2017年度邵逸夫生命科學與醫學獎平均頒予伊恩 • 吉本斯 (Ian R Gibbons)羅納德 • 韋爾 (Ronald D Vale),以表彰他們發現微管相聯的馬達蛋白:驅動人類細胞和細胞內對生長、分裂和生存至為重要的活動的發動機。伊恩 • 吉本斯 是美國加州大學柏克萊分校客席研究員。羅納德 • 韋爾是美國加州大學三藩市分校細胞與分子藥理學教授暨美國霍華德休斯醫學研究所研究員。

動物和植物細胞具有精細的纜線和絲狀體網絡,能以精密設計的高速系統編制細胞質內的物質輸送,部份的細胞室在微米範圍內作短距離移動,而其他部分,特別在神經細胞中,可由細胞體穿行到神經末梢的頂端,移動範圍可從毫米到多達幾厘米。最先發現的絲狀體是由稱為肌動蛋白的蛋白質組成,和肌肉細胞中呈現紋狀體結構的蛋白質相同。肌動蛋白絲互相滑過,產生肌肉收縮,並由一種稱為肌凝蛋白的馬達蛋白來驅動。肌凝蛋白令肌動蛋白絲迅速滑動的現象,早在1940年代於肌肉組織內首先被發現,並在1970年代在其他真核細胞中再次被發現其可作為收縮活動基礎。真核細胞還具有另一個網絡,以一種稱為微管蛋白的蛋白質結集成為圓柱形纜線,稱為微管。微管就像運輸帶一樣,讓膜隔室在細胞內作長距離移動。此外細胞表面纖毛能以拍打的方式來增加液體在脈管例如血管和腸道內的流動,單真核細胞的鞭毛能促使其在液態環境下推進等,都是基於微管的作用。微管還組織染色體的正常分離和遺傳,在細胞分裂期間參與染色體的複製、分裂和分配至子細胞。

伊恩 • 吉本斯羅納德 • 韋爾發現了兩個馬達蛋白家族:動力蛋白和驅動蛋白,它們將粒子和膜隔室沿著微管移動,增強微管在纖毛內搏動,及遺傳物質在細胞分裂時細胞核分解作準備的染色體的前後移動。

吉本斯使用簡單的酶分析法,水解高能量的化合物腺苷三磷酸,從單細胞真核生物四膜蟲纖毛的微管結構,即軸絲中,分離出動力蛋白。利用限制使用腺苷三磷酸或使用粘膠媒介限制動力蛋白的活動的方法,他的實驗簡練的證實它的酶活性與軸絲的彎曲波紋密切相關。也許,這些早期的實驗顯示動力蛋白在軸絲中產生與鄰近蛋白相對的微管滑動,最令人嘆為觀止。當他分解軸絲中微管之間的連接蛋白質,再加入腺苷三磷酸時,通過光學顯微鏡他觀察到微管的滑動。吉本斯將畢生的職業生涯專注在了解動力蛋白怎樣運作。他對動力蛋白進行克隆和測序,結果顯示動力蛋白是腺苷三磷酸酯酶的一種特別類型,在一種多肽中具有六個連接的結構域。我們現在明白到動力蛋白的活動不但有助於纖毛和鞭毛的軸絲運動,還有助於細胞內所有形式的運輸,包括細胞分裂過程中的染色體分配。

作為一個非常年輕的科學家,韋爾發現了驅動蛋白,這是第三種細胞骨架的馬達蛋白。他的發現開啟了生物學上一個重要的研究領域,該領域在隨後的30年裡蓬勃發展,有關文獻已超過6000篇。

韋爾專注馬達蛋白是怎樣運作的這個核心問題,並成為這方面研究的先驅者。他證明驅動蛋白是沿著微管的單一絲狀體移動,展示了驅動蛋白的第一個原子分辨結構(該結構出人意表地顯示出驅動蛋白與肌凝蛋白有古老的結構同源性),確定了動力蛋白最早期的其中一個原子結構,並進行了巧妙的單分子生物物理學實驗來顯示驅動蛋白和動力蛋白的步進行為。

韋爾也為科學教育作出了三方面的重要貢獻。他曾在美國馬薩諸塞州伍茲霍爾海洋生物實驗室工作了幾年,擔任生理學課程主任。並將他所採用的高科技實驗手段的教學法帶到印度,他和同事們在班加羅爾進行了相當卓越的現代光學顯微鏡課程。或許最令人印象深刻的是,韋爾創立了一個互聯網教育計劃iBio研討班,從擴展各類型iBiology項目中,實現將生物學普及至各年齡階層的抱負。

吉本斯韋爾發現的微管馬達是人類發育和染色體遺傳過程的核心部份。沒有了這些馬達,多細胞生長和分裂是不可能進行的。事實上,神經疾病、精神分裂和神經退化症等疾病都與這些馬達蛋白基因相關。這一個基礎科學的發現再次闡明了一個對人類健康極為重要的細胞基本屬性。
 

邵逸夫生命科學與醫學獎遴選委員會
(譯自英文原稿)


2017年6月17日  香港 (修訂版)