生理医学10 “表观遗传学”缘何获得诺贝尔奖？
2021年诺贝尔生理学或医学奖获得者：
查尔斯·戴维·阿利斯（C. David Allis）
图源：rockefeller.edu
2021年诺贝尔生理学或医学奖获得者：
迈克尔·格伦斯坦（Michael Grunstein）
图源：newsroom.ucla.edu
表观遗传是基因调控的一个新方式。北京时间10月4日下午5点30分，2021年诺贝尔生理学或医学奖公布，获得者是两位研究表观遗传学的科学家：以色列的霍华德·锡达（Howard Cedar）、美国的查尔斯·戴维·阿利斯（C. David Allis）和美国的迈克尔·格伦斯坦（Michael Grunstein）。
表观遗传学方面，早期有北大留学洛杉矶加州大学的韩珉的贡献，他当时是UCLA教授迈克尔·格伦斯坦（Michael Grunstein）的研究生，后多年任教科罗拉多大学。华人科学家施扬和张毅领导的两个实验室，多年来对表观遗传学作出了突出的贡献。
撰文｜王承志
审阅｜朱冰
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2021年诺奖得主霍华德·锡达（Howard Cedar）
奖励其在DNA甲基化功能的研究中的突破性贡献
锡达是一位在美国出生的以色列分子生物学家，于1943年第二次世界大战期间出生在布鲁克林，父亲是波兰移民的后代，母亲是一名来自乌克兰的移民。
锡达在新泽西州上高中，数学和物理方面都表现出色，他选择了去MIT学习物理学。但大一的一次考试改变了他的决定。在一道题的解答中，锡达做出了正确的计算，但最后的结果却比正确结果相差了30个数量级。虽然老师看了他的计算过程，而给了他几乎满分，但锡达认为自己其实并不擅长物理，只是因为擅长数学而选择学物理。
其后锡达决定转行学医。当时美国刚开始实行6年制医学博士的培养计划，而且不用付学费。锡达觉得自己的父母很难负担MIT的学费，为了减轻家庭负担，便转到纽约大学学医，并成为全美第一个获得6年制医学博士学位的学生。
在医学院的学习让锡达对生物学产生了兴趣。完成医学院的课程和医院的轮转后，锡达来到詹姆斯·施瓦茨（James Schwartz ）的实验室。施瓦茨是一位从微生物学家转行的神经生物学家。锡达成为施瓦茨的第一位研究生，施瓦茨实验室的一部分研究是探究学习如何影响染色质结构。这为锡达后来进入染色质领域埋下了种子。
后来锡达来到NIH，并与加里·费尔森菲尔德（Gary Felsenfeld）合作，费尔森菲尔德的实验室研究染色质结构和基因表达之间的关系。当时科学家还没有弄清楚染色质的结构，因为他们不知道如何分离它。锡达想出如何溶解染色质并使用纯化的大肠杆菌RNA聚合酶来了解酶如何与染色质相互作用。
1973年，他发表了一篇论文，构建并比较了使用小牛胸腺的染色质或裸露DNA 的体外转录系统。锡达观察到染色质上的起始位点与DNA上的起始位点相比要少得多，并且转录本延伸在染色质上比在裸露的DNA上发生的速度要慢三倍。这已经初步揭示了染色质对转录的抑制作用。 这期间，理查德·阿克塞尔（Richard Axel）（注：后来获得2004年诺贝尔生理学或医学奖）来到NIH给费尔森菲尔德做博后，他和锡达一起发现同一个基因的片段在不同组织来源的染色质体外转录的活性有很大差别，从而形成了转录受染色质结构影响的概念。 锡达于1973年接受了耶路撒冷的希伯来大学医学院教职。他继续研究染色质如何与蛋白质相互作用并在细胞中研究染色质的结构。
在希伯来大学医学院，锡达遇到了研究DNA甲基化的阿哈龙·拉津（1935年4月6日－2019年5月27日），两人展开了数十年的合作。 阿哈龙·拉津在以色列的佩塔提克瓦长大。他在耶路撒冷希伯来大学开始他的学术研究，主修物理和数学。其后他获得了生物化学硕士和博士学位，并在加州理工学院做博士后工作，1971年回到以色列，从高级讲师、副教授，最终担任希伯来大学医学院细胞生物化学和人类遗传学教授。1980年，他被任命为医学院细胞生物化学系主任和该学院生物化学研究所所长。
拉津早期研究细菌中的DNA甲基化。细菌中DNA甲基化的主要作用是保护细菌基因组不被自己的限制性内切酶破坏，而入侵的病原体DNA则会被切除。拉津发现酶切染色质时被保护的片段中，胞嘧啶5-甲基化较为富集，这提示DNA甲基化可能与染色质结构有关。
锡达和拉津共同构建了一套系统来检测DNA甲基化是否能影响转录。利用这套系统，他们得到一些关键性的结论：
4. DNA甲基化能够抑制基因转录。
这些结论成为该领域后来所有发现的基石。1990年代以后，锡达实验室进一步研究了DNA甲基化与胚胎发育和疾病的关系，其实验室的成果对DNA甲基化领域带来了突破性和长远性的影响。
作为锡达最重要的合作伙伴，拉津在2019年5月去世，未能共享诺贝尔奖。但是他对于表观遗传学的贡献永远值得人们铭记。
2021年诺奖得主迈克尔·格伦斯坦（Michael Grunstein）
奖励其首次发现组蛋白对基因转录活性的调节
格伦斯坦在麦吉尔大学获得学士学位，在英国爱丁堡大学获博士学位。在读博士期间，格伦斯坦系统性地研究了核糖体基因功能，这为他后来研究基因转录调控打下了坚实的基础。
博士毕业后，格伦斯坦来到加利福尼亚州斯坦福大学Laurence Kedes实验室做博士后，开始研究海胆卵细胞中组蛋白的合成。那个年代，虽然围绕基因转录的研究方兴未艾，但组蛋白却是无人问津的领域。当时大家普遍认为，组蛋白只是用来缠绕DNA并组装染色质的结构性蛋白，并没什么特殊功能。谁也没想到，格伦斯坦后来的工作将组蛋白推到了基因转录调控领域的聚光灯下。
1975年起，格伦斯坦在加州大学洛杉矶分校（UCLA）组建了自己的实验室，并继续研究海胆卵组蛋白合成的调控。但1979年，因气候变化导致太平洋海域海胆数量骤减，使得格伦斯坦实验室的研究陷入困境。此时，他将目光转移到另外一种模式生物——酵母上。
相较于海胆，酵母的组蛋白基因更适合做遗传学研究。海胆基因组中有每种组蛋白有数百个拷贝，而酵母则只有两个拷贝。格伦斯坦在研究了相关论文后，立刻报名参加了康奈尔大学的Gerald Fink教授组织的酵母遗传学培训，并在实验室开展了酵母组蛋白的遗传学研究。
首先，格伦斯坦的研究生John Wallis和Mary Rykowski证明了一种组蛋白H2B有两个同源的拷贝，而且功能可以互补，敲除其中任何一个拷贝都不会影响酵母生长。其后，他们对组蛋白各个亚型都进行了类似的研究。华人学者韩珉在格伦斯坦实验室发现，敲除了组蛋白H4以后，RNA转录显著增强了。进一步的研究发现，组蛋白H4的N端富含赖氨酸的片段被敲除后，虽然酵母能够正常生长，但一些基因的表达收到了显著影响。
这些研究第一次证明了组蛋白对基因表达调控具有重要作用，这也是后来表观遗传学最核心的研究领域之一。但限于当时的基因转录领域的知识水平，这些重要的工作并未立刻引起学界的重视。但这些研究却为接下来阿利斯（David Allis）等人的研究铺平了道路。
2021年诺奖得主查尔斯·戴维·阿利斯（C. David Allis）
奖励其首次发现组蛋白修饰酶
阿利斯于1951年出生在美国俄亥俄州的辛辛那提，他的父亲是城市规划师，母亲是家庭主妇，后来成为小学教师。他于1969年进入辛辛那提大学时，主修生物学。
他本打算毕业后去医学院，但是他的细胞生物学教授史蒂文·凯勒（Steven Keller）建议他先在迈克尔·巴瑞尔（Michael Bharier ）博士的实验室工作一段时间。他后来回忆说：“我在课堂上学到的一切都像专为我设计的，这非常有趣。从此我再也没有回头。”
阿利斯之后在布卢明顿的印第安纳大学进行研究生学习，他之所以做出这样的选择，部分原因是因为他需要离父母家近一些。在那里他迷上了发育生物学。
博士阶段，在安东尼·马霍瓦尔德（Anthony Mahowald）的指导下，阿利斯对早期的果蝇胚胎进行了研究。但一次偶然的机会，阿利斯为了准备一门遗传学课程的讲演而搜索资料的过程中，突然对染色质发生了极大兴趣。 根据阿利斯的回忆，“那时染色质不是一个热点。事实上它被认为是一个无聊的区域，但对我来说这很酷。”
在1978年完成生物学博士学位后，阿利斯开始寻找一个博士后实验室，让他可以在发育生物学的背景下进行染色质研究，最好是他所熟悉的果蝇。但没有一个果蝇实验室对染色质感兴趣。 一位朋友建议他考虑一种不同的模式生物，即纤毛原生动物——四膜虫，它有两个独立的核，而且每个核里的基因也不一样。于是阿利斯进入了马丁·戈洛夫斯基（Martin Gorovsky ）在罗切斯特大学的实验室，并学会了如何培养四膜虫并分离其细胞核。阿利斯在罗彻斯特度过了三年，通过四膜虫了解各种组蛋白和组蛋白乙酰化，这是一种调节细胞内基因转录的蛋白质修饰过程。
1981年，在完成博士后研究后，阿利斯在休斯敦贝勒医学院生物化学系担任助理教授。他仍然致力于染色质研究，特别是寻找修饰组蛋白的酶，尽管当时大多数科学家仍然认为组蛋白只是用来缠绕DNA的无聊蛋白。
1996年，他的实验室发现了第一个组蛋白乙酰化酶。在Cell杂志上，阿利斯和他的研究生吉姆·布朗内尔（Jim Brownell）发表的一篇开创性论文中，报道了他们已经分离出一种乙酰转移酶（HAT）——一种已知可以在DNA中添加乙酰基化学 “标记” 的蛋白质 。几周后，哈佛大学的施莱伯（Stuart Schreiber）及其同事报告他们发现了另一种去除乙酰基的蛋白质。这两项研究打开了组蛋白修饰研究的大门。
阿利斯的研究有力地推进了现代表观遗传学，这个领域研究染色质复合物中分子化学 “开关” 如何打开和关闭基因。1998年，阿利斯将他的实验室搬到弗吉尼亚大学，并于2003年再次将其搬到了纽约市的洛克菲勒大学。他继续在各种表观遗传调控领域取得突破性进展。包括组蛋白H3的尾部甲基化的结合蛋白，称为PHD finger 蛋白。后来，阿利斯证明了PHD finger 结构域突变会导致白血病。
他的实验室还首次表明，组蛋白 “变体”（与主要组蛋白类型略有不同）可以对基因激活和基因沉默产生影响，具体取决于它在基因组中的位置。组蛋白变体的这种 “分裂人格” 与人类疾病有关，包括神经系统综合症。最近，阿利斯的实验室描述了一种罕见的小儿脑肿瘤背后的机制为组蛋白突变。这些工作为表观遗传学与疾病的联系增加了新的重要贡献。
制版编辑 | 卢卡斯
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