每個細(xì)胞器背后都是一個傳奇

1、每個細(xì)胞器背后都是一個傳奇1665年，英國科學(xué)家胡克(R. Hooke)利用自已發(fā)明的顯微 鏡首次觀察到細(xì)胞，弁用“小房子"(cell)來描述這種特殊結(jié)構(gòu), 從而開啟了細(xì)胞研究的大門。19世紀(jì)中葉，兩位德國科學(xué)家施菜登(M.Schleiden) 和施萬(T.Schwann)提出細(xì)胞學(xué)說，確 立“細(xì)胞作為生命體結(jié)構(gòu)和功能基本單位”的地位 ，由此形成 細(xì)胞生物學(xué)。20世紀(jì)四五十年代，隨著亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、溶酶體和過氧化物酶體等的發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞生物學(xué)研究 進(jìn)人到亞細(xì)胞和分子水平。在學(xué)科發(fā)展過程中誕生了許多著 名細(xì)胞生物學(xué)家，德迪夫(Christian de Duve,1917-201

2、3年)就是其中之一，他因發(fā)現(xiàn)溶酶體和過氧化物酶體而分享1974年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎 。早期經(jīng)歷1917年10月2日，德迪夫出生于英國倫敦郊外泰晤士 迪頓(Thames Ditton),父親阿方斯(Alphonse deDuve)是比 利時人，而母親馬德萊娜.蓬斯(MadeleinePungs) 是德國人.他們?yōu)槎惚艿谝淮问澜绱髴?zhàn)，從比利時暫時搬到英國。1920年，全家搬回比利時,德迪夫在安特衛(wèi)普(Antwerp)長大，精通英語、德語、法語和弗拉芒語四種語言。德迪夫在安特衛(wèi)普 的圣母學(xué)院完成初等教育,1934年秋進(jìn)人天主教勒芬大學(xué)(CatholicUniversity ofLeuven) 學(xué)習(xí)

3、，專業(yè)是古代人文。大學(xué)期間，德迪夫?qū)W習(xí)了拉丁文、哲學(xué)和數(shù)學(xué)等課程.但對醫(yī)學(xué)和科學(xué)更感興趣，樹立終身從事科研的理想。1938年，德迪夫畢業(yè)后一方面就讀醫(yī)學(xué)院弁最終獲得醫(yī)學(xué)學(xué)位（1941年），另一方面開始胰島素研究。生物化學(xué)研究1935年，德迪夫進(jìn)入生理學(xué)家鮑卡爾特（J. Bouckaert）實驗室工作。鮑卡爾特重點(diǎn)研究胰島素作用機(jī)制。當(dāng)時有兩種觀點(diǎn)，多數(shù)推測胰島素作用于外周肌肉發(fā)揮效應(yīng)，而少數(shù)認(rèn) 為胰島素影響肝臟葡萄糖代謝，鮑卡爾特認(rèn)為后者更接近真 實。德迪夫通過實驗支持了鮑卡爾特的觀點(diǎn)。第二次世界大戰(zhàn)的爆發(fā)嚴(yán)重影響了德迪夫的實驗進(jìn)程。戰(zhàn)爭期間，德迪夫加人比利時軍隊，作為軍醫(yī)為士兵服務(wù)。但一-次

4、在法國南部執(zhí)行任務(wù)的過程中不幸被德軍俘獲，在隨后押 往戰(zhàn)俘營時憑借自身語言天賦（熟練的德語能力）而成功逃脫。回到比利時后，德迪夫?qū)⑶捌诮Y(jié)果歸納總結(jié)后發(fā)表在比利時生 理學(xué)家海曼斯（C. Heymans,1938年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎獲得者）主辦的雜志上。1945年德迪夫撰寫了專著 葡萄糖、 胰島素和糖尿病，同年分別在布魯塞爾和巴黎出版。德迪夫 還綜述了胰島素進(jìn)展弁推測胰島索的作用機(jī)制。論文的發(fā)表使德迪夫逐漸在胰島素研究領(lǐng)域嶄露頭角,為進(jìn)一步工作奠定了基礎(chǔ)。1944年5月.德迪夫認(rèn)為胰島素注射升血糖效應(yīng)是由于混有胰高血糖素的緣故，胰高血糖素也由胰腺產(chǎn)生，因此在胰 腺提取物分離胰島素的過程中容易混有

5、胰高血糖素,通過結(jié)晶才可分離。德迪夫懷疑美國禮米公司(EliLillyandCompany)的胰島素存在胰高血糖素污染,用禮來公司胰島素注射兔子可引起高血糖，而自己制備的胰島素則不存在這種效應(yīng)。禮來 公司進(jìn)一步的研究證實了德迪夫的結(jié)果，所以不僅沒有為難 德迪夫，反而在財政上支持他的科學(xué)研究,為德迪夫獨(dú)立開展實驗提供了資金保證。1946年，德迪夫由于青霉素純化的工作獲得化學(xué)碩士學(xué) 位。德迪夫為更深人理解胰島素作用的生物化學(xué)機(jī)制，中請 到瑞典生物化學(xué)家特奧雷爾(H.Theorell, 1955年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎獲得者)實驗室工作。在 18個月時間里，德迪夫 系統(tǒng)掌握了生物化學(xué)的基本操作，弁參與

6、了人血紅蛋白純化 逐漸成長為一名優(yōu)秀的生物化學(xué)家。由于特奧雷爾弁不從事 胰島素研究，因此德迪夫央定尋找新的工作單位。1947年秋，德迪夫回到比利時，獲得勒芬大學(xué)生理化學(xué)講 師職位，但根據(jù)合同需要到1948年1月底才能開始工作，他決定充分利用短短幾個月的時間來開展胰島素工作。德迪夫 獲得進(jìn)人美國華盛頓大學(xué)糖代謝研究大師科里夫婦實驗室的 機(jī)會，在特奧雷爾幫助下申請到洛克菲勒基金會獎學(xué)金以完 成旅程。德迪夫到達(dá)美國圣路易斯后，科里夫婦去瑞典參加1947年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎的頒獎儀式了,因此他與實驗室博士后薩瑟蘭(E.Sutherland, 1971年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī) 學(xué)獎獲得者)進(jìn)行合作。德迪夫和

7、薩瑟蘭的合作富有成效短短4個月，他們初步確定胰高血糖素由胰腺a細(xì)胞生成。回到比利時，德迪夫繼續(xù)深人研究胰高血糖素，以證實a細(xì)胞的來源。他用金屬鉆處理豚 鼠以選擇性地破壞胰腺a細(xì)胞，結(jié)果胰高血糖素含量急劇降低但胰島素?zé)o變化；對富含胰腺 a細(xì)胞的鳥類檢測，發(fā)現(xiàn)含有 更高濃度胰高血糖素，這些證據(jù)確定胰高血糖素由a細(xì)胞生成。這項工作有效地揭示出，同一器官可以分泌生理效應(yīng)截然相反的兩種激素，為理解血糖調(diào)節(jié)的機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。轉(zhuǎn)向細(xì)胞生物學(xué)1948 年初，德迪夫按原計劃從美國圣路易斯回國，途中經(jīng)過紐約，訪問了洛克菲勒醫(yī)學(xué)研究所，受到比利時同胞克洛德(A.Claude)的熱情招待，弁結(jié)識了克洛德的學(xué)生-帕拉德

8、(G. Palade)。那時，德迪夫無法想到他們?nèi)藢頃黄鸱窒砜茖W(xué) 界的最高榮譽(yù)。在路克菲勒醫(yī)學(xué)研究所，德迪夫了解到細(xì)胞 生物學(xué)的最新進(jìn)展，也對克洛德的研究工作有所了解。20世紀(jì)上半葉，細(xì)胞仍被看作神秘且無法詳細(xì)研究的實 體，光學(xué)顯微鏡可展現(xiàn)細(xì)胞基本結(jié)構(gòu)，即細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)和 細(xì)胞核，盡管已鑒定部分亞細(xì)胞器,如線粒體和高爾基體等，但 無法獲得更精細(xì)結(jié)構(gòu)，這就阻礙了細(xì)胞功能的研究。真正的突破來自克洛德的一系列奠基性工作。1930年代，克洛德發(fā)明細(xì)胞組分分級分離 (cell fractionation) 技術(shù)，利用該技術(shù)將 細(xì)胞色素氧化酶、琥珀酸氧化酶和細(xì)胞色素c等定位于線粒體，從而確定了線粒體

9、是細(xì)胞氧化的主要場所。1940年代中期，細(xì)胞組分分級分離逐漸成為亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)研究的必要手段 之一。1944年，克洛德又與波特 (K. R. Porter)等合作，得到 了第一張清晰的培養(yǎng)細(xì)胞電子顯微鏡照片，顯示了細(xì)胞內(nèi)多種精細(xì)名構(gòu)，包括致密細(xì)胞核、不同長度線粒體、靠近細(xì)胞核的 高爾基體以及充滿細(xì)胞質(zhì)的花紋狀結(jié)構(gòu)(后被命名為內(nèi)質(zhì)網(wǎng))等。這次重大突破 開啟了現(xiàn)代細(xì)胞生物學(xué)的大門，為深人研究細(xì)胞精細(xì)結(jié)構(gòu)莫定了基礎(chǔ)。電子顯徽鏡亦很快成為細(xì)胞生 物學(xué)研究的重要工具。細(xì)胞生物學(xué)的最新進(jìn)展使德迪夫拓寬 了視野弁增長了見識，而克洛德、波特和帕拉德等洛克菲勒 細(xì)胞生物學(xué)小組成員充滿朝氣的風(fēng)格、非凡卓越的能力及豐

10、碩的成果都給德迪夫留下了深刻印象，也對德迪夫?qū)淼难芯科鹆酥匾饔谩Ｈ苊阁w的發(fā)現(xiàn)1948年,德迪夫開始在勒芬大學(xué)擔(dān)任教職，由于能力卓 越,1951年升任教授。在勒芬大學(xué)，德迪夫-方面教授生物化學(xué)課，另一方面花費(fèi)大量時間繼續(xù)研究胰島素的作用機(jī)制。德迪夫確定肝臟葡萄糖-6-磷酸酶在葡萄糖生成中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，隨后與學(xué)生探索胰島素如何影響葡萄糖-6 -磷酸酶進(jìn)而調(diào)節(jié)血糖。德迪夫首先將肝臟組織與蒸儲水混合，碾碎制備勻漿，利用蛋白質(zhì)純化技術(shù)獲得需要的酶。然而 ，研究中遇到 了重大麻煩，酶純化后無法再次溶解，這為進(jìn)一步的活性研究帶來巨大障礙。為此，德迪夫放棄純化思路，轉(zhuǎn)而尋求細(xì)胞組分 分級分離技術(shù)。結(jié)果發(fā)

11、現(xiàn)，葡萄糖-6-磷酸酶主要在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)部分 發(fā)揮酶活性，后來該酶亦成為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的標(biāo)志酶之一。用組分代替純酶為研究帶來另一個問題，即需要保證每次實驗酶量一致，為此將不參與糖代謝的酸性磷酸酶定為內(nèi)部參照。然而采用細(xì)胞組分分級分離技術(shù)得到的酸性磷酸酶活性僅有用單純酶純化方法得到的10% o多次重復(fù)都獲得類似結(jié)果。一次實驗獲得大量細(xì)胞組分，由于時間原因而暫時 放置冰箱以備后續(xù)利用，五天后取出實驗卻驚奇地發(fā)現(xiàn)酶活性基本恢復(fù)。為避免操作誤差,德迪夫讓學(xué)生重復(fù)了實驗 ,放置 冰箱一段時間后檢測，酶活性確實得到了恢復(fù)。德迪夫推測組分放置冰箱后，由于凍存而損傷膜式結(jié)構(gòu)，因此導(dǎo)致這種膜式結(jié)構(gòu)含有的酶釋放而增加酶活性，據(jù)

12、此認(rèn)為酸性磷酸酶也 是一種膜包被的酶。除冷藏外，冷凍，加熱和添加去污劑等操作 均可提升勻漿酸性磷酸酶活性，這些結(jié)果進(jìn)一步印證了該酶 定位于膜包被的細(xì)胞器。最初，德迪夫認(rèn)為酸性磷酸酶定位于線粒體，但后來利用修改的克洛德方法將線粒體部分進(jìn)一 步分成輕重兩部分,細(xì)胞色素氧化酶等典型線粒體標(biāo)志酶富 集在重部分，而酸性磷酸酶大部分集中在輕部分，由于位于線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中間，故命名為“中間微體”。到 1955年， 德迪夫共鑒定出5種“中間微體”標(biāo)志酶，除酸性磷酸酶外：還有核糖核酸酶.組織蛋白酶、脫氧核糖核酸酶和B-葡萄糖醛酸酶。由于這些酶主要參與水解反應(yīng)，故將這一新細(xì)胞器命名為溶酶體(lysosome)。1

13、955年，在布魯塞爾召開的第三屆國際生化會議期間：電子顯微鏡專家諾維科夫(A. Novikoff)訪問德迪夫?qū)嶒炇役烷_展合作。諾維科夫獲得部分純化溶酶體的清晰電子顯微鏡 照片，照片顯示了多個溶酶體結(jié)構(gòu)。德迪夫和諾維科夫應(yīng)用 特異性酶染色，同時借助光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡證實酸性磷酸酶定位于溶酶體，進(jìn)一步確定溶酶體是一種新細(xì)胞器。今天，已鑒定出五十多種溶酶體特異酶,它們既發(fā)揮正常的細(xì)胞內(nèi)消化功能，如對蛋白質(zhì)、多糖、脂類和核酸等大分子 的降解，又參與對人侵細(xì)菌、毒素、異常細(xì)胞產(chǎn)物和衰老細(xì)胞 等相關(guān)組分的降解和重新利用，在多個細(xì)胞過程中發(fā)揮關(guān)鍵 作用。因此，溶酶體內(nèi)特定酶基因突變或功能異?？蓪?dǎo)致相關(guān)

14、疾病發(fā)生,如戈謝病和糖原貯積癥II型等。這些統(tǒng)稱溶酶體貯積病，德迪夫提出可通過補(bǔ)充相關(guān)酶而實現(xiàn)疾病治療，從 而開啟了 “替代療法”方案的時代。德迪夫在研究溶酶體功能的過程中還發(fā)現(xiàn)了自噬 (autophagy.) 現(xiàn)象。1963年，德迪夫在溶酶體國際會議，上 首次提出自噬概念，它是指細(xì)胞將自身物質(zhì)消化的過程，以區(qū)自噬是真核細(xì)別于細(xì)胞消化外源物質(zhì)的異噬(heterophagy)胞內(nèi)關(guān)鍵的溶酶體通路，可用于降解和再利用大量細(xì)胞元件，如長壽命蛋白質(zhì)和整個細(xì)胞器等。目前，細(xì)胞內(nèi)共鑒定出三 類自噬，即微自噬、巨自噬和分子伴侶介導(dǎo)的自噬。自噬從酷 母到人廣泛存在，且機(jī)制高度保守。自噬是細(xì)胞饑餓狀態(tài)下獲 得營

15、養(yǎng)物質(zhì)以維持基本生存的方式；自噬還可清除細(xì)胞內(nèi)錯誤折疊或功能異常蛋白質(zhì)，也可清除衰老或有缺陷的細(xì)胞器；自噬還參與抵御微生物入侵的免疫應(yīng)答過程中的抗原遞呈等。自噬異?？蓪?dǎo)致多種疾病如腫瘤、衰老和心腦血管疾病等。目前，自噬已成為生命科學(xué)研究的前沿課題之一，拓展了對生命現(xiàn)象的理解和認(rèn)識 ,為疾病治療提供了新機(jī)遇 ，而德迪夫的 貢獻(xiàn)無疑是奠基性的。過氧化物酶體發(fā)現(xiàn)德迪夫還鑒定了另一細(xì)胞器一過氧化物酶體 (peroxisome),加深了對亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的理解和認(rèn)識。1954年,瑞典博士研究生羅丁(J.Rhodin)使用電子顯微鏡首先在小鼠腎小管中觀察到直徑約0.5微米且由單層膜包被的細(xì)胞器，根據(jù)形態(tài)將其命名

16、為微體(microbody)。隨后在其他類型細(xì)胞中也觀察到它的存在，但詳細(xì)結(jié)構(gòu)及生物功能不得而知。1965年，德迪夫利用細(xì)胞組分分離技術(shù)從大鼠肝臟獲得 微體，由于對其標(biāo)志酶和功能知之甚少，故仍沿用微體概念。德迪夫決定為它尋找一個更貼切的名稱。由于研究發(fā)現(xiàn)微體可生成和降解過氧化氫，因此命名為過氧化物酶體，弁暗示與細(xì)胞內(nèi)氧化相關(guān)，過氧化氫酶堿性 3,3'-二氨基聯(lián)苯胺顯色反應(yīng)的引人為過氧化物酶體提供了特異性染色法，進(jìn)-步在光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡下證實了德迪夫命名的正確性。1968年，德迪夫和助手改進(jìn)細(xì)胞組分分級分離技術(shù)，獲得足夠量的過氧化物酶體 ，溶酶體和線粒體三種細(xì)胞器。德迪 夫研究了多

17、種細(xì)胞過氧化物酶體，弁對它們的精細(xì)形態(tài)進(jìn)行 詳細(xì)描述，同時鑒定了大量過氧化物酶體的標(biāo)志酶，奠定了過氧化物酶體研究的基礎(chǔ)。今天，人們對過氧化物酶體已有較多理解，其存在于幾乎所有真核細(xì)胞，由大量氧化酶類組成，40%以上為過氧化氫酶，過氧化氫酶亦被看作標(biāo)志酶。過氧化物酶體參與支鏈脂 肪酸，D-氨基酸、多胺等代謝及縮醛磷脂生物合成等廣泛生物 學(xué)過程。1974年，克洛德、帕拉德和德迪夫“由于細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能組織的發(fā)現(xiàn)”而分享諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。諾貝爾獎委員會的評價是“三人的研究成就為現(xiàn)代細(xì)胞生物學(xué)誕生發(fā)揮了重要作用”?？寺宓掳l(fā)明現(xiàn)代細(xì)胞生物學(xué)兩項基本技術(shù)，帕拉德進(jìn)一步完善電子顯微鏡在細(xì)胞結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用

18、，而 德迪夫則改進(jìn)細(xì)胞組分分級分離技術(shù)，為細(xì)胞生物學(xué)研究提 供了全新手段。另一方面，三位科學(xué)家還各自發(fā)現(xiàn)了新細(xì)胞器：克洛德發(fā)現(xiàn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)以及線粒體精細(xì)結(jié)構(gòu),帕拉德發(fā)現(xiàn)核糖體，德迪夫先后鑒定出溶酶體和過氧化物酶體奠定了現(xiàn)代細(xì)胞生 物學(xué)基礎(chǔ)，對推動細(xì)胞生物學(xué)乃至生命科學(xué)發(fā)展具有重要意義。生命起源研究1970年代后期,德迪夫開始研究生命起源問題?；瘜W(xué)起源 說認(rèn)為存在兩個階段：（1）宇宙化學(xué)反應(yīng)階段，從無機(jī)小分子生 成有機(jī)小分子；（2）生物化學(xué)階段，出現(xiàn)具有催化和復(fù)制功能的 分子（目前較認(rèn)可為 RNA）。德迪夫進(jìn)-一步將生物化學(xué)階段細(xì) 化為三個亞階段，即前 RNA階段、RNA階段和蛋白質(zhì)-RNA 階段。在

19、前RNA階段，德迪夫認(rèn)為硫酯發(fā)揮重要作用，硫酯本 身含有高能鍵，參與物質(zhì)代謝，發(fā)揮類似“能量貨幣 ”ATP的 作用。在起源機(jī)制上,德迪夫傾向于外源說。 一些科學(xué)家認(rèn)為早期 生命形成類似于橋牌，德迪夫?qū)Υ顺植煌捶ǎJ(rèn)為這種類比不恰當(dāng)，因為橋牌中事件是平行關(guān)系，而生命形成為遞進(jìn)關(guān)系,橋牌中連續(xù)出現(xiàn)理想牌型的概率幾乎不可能發(fā)生，除非存在人為操作,因此生命產(chǎn)生過程也需要神秘力量的操作，像RNA這樣精密的分子不可能通過隨機(jī)過程產(chǎn)生。在三十多年時間內(nèi)，德迪夫?qū)ι鹪磫栴}進(jìn)行了全面探索，出版了一系列有影響力的論文和專著，包括細(xì)胞藍(lán)圖：生命特征和起源（1991年）、生機(jī)勃勃的塵埃：生命作為宇宙之 必然（1996年）、生命起源和演化的制約（1998年）.生 命演化；分子、思想和意義（2002年）等。德迪夫認(rèn)為，目前生命起源研究主要基于理論假說，理論源于對已有現(xiàn)象的合理假設(shè)，一般缺少直接證據(jù)。探索生命起源的研究展現(xiàn)出德迪夫 晚年的基本科研興趣所在，即思考人生、感悟生命。科學(xué)貢獻(xiàn)1962年，德迪夫加人洛克菲勒醫(yī)學(xué)研究所弁成為教授，每