百年诺贝尔之

2004年诺贝尔奖

生理学与医学奖• The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2004 was

awarded jointly to Richard Axel and Linda B. Buck "for their discoveries of odorant receptors and the organization of the olfactory system"

The vivid world of odours

• 在科学上长久以来，人类如何辨识数以千计的气味仍是一个谜团。• Linda B. buck 和 Richard Alex 随后独立进行精确、相呼应的研究，

从分子层次到组织阐明了嗅觉系统。• 两人发现了 1,000 个基因的庞大家族以及对等数目的嗅觉感受器

（ OR ）种类。基因数量约占人体基因的 3% ，大幅增加已知的人类嗅觉基因子量。而嗅觉受体基因位于嗅觉受体细胞内，这种细胞聚集在人体上鼻腔的一小块区域，检测鼻腔吸入的各种不同气味分子。

The olfactory system

破解嗅觉之谜 • 在对人体所有功能感觉的研究中，嗅觉一直是最神秘的领域。

科学家们已经发现，味觉比视觉记忆更长久。视觉记忆在几天甚至几小时内就可能淡化，而产生嗅觉和味觉的事物却能令人记忆长久。在某种特殊气味刺激下，人们记忆的闸门突然打开。

• 但是，对复杂嗅觉的形成原理和过程的研究还一直处在探索阶段。对于嗅觉系统如何辨别一万种以上气味的基本原理仍然不能完全解释。

• 琳达在 1985 年读到有关气味分子的察觉的机制潜能，因而对嗅觉研究感到兴趣。

寻找气味受体蛋白• 人体的嗅觉体系包含 5 百万嗅觉神经，它们直接把收到的

嗅觉信息发送给大脑的嗅觉区。嗅觉神经将神经纤毛深入鼻腔黏膜中，科学家们相信，这些纤毛上一定有专门探测气味分子的蛋白质。

• 一直以来，科学家们都在力求找到这些特殊的受体蛋白质，因为受体蛋白是解答嗅觉两大问题的关键所在。– 嗅觉系统是怎样把上千种的气味分子区分开来；– 大脑怎样处理不同的嗅觉信息来区分不同的气味。

不同寻常的假设 • 阿克塞尔与巴克着重于基因方面的研究给这一领域带来了全新的进展。• 他们在研究中并没有直接针对受体蛋白，而是转向嗅觉细胞中决定蛋

白质的基因。• 巴克首先取得了一个“非常巧妙的”新突破。她做的三个假设极大缩

小了研究范围。1. 假设受体在形态上和功能上的一些特性，这就能缩小研究范围。2. 假设气味受体是一个相互关联的蛋白质家族中的成员，这样就可以从大型蛋白质族群入手研究。

3. 锁定只对嗅觉细胞中出现的基因进行研究。

• 阿克塞尔称，巴克的大胆假设为他们的研究至少节省了好几年的时间，这使得研究小组就能集中对一些可能专门为受体蛋白质而编码的基因进行研究，从而取得较大进展。

破解嗅觉之谜• 在 1991 年巴克还是阿克塞尔领导的实验室的

一名博士后研究员时，两人共同发现了决定气味受体编码的一大基因家族。气味受体处于鼻腔上部的嗅觉细胞中，它们能探测吸入气体中的气味分子。每一个气味受体细胞内只会包含一个类型的气味受体；而每一种气味受体能察觉一定数量的气味物质。

• 1999 年，相关的基因密码被破译。根据这种密码，每个气味感受器能识别多种气味，每种气味也能被多个气味感受器识别，因此，气味感受器是通过一种复杂的合作方式一起识别气味。

破解嗅觉之谜

庞大的嗅觉受体基因家族• 人类总共有 339 种

不同的 OR GENE

也就是所谓的嗅觉受器基因，而这些嗅觉受器基因又可以分别转录转译出339 种不同的嗅觉受器。除了这些OR GENE 以外人体内有另外 297 种伪嗅觉基因。

找寻 OR 基因与气味分子的对应关系

• 这张树形图是依照 OR GENE

上 DNA序列的相似度所绘出来的，也就是说在越末端的分支他们彼此之间的 DNA序列就越相似，而黄色的部份是人类的 OR GENE另一条分支出去的紫色跟灰色部分则是鱼类的 OR GENE ，另外蓝绿色的部份则是目前已知鼠类的 OR

GENE ，利用鼠类与人类共有的 OR GENE 来解开人类的OR GENE 与气味分子的对应关系。

嗅觉基因的分布• 339 种嗅觉基因分别分布在人类 21条染色体当中的 51 个位置，以他们转录

转译出来的嗅觉受器结构以及跟气味分子的对应关系分成 172 种次家族也就是所谓的 Subfamilies 。

• 这张图则是 OR 基因在染色体中的分布 (红色部分 ) ，其中第 8 、第 20 以及Y染色体上没有 OR 基因的分布，而第 11 对染色体 OR 基因分布最密集。

嗅觉讯息的传导路径• 嗅觉信息的传导由气味分子结合在受器上开始，这些受器位于被特化的神经元上，不同的受器被活化后会因为 GPCR 的作用而使得讯息被往上传，接着不同的神经元传递的讯息，会从鼻子的上皮膜出发，经由筛板进而进到位于大脑底部的嗅球中，嗅球中有许多不同的嗅小球，每个嗅

小球都是在上皮膜上个别的神经元所汇聚之处，因此如图所示，不同颜色所代表的是带有不同受器的个别神经元，也可以看到在嗅球中的嗅小球也因此区分出了颜色上的差异，这些讯号经由嗅小球的整理后，经由僧帽细胞的传递计入大脑的皮质区，这个区域我们称之为 OC(Olfactory

cortex) 接着经由大脑的处理，产生了嗅觉。

嗅觉信息的处理• 嗅觉系统的信息处理，从受器开始到大脑内的整合就好比一台机器，

这台机器可以译码然后传输到远处再由组合辨识出原本的密码，不同的受器就扮演解碼的角色，因为不同的受器可以结合在气味分子的不同化学结构上，使得特定气味分子的化学结构特性可以被表现出来，经过独立的传达到了嗅球，进而到了大脑的嗅觉皮层中。

化学奖• The Nobel Prize in Chemistry 2004 was awarded jointly

to Aaron Ciechanover, Avram Hershko and Irwin Rose "for the discovery of ubiquitin-mediated protein degradation".

蛋白质的降解过程• 蛋白质是构成包括人类在内的一切生物的基础，

有些蛋白质需要被消灭，这一过程称作降解。 • 近几十年来科学家在解释细胞如何制造蛋白质方

面取得了很多进展，却很少有人对蛋白质的降解问题进行深入研究。

• 对于生物体而言，蛋白质的生老病死至关重要。蛋白质是由氨基酸组成的，氨基酸如同砖头，而蛋白质则如结构复杂的建筑。

蛋白质的降解过程• 上世纪 70 年代末 80 年代初，切哈诺沃、赫什科

和罗斯进行了一系列研究，发现生物体内存在着两类蛋白质降解过程，一种是不需要能量的，比如发生在消化道中的降解，这一过程只需要蛋白质降解酶参与；另一种则需要能量，它是一种高效率、指向性很强的降解过程。

• 这三位科学家发现，一种被称为泛素的多肽在需要能量的蛋白质降解过程中扮演着重要角色。这种多肽由 76 个氨基酸组成，它最初是从小牛的胰脏中分离出来的。它就像标签一样，被贴上标签的蛋白质就会被运送到细胞内的“垃圾处理厂”，在那里被降解。

Ubiquitin - a common polypeptide that represents the "kiss of death".

由泛素化介导的蛋白质降解• 这三位科学家进一步发现了这种蛋白质降解过程的机理。原来细胞中存在着

E1 、 E2 和 E3三种酶，它们各有分工。– E1负责激活泛素分子。– 泛素分子被激活后就被运送到 E2 上， E2负责把泛素分子绑在需要降解的蛋白质上。

但 E2 并不认识指定的蛋白质，这就需要 E3帮助。– E3具有辨认指定蛋白质的功能。当 E2携带着泛素分子在 E3 的指引下接近指定蛋

白质时， E2 就把泛素分子绑在指定蛋白质上。

• 这一过程不断重复，指定蛋白质上就被绑了一批泛素分子。被绑的泛素分子达到一定数量后，指定蛋白质就被运送到细胞内的一种称为蛋白酶体的结构中。

• 蛋白酶体实际上是一种“垃圾处理厂”，它根据绑在指定蛋白质上的泛素分子这种标签决定接受并降解这种蛋白质。蛋白酶体是一个桶状结构，通常一个人体细胞中含有 3 万个蛋白酶体，经过它的处理，蛋白质就被切成由 7 至 9 个氨基酸组成的短链。

• 这一过程如此复杂，自然需要消耗能量。

由泛素化介导的蛋白质降解

The cell's waste disposer, the proteasome. The black spots indicate active, protein-degrading surfaces.

• The E1 enzyme activates the ubiquitin

molecule. This reaction requires

energy in the form of ATP.

• The ubiquitin molecule is transferred

to a different enzyme, E2.

• The E3 enzyme can recognise the

protein target which is to be destroyed.

The E2-ubiquitin complex binds so

near to the protein target that the

actual ubiquitin label can be

transferred from E2 to the target.

• The E3 enzyme now releases the

ubiquitin-labelled protein.

• This last step is repeated until the

protein has a short chain of ubiquitin

molecules attached to itself.

• This ubiquitin chain is recognised in

the opening of the proteasome. The

ubiquitin label is disconnected and the

protein is admitted and chopped into

small pieces.

泛素化蛋白降解的生物学意义• 细胞通过给无用蛋白质“贴标签”的方法，帮助人体将那些被贴上标

记的蛋白质进行“废物处理”，使它们自行破裂、自动消亡。 这一新发现，使人们在分子水平上理解人体化学现象成为可能，诸如细胞循环、 DNA修复、人类基因转移和最新产生的人体蛋白质数量如何控制等，这些化学现象都是非常重要的生物化学程序。

• 泛素调节的蛋白质降解过程如同一位重要的质量监督员，通过它的严格把关，通常有 30％新合成的蛋白质没有通过质检，而被销毁 。但如果它把关不严，就会使一些不合格的蛋白质蒙混过关；如果把关过严，又会使合格的蛋白质供不应求。这都容易使生物体出现一系列问题。

• 人体蛋白质的死亡形式，可帮助人们解释人体免疫系统的化学工作原理。如果人体细胞的蛋白质处理过程发生故障，包括一些癌症在内的各种人体疾病就会紧跟着出现。

泛素化蛋白降解与细胞周期控制

细胞周期中控制染色体分离的机制：剪刀代表分解蛋白质的酵素而绑住剪刀的绳子代表它的抑制剂， APC 将这条绳子贴上标签造成绳子的分解，剪刀就会释放出来，接着将那条绑在染色体周围的绳子切断，最后造成染色体分离。

在减数分裂时，错误的染色体分裂，是造成孕妇自然流产最常见的原因；一条多出来的人 类第 21号染色体会导致唐氏症；大部份的恶性肿瘤会具有数目改变的染色体，其原因也是由于有丝分裂时错误的染色体分裂。

泛素化蛋白降解与癌症• p53 是一个肿瘤抑制基因，在一个正常

细胞中， p53 一直不断的被制造和分解，因此其数量是很低的，而它的分解是透过泛素标签化过程以及负责与p53 形成复合体的相关 E3酵素来调控；当 DNA 受到损伤后，蛋白质 p53会被磷酸化而无法与 E3酵素结合， p53 的分解无法进行，因此细胞内的 p53 数量迅速增高。 p53会与控制 DNA修补以及细胞凋亡的基因结合，并调控该基因，当它的数量升高时会影响细胞周期藉以保留时间给 DNA修补的运作，倘若这个 DNA 的损伤过于严重，计划性细胞凋亡将会启动而导致细胞的“自杀”。

泛素化蛋白降解与癌症

• 人类乳突病毒（ HPV ）的感染与子宫颈癌的发生有极大的关联性，这个病毒避开了 p53 所控制的关卡，它的方法是透过它的蛋白质去活化并改变某一个 E3酵素 (称为 E6-AP) 的辨识行为， E6-AP被骗去将蛋白质 p53

贴上死亡的标签而造成 p53 的消失，这个后果是被感染的细胞无法正常的修补其 DNA 所受到的伤害或者引起计划性细胞凋亡， DNA 突变的数目增加最后终于导致癌症的发生。

泛素化蛋白降解与免疫 / 发炎反应

• 免疫防御系统中，被病毒感染的细胞，会利用泛素 - 蛋白解体系统，将病毒蛋白质降解到适当大小的多肽，这些多肽会被呈献到细胞的表面。 T淋巴细胞会辨识这些多肽然后攻击这些细胞，这是我们的免疫系统对抗病毒感染的一项重要防御方式。

Ubiquitylation tags invading bacterial pathogens by targeting bacterial proteins or associated host components. Adaptor proteins, such as p62, NDP52 and optineurin (OPTN), that bind to both ubiquitin and the ubiquitin-like protein LC3, link ubiquitin-tagged bacteria with the autophagic machinery. Antibacterial peptide precursors are targeted in a similar manner by p62 so that the antibacterial peptides are produced in the intracellular compartments that contain the bacteria.