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生理医学2 皮埃尔·尚邦：尚邦5分钟前获2021年诺贝尔生理学或医学奖

2021/09/22

导读

凭借核苷酸研究获博士学位多聚ADP核糖现象的发现真核生物RNA聚合酶的发现曾与诺奖失之交臂核受体家族的发现推动药物研发

2021年诺贝尔生理学或医学奖获得者：

皮埃尔·尚邦（Pierre Chambon ）

撰文 | 郭晓强

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北京时间2021年10月4日下午5点30分，2021年诺贝尔生理学或医学奖公布，法兰西学院院士、生物学家皮埃尔·尚邦（Pierre Chambon ）获得该奖。

获奖理由：奖励他在核受体研究中的突破性贡献。

20世纪50年代到80年代是分子生物学发展黄金期，诞生多位分子生物学大师，他们的研究结果奠定今天生命科学的基础。教科书中许多耳熟能详的分子生物学名词如多聚核糖基化、RNA 聚合酶、核小体、启动子、增强子、核受体等都与一位伟大的科学家相关，他就是今天获得诺贝尔生理学或医学奖的皮埃尔·尚邦（Pierre Chambon）。

凭借核苷酸研究获博士学位

1931 年 2 月 7 日，尚邦出生于法国东部的米卢斯（Mulhouse）。1956年，尚邦进入斯特拉斯堡医学院学习，除完成基本医学课程外，将近一半时间用在曼德尔（Paul Mandel）领导的生物化学研究所开展研究工作。

1953年，DNA 双螺旋模型的提出使 DNA 和 RNA 重要性日趋凸显。1955年，美国纽约大学医学院奥乔亚（Severo Ochoa）和一名博士后从细菌中发现一种多核苷酸磷酸酶，该酶以二核苷酸（NDP）为底物合成多聚核苷酸，由于 RNA 分子就是一种多聚核苷酸，并认为该酶负责将 DNA 遗传信息传递给 RNA，奥乔亚也因此分享了1959年诺贝尔生理学或医学奖。遗憾的是后来发现，多核苷酸磷酸酶合成多聚核苷酸过程并不依赖模板，因此并非科学家期待的 RNA 聚合酶，而真正的细菌 RNA 聚合酶直到1959年才正式发现。

奥乔亚的发现激发了曼德尔浓厚兴趣，因此让尚邦也从事这方面研究。尚邦最初研究构成 RNA 四种碱基（腺嘌呤A、鸟嘌呤G、胞嘧啶C、尿嘧啶U）、一磷酸（NMP）、二磷酸（NDP）和三磷酸（NTP）化合物在脾脏和骨髓中分布，结果表明体内 RNA 合成原料应该为 NTP，而非奥乔亚所使用 NDP。凭借这些结果，尚邦于1958年获得博士学位。不久，这一结论被更多实验证实，尚邦从而取得第一项科学发现——解决 RNA 生成过程的原料问题。

多聚ADP核糖现象的发现

成功使尚邦对科研产生浓厚兴趣，毕业后继续留在曼德尔实验室开展研究。

尚邦感兴趣的问题是真核生物中遗传信息如何传递。根据克里克中心法则，遗传信息从DNA传递到RNA的过程称为转录，也就是以 DNA 为模板将四种NTP聚合生成RNA，催化这一步骤的酶称为RNA聚合酶。原核RNA聚合酶的鉴定成功促使尚邦和同事威尔（Jacques Weill）决定进一步在真核生物中尝试，他们选定鸡肝脏作为实验素材。在被问及为何选择鸡肝脏而不是通常采用的大鼠肝脏时，尚邦风趣回答 “斯特拉斯堡当地人只吃鸡，不吃大鼠”。

尚邦最初认为实验会非常顺利，令他始料不及的是，实验体系首先就出现了问题。和原核生物（缺乏细胞核）不同，真核生物RNA聚合酶与染色质结合紧密，从而为分离和纯化带来极大困难，因此不得不暂时搁置，寻找其他项目。

20世纪60年代，以维生素为主的营养学是一个重要方向。1961年底，曼德尔决定探索维生素B3（尼克酰胺）在肾脏保护中的价值，由于当时还在研究真核生物RNA聚合酶，因此尚邦决定研究尼克酰胺对转录过程的影响。

尚邦在体外用尼克酰胺衍生物NMN处理鸡肝细胞核匀浆，结果发现同位素标记的ATP生成大分子聚合物的速度大大加快。尚邦最初推测和奥乔亚类似，生成多聚腺苷酸（PolyA），然而进一步分析发现，事实并非如此。因为除ATP外，NMN也参与了反应，证明应该生成一种不同于PolyA的新型聚合物，这一结果于1963年发表。

尚邦和学生经过两年多研究，最终确定这一新型聚合物基本单位是腺苷二磷酸核糖（adenosine diphosphate ribose, ADPR），生成产物成为多聚ADP核糖（PAR），合成原料为NAD，而NAD恰恰是尚邦当初实验应用的ATP和NMN反应生成，就这样取得这一重大发现。

图2 ploy A和PAR

尚邦当时未能意识到这一发现的重要性，没有开展更深入研究。其原因是多方面的：首先，尚邦志不在此，他更多关注的是转录机制，也就是RNA聚合酶；其次，由于团队人数有限，只好遵循 “有所为，有所不为” 原则，集中精力研究RNA聚合酶。直到30年后，已经 “兵强马壮” 的尚邦才重新回到这一领域。

然而，尚邦开创的这一全新领域吸引了其他科学家的注意，他们进一步确定了催化该过程的酶，命名为PAR聚合酶（PAR polymerase, PARP），并发现该酶具有广泛的生物学功能，如著名的PARP1就参与了碱基修复和癌症发生，因此成为药物研发的重要靶点。目前，FDA已批准多种PARP用于乳腺癌等疾病治疗，如奥拉帕尼（Olaparib）、卢卡帕尼（Rucaparib）和尼拉帕尼（Niraparib）和他拉唑帕尼（talazoparib）等。

真核生物RNA聚合酶的发现

实验的成功使尚邦对科研产生浓厚兴趣，同时也获得学术上的提升。1962年尚邦成为生物化学副教授，1968年成为教授，并建立起自己独立科研团队。1966年是尚邦学术休假的一年，他在斯坦福大学阿瑟·科恩伯格（Arthur Kornberg）实验室进修（注：阿瑟·科恩伯格1959年因发现DNA聚合酶而分享诺贝尔生理学或医学奖），一方面熟悉了科研团队管理，另一方面进一步掌握了酶学研究新技术。

1968年，回到斯特拉斯堡大学的尚邦集中精力寻找真核生物RNA聚合酶。

当时，有研究人员发现一种真菌毒素α-鹅膏蕈碱（α-amanitin）对DNA转录具有抑制作用，从而为RNA聚合酶研究提供重要工具。尚邦和研究生发现，α-鹅膏蕈碱处理真核细胞只部分抑制RNA生成，暗示多种RNA聚合酶存在。借助酶纯化方法，1969年尚邦从小牛胸腺中分离到两种RNA聚合酶，一种对α-鹅膏蕈碱不敏感，命名为RNA聚合酶A；另一种对α-鹅膏蕈碱敏感，则命名为RNA聚合酶B。后又鉴定出对α-鹅膏蕈碱中度敏感的RNA聚合酶C。

三种真核生物RNA聚合酶

名称	转录产物	α-鹅膏蕈碱敏感性
Ⅰ（A）	28S、18S和5.8S rRNA、	不
Ⅱ（B）	mRNA前体	极
Ⅲ（C）	tRNA和5SrRNA	中度

同时，美国洛克菲勒大学罗德博士（Robert Roeder）采用色谱分离的方法从海胆胚胎中获得三种真核生物RNA聚合酶，命名为RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。比对发现，尚邦发现的RNA聚合酶A、B以及后来发现的C对应于罗德的RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ，目前统一采用罗马字母命名。进一步结合尚邦的α-鹅膏蕈碱抑制试验确定三种酶负责不同类型RNA转录，RNA聚合酶Ⅰ转录三种rRNA、Ⅱ转录mRNA、Ⅲ转录5 SrRNA、tRNA和其他小RNA等。真核RNA聚合酶的发现为研究真核生物复杂的基因表达调控研究打开一扇大门。

发现核小体结构

尚邦最初认为，真核生物和原核生物在RNA转录方面具有具有相似性，但深入研究发现，真核生物体外转录效率极低，推测真核生物染色质（原核生物是裸露DNA）具有重要影响。

二十世纪六十年代，研究人员采用X射线衍射的方法初步解析染色质包含重复单位，但鉴于分辨率不高，因此未能给出进一步信息。七十年代，随着新技术的应用，染色质研究取得突飞猛进的进展。1974年，英国医学研究中心的美国生物化学家罗杰·科恩伯格（Roger Kornberg）得出染色质含有大量由组蛋白与200bp DNA构成的重复单元（注：罗杰•科恩伯格因真核转录结构基础方面的贡献获2006年诺贝尔化学奖）；同时，美国橡树岭国家实验室奥林斯夫妇（Don and Ada Olins）发现染色质纤维由大量直径约10nm的球状颗粒连接而成。

1975年，尚邦进一步在多种脊椎动物组织染色质中观察到类似结构，并首次用核小体（nucleosome）一词描述，核小体既包含DNA，又保护组蛋白。核小体结构的发现暗示DNA转录过程中受组蛋白调控，从而推动了组蛋白修饰领域的发展。

曾与诺奖失之交臂

20世纪60年代，美国生物化学家詹森（Elwood Jensen）经过研究，确立雌激素作用模式，即雌激素直接跨过细胞膜进入细胞质，与受体结合，进入细胞核通过影响特定基因（被称为雌激素靶基因）转录而发挥生物学功能。尚邦对这一模型产生了浓厚的兴趣，决定阐明雌激素详细作用机制。他将其细分成三个小问题，就是雌激素受体、受体影响基因转录机制和靶基因。首先从雌激素靶基因卵清蛋白和伴清蛋白入手，却取得了一项意想不到的发现。

1960年代，氨基酸三联体成功密码解析确定了mRNA与蛋白质之间的对应关系。由于mRNA信息来自DNA，自然也容易推导出mRNA与DNA之间的一致性，而细菌研究强化这一观念。70年代后，真核生物研究逐渐兴盛，最简单的病毒成为重要实验材料。1976年，美国冷泉港实验室的罗伯茨（Richard J. Roberts）和麻省理工学院的夏普（Phillip A.Sharp）开始研究腺病毒2的基因表达，他们将腺病毒mRNA与DNA进行杂交，然后在电镜下观察杂交体，意外发现二者无法完全匹配，DNA多出一些额外部分，形成R-环状结构，这一结果颠覆基因连续性观念。

1977年，尚邦小组获得鸡卵清蛋白mRNA，并采用逆转录的方法获得互补DNA(cDNA)，在将卵清蛋白cDNA与鸡基因组DNA进行杂交时发现基因组DNA也出现R-环结构，意味着卵清蛋白DNA也是不连续结构，这是第一次在高等生物编码基因中发现的基因不连续现象。

不久，β-珠蛋白和免疫球蛋白基因也被证实具有不连续现象。1977年底，基因不连续作为一种普遍现象被科学界接受。1978年，吉尔伯特（Walter Gilbert）正式提出外显子（成熟mRNA中保留的DNA部分）和内含子（mRNA加工过程中去除的DNA部分）概念。

尚邦对多种编码基因内含子和外显子连接处序列进行全面分析，发现内含子左侧（5’端）GT和右侧（3‘端）AG具有高度保守型，它们对内含子去除和外显子连接具有重要意义，这一特征被称为“GT-AG规则”或“尚邦规则”。

1993年，罗伯茨和夏普由于断裂基因发现分享了诺贝尔生理学或医学奖，尽管尚邦无缘这一荣誉，但也对该领域发展做出奠基性贡献。

起始与增强

1979年，尚邦完成卵清蛋白全mRNA序列，为进一步研究转录调控提供了便利。采用缺失和点突变策略，发现在转录起始点上游（起始点到-100bp的位置）一段序列对转录起始具有必不可少的作用。通过对当时已知基因进行比对发现，这段序列具有高度保守性，这些研究解析了真核生物基因启动子的特征。

启动子研究过程中，尚邦又取得另一意外发现。在转录起始点上游远端部分（-116到-261间）还含有一个重要区域，该区域含量一个72bp的二串联重复，其缺失可造成转录起始效率显著减弱。进一步分析发现，该区域并非启动子。首先当时公认启动子在-100bp以内；其次它的作用在于增强转录而非起始；第三，其活性与方向无关（与转录方向相同和相反均不影响激活）；最后，长距激活效应，即使在转录终止区下游，也可发挥长距离激活效应。不久，瑞士苏黎世大学的沙夫纳（Walter Schaffner）获得类似结果，并将其命名增强子（enhancer）。

增强子真核生物基因中广泛存在，成为基因转录必不可少一部分，它的发现进一步深化对基因表达调控的认识。

核受体家族的发现推动药物研发

尚邦工作重心仍在雌激素受体，随着分子生物学技术逐渐发展和完善，研究步伐也在逐渐加快。利用雌激素受体的抗体而纯化到雌激素受体，借助雌激素受体部分氨基酸序列进一步获得mRNA信息，最终于1985年获得雌激素受体完整cDNA。

与此同时，美国索尔克生物研究所（Salk Institute for Biological Studies）埃文斯博士（Ronald Evans）获得糖皮质激素受体。对两种受体序列比对发现，它们在结构上具有高度相似性，部分区域具有高度保守性，均含两个区域配体结合区（LBD）和DNA结合区（DBD）。

受这一特征启发，尚邦构建出嵌合受体策略，将雌激素受体的DBD替换为糖皮质激素受体的DBD，再用雌激素处理将无法激活雌激素靶基因相反却激活了糖皮质激素的靶基因。这一结果一方面说明，这类受体具有高度保守型，另一方面也表明这些结构域具有相对独立性。

对人类基因组分析发现，含有40多种与雌激素受体和糖皮质激素受体类似的潜在成员，构成一个基因家族，因为它们主要在细胞核发挥活性，因此称为核受体家族。1987年，尚邦和埃文斯利用嵌合受体策略发现视黄酸受体，不久，多家实验室又先后鉴定成功雄激素、维生素D3等受体，目前尚有部分受体未发现相应激活物质，被称为“孤儿受体”。这些结果标志着一个全新研究领域的诞生。

随着基因敲除、蛋白单位等技术的出现，尚邦还积极将这些新方法应用于核受体研究，建立多种核受体敲除模型，从而进一步理解了这些基因在生理上的作用，加深对多种代谢性疾病发生机制的理解和认识，极大推动药物的开发和应用。

核受体家族的发现一方面为胚胎发育、内分泌学、物质代谢等多个领域带来革命性变化，另一方面也对药物改进和研发起到重要推动作用。今天，靶向核受体药物占美国FDA批准药物的13%，包括治疗炎症的可的松、治疗糖尿病的罗格列酮、治疗乳腺癌的他莫昔芬等。

登顶诺奖

在60多年科研生涯中，尚邦在真核生物基因表达调控领域做成了一系列奠基性贡献，包括多聚ADP核糖化（1963年）、RNA聚合酶（1969年）、核小体（1975年）、断裂基因（1977年）、增强子（1981年）、雌激素受体（1986年）等的发现，堪称大师级人物。

尚邦的贡献也获得科学界的高度认可。尚邦是法国科学院院士、美国科学院外籍院士和英国皇家学会外籍会员。尚邦曾获得有 “诺贝尔奖风向标” 之称的美国拉斯克基础医学奖（2004年）、加拿大盖尔纳国际奖（2010年）、两次获美国哥伦比亚大学的霍维茨奖等，此外还获得美国罗伯特·韦尔奇化学奖（1998年）等。

如今，尚邦教授已经退休，但仍然坚持自己所挚爱的科研事业，并积极呼吁政府加大对基础科学和青年学者的支持。上世纪90年代，《科学美国人》（Scientific American）将尚邦和布雷内（Sydney Brenner）看作必获诺贝尔奖的科学大师，布雷内教授已于2002年分享诺贝尔生理学或医学奖，而尚邦终于在91岁之际登顶诺贝尔奖。

参考文献：

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制版编辑 | 皮皮鱼

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