三位诺奖得主的传奇:他们革命性地改变了人类对免疫系统的理解

2021
09/24

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生物世界
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撰文| 卢颖 刘琪

编辑| Winner


01

免疫防御的第一道防线——先天免疫系统

口腔溃疡、头疼脑热、感冒发烧、腹胀腹泻这样的情况,在很多时候如果不予理会,短则几小时、多则五六天就会自然消失。那么,是什么神奇的力量让这些症状消失的呢?事实上,这些疾病症状通常是由细菌、病毒、寄生虫等病原微生物侵入人体破坏体内的组织细胞导致的,而在人体中,早已进化出一套成熟的机制来抵抗这些外敌入侵,这种机制就是我们的免疫系统。

 

免疫系统分为两种:先天免疫系统(固有免疫系统)后天免疫系统(适应性免疫系统)。先天免疫是生物体在长期发育和进化过程中逐步形成的天然防御功能,是机体抵御和消除病原体侵犯的第一道防线。先天免疫系统是不针对特定抗原非特异性的防御机制,一般在病原体入侵的数小时内起效,是人体对外界病原体的最初级防御手段。

 

科学家们已经在先天免疫领域做出了许多的杰出工作。其中朱尔斯·霍夫曼(Jules A. Hoffmann)布鲁斯·博伊特勒(Bruce A. Beutler)拉尔夫·斯坦曼(Ralph M. Steinman)三位科学家获得了2011年诺贝尔生理学或医学奖,表彰理由是他们在关于先天免疫机制激活的发现和树突状细胞(dendritic cell, DC)发现中做出的卓越贡献。


2011年诺贝尔生理学或医学奖得主:(左起)朱尔斯·霍夫曼、布鲁斯·博伊特勒和拉尔夫·斯坦曼。

 

在病原体突破屏障侵入机体之后,会激活固有免疫细胞发挥非特异性杀伤吞噬作用。相较于适应性免疫细胞而言,这些天然免疫细胞表面没有表达像T、B细胞的TCR、BCR这样能识别抗原的受体,这时如同人眼睛一样的模式识别受体就应运而生。


模式识别受体(PRR)是存在于吞噬细胞和树突状细胞等固有免疫细胞表面、胞内器室膜上或者血清中能够直接识别病原体及其产物共有的特定分子结构。模式识别受体的发现要归功于两位杰出的科学家——朱尔斯·霍夫曼和布鲁斯·博伊特勒。


02

从Toll基因到昆虫先天免疫

1941年8月2日,霍夫曼出生在卢森堡埃希特纳赫,他的父亲是一位高中生物学教师。霍夫曼童年的美好时光就是跟随父亲到乡下的池塘收集和辨认各种昆虫,在父亲的熏陶下,霍夫曼痴迷于昆虫的世界,并在17岁那年发表了题为“卢森堡水生异翅目昆虫”的论文。这不免让人联想起达尔文的童年趣事,生命科学的发现之路总是惊人的相似,达尔文对自然的观察和探索成就了《物种起源》,而热爱和好奇心让霍夫曼从大自然到实验室,一路走进昆虫的世界,敲开了诺贝尔奖的大门。

 

昆虫类占所有现存动物物种的80%左右,它们在植物授粉中功勋卓著,同时在传播微生物病原体和破坏农作物中臭名昭著。从零到一的发现往往来自于问出一个最基本和最重要的科学问题,这在科学史上屡试不爽。霍夫曼从小就注意到昆虫能够完美地抵抗感染,然而昆虫是否具有免疫力,又是如何产生抵抗病毒和细菌感染的物质,构筑自身的防御工事,这些问题都让霍夫曼着迷。

 

强大的内在驱动力让霍夫曼大学毕业后来到皮埃尔·乔利教授的实验室,这是当时斯特拉斯堡大学唯一一个对昆虫模型进行研究的小组。在实验室昆虫内分泌相关的研究中,昆虫个体间的器官移植很常见,然而却从来没有发生过感染,乔利教授意识到昆虫中必然存在着某种抗菌防御反应,而霍夫曼也对这一现象表现出极大的兴趣,他在博士期间的研究课题就是对蚱蜢抗菌防御机制的研究。

 

在20世纪60年代,霍夫曼只能借助实验生物学、经典组织学和电子显微镜来研究这个课题,他观察到在微生物感染发生后,蚱蜢血液中的吞噬细胞会大量增加,成为其抵御感染的重要手段,那时人们对昆虫的造血还知之甚少,霍夫曼最终在蚱蜢幼虫和成虫的腹部背侧血管附近鉴定出了造血组织,并进一步探究了造血组织的功能。


霍夫曼发现,经过X射线照射的蚱蜢会很快死于微生物感染引起的败血症,而假照射组则能正常存活,这确认了昆虫造血系统在抗菌防御方面的关键作用,这一发现也为他之后很多年的研究工作奠定了基础。


朱尔斯·霍夫曼(Jules A. Hoffmann)

为了深入研究昆虫的先天免疫防御机制,霍夫曼转而以果蝇作为模式生物进行基因水平的研究。1996年,通过人工诱导果蝇的基因突变,观察果蝇的性状,霍夫曼揭示了果蝇Toll基因在识別感染源、激活天然免疫反应中具有关键作用。Toll基因突变阻断了细胞受到刺激后产生抗菌肽的通路,从而使果蝇失去抵抗细菌和真菌的功能。小小的果蝇推动免疫学跨出了一大步,在诺贝尔奖的丰碑上,果蝇作为研究模型又立下大功一件。

 

霍夫曼与妻子既是生活中的伉俪,也是科研中的工作伙伴,在学术报告的致谢环节,霍夫曼总会首先表达对妻子的感谢。值得一提的是,霍夫曼与中国渊源颇深,2011年10月3日下午,当诺贝尔奖评委会打来电话时,霍夫曼夫妇正在上海浦东世纪公园旁的一家餐厅品尝螃蟹,而就在9月28日他刚刚在香港获得邵逸夫奖。


得知获得诺奖,正在中国访问交流之际,中科院上海生命科学院的同行和老友随即为他送来了鲜花和祝贺。近几年,霍尔曼与中国的情缘愈加深厚,与中国科学家合作开展了很多研究项目,致力于抗病毒、抗感染以及肿瘤防治领域的基础研究和应用。


03

从脂多糖受体到哺乳动物先天免疫

当霍夫曼在法国斯特拉斯堡大学的实验室进行果蝇研究的同时,博伊特勒正在小鼠中寻找脂多糖受体,这时候大家对哺乳动物中固有免疫细胞如何感知病原体还一无所知。

布鲁斯·博伊特勒(Bruce A. Beutler)

 

与霍夫曼一样,博伊特勒的科学之路也是受到了父亲的影响。他的父亲是一位杰出的血液学家和遗传学家,21岁就获得了医学博士学位,随后专攻血液学,获得盖尔德纳奖并入选美国科学院院士。老博伊特勒最著名的成就是1962年发现人类X染色体的随机失活,推动了生物医学很多领域的进步。

 

博伊特勒对生物学浓厚的兴趣就是从小时候起与父亲无数次谈论科学中培养起来的,并在很早就建立了对遗传变异和自然选择的认知,慢慢从一个科学的观察者成长为探索未知的实验者。在高中和大学阶段,博伊特勒就有机会到各个优秀的实验室学习,这为他后来的科学道路奠定了坚实的基础。


值得一提的是,在加州大学圣地亚哥分校的亚伯拉罕·布劳德实验室,博伊特勒第一次听到“内毒素”这个词,也就是大多数革兰氏阴性菌的细胞壁成分——脂多糖。只不过那时候博伊特勒还没有意识到,寻找脂多糖受体会成为他获得诺贝尔奖工作的核心。

 

杰出的科学家父亲无疑是博伊特勒职业生涯最好的引路人,父亲一直把做“重要的事情”作为人生信条。在老博伊特勒看来,疾病往往可以解释新的和重要的生物学原理,他建议博伊特勒去医学院读书。


在18岁大学毕业后,博伊特勒来到芝加哥大学学习医学,毕业后在得克萨斯大学西南医学中心进行了两年的住院医生实习,临床的训练让他对于机体如何运作有了更为深刻的认识,然而繁忙的临床工作让博伊特勒几乎没有做研究的时间,他开始怀念在实验室工作的乐趣。那是生物学史上大师辈出的黄金年代,分子克隆的黎明也即将到来,博伊特勒迫不及待地想要投身其中,登上这趟正在飞驰的科学列车。

 

结束内科实习后,博伊特勒加入洛克菲勒大学安东尼·切拉米实验室进行博士后研究,在那里,他开始研究恶病质素(Cachectin)。既往的研究表明,恶病质素能够抑制脂肪细胞中脂蛋白脂肪酶的合成,被认为是恶病质中导致机体消瘦的原因。然而博伊特勒敏锐地觉察到那可能只是冰山一角,早年积累的丰富的蛋白纯化经验,让博伊特勒很快就纯化出了恶病质素蛋白,并且制备出了识别它的抗体。


博伊特勒先前就观察到巨噬细胞受到脂多糖刺激后会大量产生恶病质素,并推测它可能参与了脂多糖诱导的内毒素休克。让博伊特勒感到欣喜的是,当他用恶病质素的抗体免疫小鼠后,这些小鼠就可以免受脂多糖诱导的死亡。


显而易见,恶病质素作为一个关键因子介导了脂多糖的致死作用,进一步通过序列比对,博伊特勒发现小鼠恶病质素与人的肿瘤坏死因子(TNF)高度同源,以往它是作为一个抗肿瘤蛋白被大家所关注,而博伊特勒博士后时期的开创性研究证明了这个蛋白也具有促炎性,也是这项工作将博伊特勒带到了炎症研究领域。

 

TNF-α抑制剂结构

很快,博伊特勒就在炎症因子领域赢得了声誉,并回到得克萨斯大学西南医学中心,创建了自己的实验室,围绕着肿瘤坏死因子展开了一系列基础和转化研究。


炎症性疾病是人类健康的一大威胁,其病因非常复杂,其中类风湿性关节炎的主要致病因子就是TNF-α,由激活的单核细胞、巨噬细胞、T淋巴细胞分泌,博伊特勒团队针对这类疾病开发了阻断肿瘤坏死因子的融合蛋白,并申请了这个融合蛋白的专利,最终把专利卖给了Immunex公司,后来被安进公司收购,成为全球最畅销的融合蛋白药依那西普(etanercept),用于治疗类风湿性关节炎和其他几种炎症性疾病。

 

在基础研究层面,博伊特勒团队关注两个重要的科学问题,即肿瘤坏死因子的生物合成是如何被调控的,以及巨噬细胞是如何被脂多糖激活的,问题的核心指向了脂多糖受体。


1965年,来自加州大学伯克利分校的赫普纳和韦斯报道了C3H/HeN品系的小鼠会死于革兰氏阴性菌感染引起的炎症和感染性休克,而与之相近的C3H/HeJ品系则耐受革兰氏阴性菌的感染,博伊特勒意识到介导内毒素反应的关键基因发生了突变,这个关键基因会是脂多糖受体吗?所有的问题都集中到一点,找到耐受脂多糖反应的突变基因。

 

博伊特勒确信这将是一个非常有意义的工作,为了鉴定这个发生突变的基因,他花了5年的时间,长期没有产出使得博伊特勒的执着和坚持在旁人看来毫无意义,连父亲都劝他不要把鸡蛋放在同一个篮子里。但是,这一次博伊特勒遵从了内心的坚持。


1998年9月的一个晚上,博伊特勒通过BLAST比对,鉴定出小鼠中Toll 基因的同源体TLR4就是脂多糖受体,并证实了正是TLR4基因的突变使得C3H/HeJ小鼠免受脂多糖刺激诱导的炎症反应和败血性休克,同样对脂多糖感兴趣的同事送来了香槟,庆祝免疫系统识别微生物的传感器被揭开神秘面纱的重要发现,至此,哺乳动物如何识别病原微生物也有了答案。

 

在发现脂多糖受体到获得诺贝尔奖的13年间,博伊特勒结交了很多先天免疫领域的挚友,与霍夫曼团队也开展了开放而融洽的合作。博伊特勒和霍夫曼惺惺相惜,经常一起徒步,一起探讨科学和人文。

 

当被问起成功归因于什么,博伊特勒说,我没有Plan B,就自信而坚定地向着一个目标跑去,而成功就在那里。

 

如果说模式识别受体的发现是给固有免疫细胞安上了一双眼睛,那么树突状细胞则为固有免疫和适应性免疫搭建起一座桥梁。


04

树突状细胞的发现者——拉尔夫·斯坦曼

              

拉尔夫·斯坦曼和树突状细胞

 

2011年算得上是诺贝尔生理学或医学奖基金委最为忙碌的一年,却又是值得载入诺贝尔奖史册的一年。就在这一年的10月3日上午11时30分,瑞典诺奖组委会宣布拉尔夫·斯坦曼将分享2011年度诺贝尔生理学或医学奖的一半奖金,奖励其在树突状细胞发现中做出的卓越贡献。然而,令人无比遗憾的是,当天下午14时30分,组委会才从美国洛克菲勒大学方获悉,这位科学巨匠在三天前的9月30日已与世长辞。

 

诺贝尔奖基金委早在1974年就规定,原则上诺贝尔奖不授予已去世的人。斯坦曼的逝世显然是在组委会的意料之外。当天下午诺贝尔奖基金委召开紧急临时会议,做出一个史无前例的决定,不取消斯坦曼所获奖项,所有奖金将作为遗产由其家人支配。斯坦曼的夫人与三个子女一致决定将诺贝尔奖金全部捐献慈善机构,用于支持科学发展与科学教育。


拉尔夫·斯坦曼和赞维尔·科恩

 

斯坦曼是免疫学界第一位用自己的研究,亲自以身试药的传奇科学家。他于1943年出生于加拿大魁北克的一个犹太移民家庭,父亲是来自东欧的犹太移民,母亲经营着一家百货超市。斯坦曼从小就是一个充满活力有无限精力却又“不太听话”的孩子,父亲希望他能接手家族企业,然而,他却喜欢上了科学研究,并为之奋斗终生。

 

1963年在麦吉尔大学获得学士学位之后,斯坦曼奔赴哈佛大学医学院攻读医学博士学位,在此开启了对细胞生物学与免疫学的系统学习。1970年,在马萨诸塞州总医院完成医学训练之后,本着对生物医学的热爱,斯坦曼做了改变他一生命运的决定,加入了洛克菲勒大学,从事细胞生物学与免疫学方向的科学研究。在这里,他遇到了跟他一样有着临床医学与生命科学背景的博士后合作导师赞维尔·科恩(Zanvil A. Cohn)

 

在与斯坦曼合作之前,科恩已是享誉世界的巨噬细胞生物学之父。在当时,巨噬细胞被认为是固有免疫系统中最多、功能最强大的吞噬细胞。然而在研究中,斯坦曼发现,单纯的巨噬细胞不能直接攻击病原体,可当他们把从小鼠脾脏提取出来的混合物与病原体混合后,就会激发免疫反应,说明这种混合物里面一定有一种新的细胞能够作为桥梁来激活病原体诱导的免疫反应。


随之他们观察到一个形状类似于树枝样的细胞,于是他们认为,这是一种新型诱发适应性免疫的细胞。可是他们的理论当时并不被同行所认可,由于这种细胞同时具备吞噬功能(先天性免疫)和抗原呈递细胞的功能(获得性免疫),一度被认为是巨噬细胞的一种,甚至有些人认为这些所谓的细胞是实验过程中带入的杂细胞。

 

但年轻的斯坦曼依旧发挥了他“不听话”的特质,毅然力排众议,坚持自己的观点,并且用大量的实验数据为之正名。之后与科恩一起,将他们的发现发表在JEM杂志上。由于在显微镜下这种细胞成熟时细胞膜伸出许多类似于神经细胞的突起,他们就将之命名为树突状细胞。

 

在此后多年30的时间里,斯坦曼一直在他的所建立的树突状细胞生物学领域潜心耕耘,多方合作,用一系列的实验证实这种含量极少的细胞其实是免疫系统的前沿哨兵,在机体多个组织中来回巡逻,捕捉外来的病原体,将其吞噬分解成细小的分子片段呈现在细胞表面,并送到淋巴细胞区域,将这些抗原信息递呈给T细胞,指导它们正确地歼灭这些外来入侵者,而不误伤正常的组织细胞。

 

现如今我们已经知道,树突状细胞可以通过递呈抗原激活T淋巴细胞参与治疗多种免疫性疾病,如移植排斥、感染、肿瘤免疫治疗和一些自身免疫病。然而在当时,斯坦曼用了三年的时间发现了树突状细胞,却用了20年的时间让世人去相信树突状细胞的存在。


拉尔夫·斯坦曼与合作者讨论他的诊疗方案

 

命运像是与斯坦曼开了一个玩笑,又像是对他提出了一个考验。2007年,斯坦曼被确诊为IV期胰腺癌,并被通知只有6至8个月的生存时间。胰腺癌是一种被称之为癌症之王的生存率极低的恶性肿瘤,在那时被诊断为胰腺癌几乎等同于被判死刑。即使在现在,胰腺癌也让人闻风丧胆。作为一名早期受过临床训练的医生,斯坦曼一直都在思考如何将他的研究服务于临床,他坚信树突状细胞能够并且应该被应用于疾病治疗。

 

于是在得知自己得病后,他联合世界各地的合作者一起,在自己身上开展了树突状细胞实验。尝试了8种实验方法,从斯坦曼体内取出肿瘤于小鼠体内扩增,将肿瘤抗原或者肿瘤RNA注射到树突状细胞中使其表达肿瘤抗原,再将这种树突状细胞回输到拉尔夫体内,激活T细胞发挥抗肿瘤效应。与此同时,联合吉西他滨化疗,最终延长了斯坦曼四年半的寿命。


当然,由于没有实验对照,我们也无从得知这种树突状细胞疗法是否发挥了正向抗肿瘤的作用,但是不得不提,在当时,胰腺癌IV期患者能存活四年半已经是一个奇迹。

 

斯坦曼的生命于诺奖宣布前三天被划上了句号,可是科学的探索永不会止步。在随后的几十年时间里,以树突状细胞为基础的肿瘤疫苗开发激起了医学科学界的热潮,通过疫苗回输与常规化疗药联合治疗,能有效延长晚期恶性肿瘤病人的生存时间,包括晚期前列腺癌、胃癌、肾癌、脑癌、卵巢癌、黑色素瘤以及非小细胞肺癌。

 

值得关注的是,近期研究表明,树突状细胞疫苗对于晚期卵巢癌的治疗效果非常可喜。来自宾夕法尼亚的研究小组通过氧化病人自身的肿瘤细胞裂解物处理产生树突状细胞疫苗(OC-DC),三周一次连续六个月治疗卵巢癌晚期病人,两年生存率高达100%,而对于不对树突状细胞有响应的对照组的两年生存率仅为25%。并且其中一位预后极差,IV期的卵巢癌病人在接受连续两年的OC-DC治疗之后癌细胞得到有效控制,之后的5年都保持了无病状态。

 

三位诺奖得主的传奇说明,生物学的进步是一个漫长又费力的过程,既要有敏锐洞察力,又要有不畏权威坚持不懈的恒心。敢于去探索未知,或许我们就能获得真理。

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关键词:
霍夫曼,斯坦,多糖,树突,一个

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