众里寻“他“:关于高血脂的故事(三)
过多的胆固醇会抑制胆固醇的合成---一套在小到细胞大到人类社会和宇宙中都非常普遍的负反馈循环机制。 
2015-4-29 16:44:37
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王立铭

本文转载自“以负墒为生”微信公众号

读者们应该还记得,在上期的故事里,金帅哥和棕帅哥在1973年成功在培养皿中培育了人类的表皮细胞,并通过监测这些细胞中HMG辅酶A还原酶的活性,间接的了解了这些细胞合成胆固醇的能力。利用这套简单而优美的系统,他们发现血液中的低密度脂蛋白颗粒能够高效抑制细胞合成胆固醇。

过多的胆固醇会抑制胆固醇的合成---一套在小到细胞大到人类社会和宇宙中都非常普遍的负反馈循环机制。

接下来,他们打算用这套系统做什么呢?

按照反向工程的研究思路,他们大可以利用手里这套胆固醇“发动机”雏形,一一试验两万多个基因“零件”对于发动机功能的影响。这样的工作虽然琐碎,但是却可以平平安安的让他们了解汽车大致的工作原理。身体里什么样的物质能够如何影响胆固醇合成?对这个问题的系统描述应该足以让他们两个人的照片进入所有生物化学的教科书了。

他们当然也可以直截了当的利用这套系统,通过大规模筛选寻找出能够抑制胆固醇合成的小分子化合物---也许它就是无数高血脂病人们期待已久的神奇药物。这样的发现也几乎肯定会让他们俩在名垂青史的同时腰缠万贯,成为知识转化为财富的最佳代言人。事实上,我们后面的故事会讲到,在历史上用来发现降脂药物的方法比他们两个建立的系统要繁琐低效很多倍。

不过我们的金帅哥和棕帅哥没有走两条道路中的任何一条。他们的目光,在此时投向了一种极其罕见、在百万人中仅有几例病患的遗传病。通过对这种极端罕见的疾病的研究,两位科学家用一种甚至可以称得上戏剧化的方式,向我们展示了看起来曲高和寡的实验室研究,是如何摧枯拉朽般在广袤得多的时空尺度上影响我们的生活的。

古希腊的智者,被后世称为科学之父的米利都的泰勒斯因为对科学和哲学的全心追求,生活过的相当拮据。因此当地有位商人嘲笑他,说你研究的东西有什么用处呢,它们甚至都不能让你吃饱肚子!泰勒斯对此的回应是,他在来年利用自己的天文学知识成功预测了橄榄丰收并大赚一笔,之后离开商业,重新开始自己的思考和研究。我们知道,他其实是在用行动回答这位商人、也是后世无数质疑科学和科学家的人的疑问:我们不是没有能力赚钱,只是我们有更有趣、更重要的事情要做,而已。

是啊,更重要的事情要做。对于我们这个已经基本解决了生存问题的物种来说,了解自己,毫无疑问是件“更重要”的事情吧。

至少我相信,1973年的约瑟夫·高尔斯坦和麦克.布朗一定是这么想的。

1974年。

在两位帅哥在实验室里没日没夜的培养细胞、监测胆固醇合成速度的时候,一对忧心忡忡的父母带着他们十二岁的男孩约翰.戴斯普塔(John Despota)走进了心脏科医生尼尔·斯通(Neil Stone)的诊所。

他们的孩子约翰从三岁起就被持续的病痛折磨着:皮肤下大大小小疙疙瘩瘩的脂肪瘤,不分昼夜的心绞痛,无时不在的疲惫感。在这对绝望的父母来到芝加哥拜访斯通医生之前,他们被告知自己的孩子可能最多只有一年的生命了。

在简单的检测和问诊过后,斯通很快确定,自己面前的这个孩子患有一种叫做家族性高胆固醇血症(Familial Hypercholesterolemia, FH)的极端罕见病。斯通医生知道,这种疾病的发病率大约只有百万分之一,患者血液内的胆固醇以及低密度脂蛋白含量有正常人的六倍之高。很多患者从五岁起就必须要面对冠心病和心肌梗塞的严重威胁,他们当中的很多人会在成年之前死去。


家族性高胆固醇血症患者皮下的脂肪瘤。这些脂肪瘤是因为过量的低密度脂蛋白在血管壁堆积产生的

心情沉甸甸的斯通医生给小约翰设计了一整套的治疗方案:严格控制脂肪摄入的食谱、同时服用包括烟碱酸在内的数种药物。但是很遗憾,小约翰的病情并没有得到有效的控制。不得已之下,斯通为小约翰安排了每两周一次的全身血液透析,用机器去除小约翰体内的过量胆固醇。可是,这样的手术虽然勉强能让小约翰保住性命,但是确实是太痛苦、太繁琐、也太低效了。

可是这已经是整个临床医学界对抗这种恶疾的最好办法了,斯通无奈的想。

差不多在这个时候,斯通看到了1973年金帅哥和棕帅哥发表在美国科学院院报上的文章,知道了两位科学家能够在体外培养人的表皮细胞从而研究胆固醇调节的机理。于是斯通医生取下了一点儿小约翰的表皮细胞,从芝加哥寄往达拉斯。

这些细胞也许能帮助科学家们研究一下这种疾病吧。

对于斯通医生来说,这或许仅仅只是一种安慰自己和小约翰一家的想法。

受到金帅哥和棕帅哥的研究报告所鼓舞的医生们不止斯通一人。在1973年后,两位科学家在达拉斯的实验室收到了来自不同医院的好几例家族性高胆固醇血症患者的表皮细胞样品。两位科学家意识到,利用他们手里独特的研究方法,也许揭秘这种痛苦疾病的机会已经降临了。

按照同样的研究思路,两位科学家很快在培养皿里培养出了来自患者表皮的成纤维细胞,并且也观测到了这些细胞里胆固醇合成的速度(对,也是通过检测HMG辅酶A还原酶的活性大小)。很快他们发现,如果去除培养液中的血清成分,正常人和病人细胞合成胆固醇的速度都是相当快的,而加入来自血液的低密度脂蛋白后,正常人细胞合成胆固醇的速度很快下降几乎完全停止,而患者细胞仍在不知疲倦的合成胆固醇,就像完全没有意识到自己周围已经有太多的胆固醇存在一样。

那么会不会是因为家族性高胆固醇血症患者体内的HMG辅酶A还原酶发生了遗传变异,使其活性异常升高,导致了这种严重疾病呢?金帅哥和棕帅哥很快证明了不是这样的:患者体内的这种蛋白质不管从数量还是动力学性质都和正常人别无二致。

因此只剩下一个显而易见的结论了:家族性高胆固醇血症之所以发生,是因为某种遗传突变使得这些患者的细胞没有能力“感受到”血液中胆固醇(严格来说,是低密度脂蛋白)的水平,因此会源源不断合成胆固醇的缘故。

换句话说,我们开篇提到的关于胆固醇的负反馈调节被破坏---胆固醇合成的发动机,找不到刹车踏板了。

那么,细胞又到底是怎么样“感受”胆固醇的呢?

一个简单并且合乎逻辑的可能性是,低密度脂蛋白可以装载着胆固醇直接跨过细胞膜进入细胞,从而提高细胞内胆固醇的浓度,直接影响胆固醇合成的速度。

这个想法相当自然。因为我们已经知道,我们的细胞膜是由包括胆固醇在内的脂类分子构成的,那么胆固醇理论上确实可以轻而易举进入细胞,就像墨汁在水中扩散。

但是这个解释很快被证明错误,因为两位科学家发现,胆固醇分子几乎完全无法进入那些来自家族性高胆固醇血症患者的细胞。这个简单的发现说明胆固醇进入细胞一定需要通过某种“主动”的生物学机制,而不会仅仅是按照热力学定律自由扩散进入细胞。

为了详细的追踪低密度脂蛋白分子是如何与细胞发生作用的,在那个显微镜成像技术仍然非常落后的时代,金帅哥和棕帅哥用放射性同位素标记了低密度脂蛋白,这样至少他们可以利用放射性同位素能够给胶片显影的这个特点,追踪低密度脂蛋白的去向。

首先他们意识到,放射性的低密度脂蛋白可以与表皮细胞表面牢牢的结合在一起。而如果同时加入大量的没有放射性的低密度脂蛋白,细胞表面的放射性信号会大大减弱乃至几乎消失。这个实验结果本身并没有提供太多的新信息:低密度脂蛋白分子,无论是否有放射性,应该具备同样的结合细胞表面的能力。那么显然,当环境中非放射性分子数量大大超过放射性分子数量的时候,后者就会被淹没在前者的汪洋大海里,从而失去与细胞表面结合的机会。这种现象被恰如其分的叫做“竞争性结合”。

但是接下来的实验就开始变得有趣了:两位科学家发现,如果事先在培养皿里加入放射性的低密度脂蛋白,经过一段时间之后,再加入非放射性的脂蛋白颗粒,细胞膜上的放射性信号就不会被减弱直至消失,而是会持续的、长时间的存在。竞争结合的现象消失了!

仅仅是改变一下时间顺序,为什么会出现这么大的差别?金帅哥和棕帅哥在发表于1974年的第二篇里程碑式的文献里并没有做过多的猜测和推断。他们只是简单地说,这个结果也许说明低密度脂蛋白分子能够被细胞表面所“吸收”(take up),所以不再会被竞争结合所替换掉。一个无法忽视的背景是,至少在当时的科学界,认为胆固醇分子可以根据热力学定律轻易通过细胞膜的想法实在是太过强大了,两位年轻人不希望贸然的提出自己的论断,招来过多的质疑和阻力。他们相信实验和数据本身能说明一切。

然而,对于任何一个有生物学背景的读者,应该都不难猜到,金帅哥和棕帅哥的实验结果清晰地指向了几乎是唯一符合逻辑的解释:带有放射性的低密度脂蛋白分子,应该是和细胞表面的一个蛋白质特异性结合,随后通过某种机制被“搬运”到细胞内了。这样它们就可以避免与后来加入的大量脂蛋白分子产生竞争结合,从而可以持续的产生放射性信号。

胆固醇---低密度脂蛋白--结合细胞表面受体--进入细胞--抑制胆固醇合成。

当我们回头重新审视四十年前的实验数据,胆固醇合成的刹车系统已经被完整和清晰地勾画出来。

在此之后,这对建立实验室仅仅三年的黄金搭档开始招兵买马,他们不再是“一个人在战斗”了。金帅哥和棕帅哥慢慢地变成了金老头和棕老头,他们和他们的同事们在时光的背影里留下一个又一个伟大的发现,使得现在的我们可以骄傲地宣称,胆固醇和围绕着它的几乎全部奥秘,已经被完整的、详细的描绘了出来。

让我们按下快进键,匆匆欣赏一下他们的足迹吧:

1976年,高尔斯坦和布朗利用小约翰.戴斯普塔的细胞,证明低密度脂蛋白确实可以与细胞表面结合,并被细胞“吞噬”。而小约翰的细胞却无法结合并吞噬低密度脂蛋白,从而导致了严重的高胆固醇血症。

1978年,高尔斯坦和布朗与日本科学家远藤章(Akira Endo)合作,证明了远藤刚刚发现的一种化学物质确实能够有效抑制HMG辅酶A还原酶的活性,从而为这种物质进入临床应用打开了大门。这类后来被命名为“他汀类”的化合物成为整个人类历史上最畅销的药物分子,到今天,有超过三千万美国人服用他汀类化合物预防心脏病。我们接下来的故事会更详细的介绍这段历史。

1979-1982年,他们的学生沃尔夫冈·施耐德(Wolfgang Schneider)成功的分离并纯化出之前存在于假想中的、位于细胞表面并可以结合低密度脂蛋白的物质,并命名为低密度脂蛋白受体(LDL receptor)。

1983年,他们的学生大卫·罗素(David Russell)成功克隆出低密度脂蛋白受体的mRNA序列。罗素目前仍在达拉斯西南医学中心从事研究工作,美国科学院院士。

1985年,他们的学生托马斯·苏道夫(Thomas Sudhof)成功鉴定出低密度脂蛋白的基因组序列,并开始尝试理解这个蛋白本身是如何被调控的。苏道夫现任教于斯坦福大学,美国科学院院士。他因为对神经元突触囊泡释放的研究获得2013年诺贝尔生理及医学奖。

1985-1989年,他们的学生海伦·霍布斯(Helen Hobbs)利用分子生物学和人类遗传学手段,发现家族性高胆固醇血症患者的低密度脂蛋白受体基因上存在大量遗传突变。霍布斯目前仍在达拉斯任教,美国科学院院士。在故事的最后,我们还会讲到霍布斯对高血脂疾病的另外一个杰出贡献。

1993-1994年,他们的学生王晓东纯化和分析了一种名为胆固醇调节元件结合蛋白(SREBP)的蛋白质,这种分子能够在调节低密度脂蛋白受体的合成。SREBP的发现,证明了胆固醇合成至少存在两条负反馈调节机制:一条是通过抑制HMG辅酶A还原酶,一条是通过降低低密度脂蛋白受体的数量。王晓东已经回到中国,建立了著名的北京生命科学研究所,并继续其研究工作,美国科学院院士,中国科学院外籍院士。

。。。

五十年的时光匆匆而过。到今天,我们仍然可以在达拉斯西南医学中心的实验楼里找到金老头和棕老头的联合实验室。实验室里杂乱无章的瓶瓶罐罐,实验室外走过的穿着白大褂的年轻人,似乎也和五十年前的模样别无二致。尽管金帅哥和棕帅哥已经变成了金老头和棕老头,他们一同在实验室在报告厅讨论科学问题的习惯好像也看不到太多的变化。

不同的是,在他们实验室外的长廊上悬挂着的照片,向我们讲述着如今人们对胆固醇调节机制的全方位理解,也展示着过去四十年来从他们实验室里走来的许许多多年轻人的身影。

我们不该忘记,是这样一群人,用自己的青春、智慧和坚持,把隐藏在我们身体里、由造物在千万年中精雕细琢的秘密呈现给我们,赚足我们的惊叹和崇拜。而这些秘密,也已经在每一天的生活中,帮助我们塑造更好的自己。

我们的故事马上就要跨越太平洋,来到日本一家小小的药厂。


如今的“金老头”和“棕老头”。四十年的亲密合作,成就一段硕果累累的旅程

下期预告:《众里寻“他”》(四),故事从科学家转向医药产业界。在金老头和棕老头在德州他们的实验室里一点点揭示胆固醇调节的奥秘时,太平洋对岸的日本,一家制药公司里的小科学家远藤章独自打响了“刺杀”胆固醇的战斗。最终在1978年,太平洋两岸的联手为人类打开了通向降脂药物宝库的大门。

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