化有关系。

去甲基化的具体机制其实还没有完全搞清楚,但施扬现在所做的组蛋白上去甲基化的第一个酶,就可以使得原来松散的DNA压缩,变紧,进而使得这一段上的基因表达被抑制。

施扬:去甲基化酶可作用于两个方面,有的时候你要把基因表达出来,有的时候则需要把基因关掉。比如一个干细胞要分化成很多不同的组织,某个组织要表达这一千个基因,而其他基因是要被关掉的,关掉这些基因就是通过把DNA弄紧一点,这样细胞就不能表达这个基因了。其他的情况,比如被太阳照射以后,细胞里的DNA会受到紫外线的损伤,DNA受到损伤时细胞必须要对其进行修复,修复的一个很重要的项目,就是把这段受损伤的基因关掉。这时,某些去甲基化酶就起到了一个很重要的作用,它把这个区域关起来,不再让基因表达,等修复好了以后再让DNA打开来表达。所以,这些酶在很多不同的生物过程中起着很重要的作用。

《赛先生》与施扬的快问快答

《赛先生》:你在选择学生时看重哪些素质和特性?

施扬:这个很难说,有的时候我看到一个人,我就觉得这个人可能会成功,你很难讲出来,但就是有一种感觉。你跟一个人谈话,他的谈吐和眼神很重要,很难量化,不像考试有具体量化的标准去判断一个人到底是行还是不行,有的时候选人就还是一种感觉。

还有很重要的一点就是,人跟人是有一种默契的——你是一个很优秀的人,但并不一定跟我在一起会成为最优秀的,也许你跟我在一起就不能很好发挥,而跟另一个人在一起就可以。

《赛先生》:你提到你个人的人际交往能力是强项,对于科学家来说,这一点重要吗?对大众来说,他们对科学家的刻板印象就是深居简出。

施扬:我认为交流及沟通能力,包括写和讲,都是很重要的,你要能把所做的东西讲给大家听,让大家能接受。现在做的很多工作都涉及不同方面的专业知识,所以交流成了一个很重要的部分。

《赛先生》:除了沟通能力,对科学家来说还有什么重要的能力?

施扬:与他人合作的能力。我觉得这个不仅限于科研,不管做什么,沟通能力、与他人合作的能力、凝聚合适的人来做事都很重要。要想办法组成一个合作的团队来解决问题,这是一个发展的趋势,今后没有一个人能够单独地完成一个研究,它需要很多方面的合作,所以,把大家组织起来一起做一件事情,这也是很重要的一个方面。合作中很重要的一部分是诚恳地、主动地、心甘情愿地共享credit。

还有,不满足于所完成的东西。有这种不满足的感觉,就会驱使你去追寻下一个重大的发现,过去做的已经是过去了,要往前看。如果没有这种渴望,可能做着做着就不做了,但如果你还是在不断探索,想要发现新东西,那么就能不断进步。

《赛先生》:敢于冒险很重要。过去的这些成绩,对你来说是自然而然发生的,还是确实需要去冒一点风险?

施扬:有的时候,你会觉得做一件事情是冒险的,认为是跨出了冒险的一步;有的时候则是很自然地跨出一步,但这一步其实同样充满风险对吗?只是你自己并没有把它区分开来,说我现在就是在冒险。比如说,一个人不可能同时做好几件事情,当我决定要做一件新的事情时,就要放弃其他的事情。

选择课题的时候也一样,当我选择去做去甲基化研究项目的时候,我就放弃了很多其他的看起来也很有希望的项目,这在某种意义上也是一个冒险,不是吗?

所以说,很多时候做事本身就是充满风险的,当时也许不知道,只有回过头来才能知道当时的决定是对的还是错的,或者从大的意义上讲,是不是走对了一个方向。

《赛先生》:直觉对于科学家来说是不是很重要?直觉是可以培养的吗?

施扬:回过头来看我所作的那些决定,很多时候是凭借直觉,但直觉是怎么来的?为什么会有这个直觉?有一部分是理性的、有原因的,但也有一部分确实不是理性的。你只是感觉到这就是应该做的事情,但是讲不出到底为什么。

我觉得作为生物学家,直觉很重要,因为有那么多等待发现的东西,也有那么多人在做,为什么有些人能够做出来,有些人不能呢?如果从智商角度来讲,我觉得可能大家没有太大的区别,一旦到了一定的水平,聪明程度没有什么本质上的差别。所以可能直觉是很重要的。

一个人能不能培养直觉?也许行,也许不行。做商业也是一样的,那么多人在做,只有很小一部分人能够成功,取得成功的人,往往都会做出一些让别人觉得难以理解的决定,也许这也是一种直觉。再比如说,你得到两个工作offer,在纸上写下各自的优点是什么,缺点是什么,比来比去,最后可能比不出什么结果,还是不能做决定。最后做决定的,还是你心里有一个直觉说,某份工作可能相对更好更适合你。如果把一切东西都人为量化的话,会很难做决定。

《赛先生》:有很多读生物或是其他理工科的学生,最后都没有继续从事科学研究,比如许多人转行做了金融,对这种现象你怎么看?

施扬:这种现象目前在国外很普遍,我们已经接受了这个现实。甚至像在哈佛大学这样非常传统的高校,几十年前,如果有学生说他不打算做学问,以后可能想要去公司,人家都会觉得不能理解。但现在我们有专门的讲座,去教学生怎么样考虑自己的职业生涯,比如可以做专利、做金融、做投资、做咨询等等。当然从长远来看,对于专门培养新一代生物学家的院校来说,还不知道这是对还是不对。

《赛先生》:对于国内的研究环境怎么看?

施扬:我觉得国内最近几年的变化还是挺大的,我是很乐观的。有一件事情我在促进,就是进一步提高学术交流,让大家能够走到一起。因为现在做科研需要有很多的交流,让大家能够分享想法,分享未发表的数据,进行头脑风暴,创造合作机会等。

刚回中国的时候,我觉得这方面还有可以提高的地方,所以我会组织一些交流会,让不同的实验室在一起交流一下。我觉得国内的发展很快,现在又有那么多顶尖的人都已经全职在中国做事情,加上我们现在聘请了很好的年轻的助理教授,所以我觉得再过十年,如果按照现在的形势发展下去的话,中国的生物学界应该会是一个绝对不可忽视的力量。

对于年轻的学者而言,我的直觉是回来可能利大于弊。因为中国正在上升阶段,而且现在越来越多很好的人才正在回来,国内自己培养出来的科学人才也越来越多,未来十年之内,研究氛围会有质的变化。一些先行者为中国的发展已经奠定了基础,我觉得回来以后发展的空间会更大,当然诱惑也更多,能不能静心做学问这是一个挑战。

《赛先生》:做了几十年的科研,你最有感触的是什么?

施扬:我最有感触的就是生活没有参照组,所以我永远得不到答案,去说明我究竟是选对了还是选错了。

但是反过来讲,我觉得我是非常幸运的,现在做的东西我越来越喜欢。所以应该说,我当年所做的不是一个错误的决定。但是不是有更好的决定呢?我这辈子都不会知道了。

延伸阅读:

回复文章编号“312”,提取【华人之光Ⅱ】施扬(1):一不留心到了哈佛;
回复文章编号“320”,提取【华人之光Ⅱ】施扬(2):“工作狂”的悲喜剧。

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