永無止境的生命探索-細胞分裂的調控

蘇 金 源        .

國立陽明大學生命科學系暨基因體科學研究所

 

    細胞分裂是所有生物細胞表現生命力量的最基本功能,它的主要意義在於將細胞內所含有的遺傳物質經過完整的複製後,平均分配到子細胞中,以提供生命繁衍不息的動力;而所有由細胞組成的生物體也都需要透過細胞分裂的功能來完成生長及發育的目的。據估計一個成人的身體大約由一百兆個細胞組成,追溯其根源,乃是一個單一的受精卵細胞經過無數次的分裂後所產生的結果;因此,細胞分裂可以說是整個生物生長最重要的活動之一。

   由於細胞分裂的主要作用是傳遞遺傳訊息,而分裂的過程中任何些微的差錯都有可能導致遺傳變異的發生,因此在整個生物的演化過程中,細胞已經發展出一套非常嚴謹的管制系統來自我監控分裂的進行,以確保每一個子代細胞都能接受正確無誤的遺傳訊息。目前在癌細胞及其相關生物醫學研究的領域裡,細胞分裂的調控機轉即為其中最熱門的議題,因為正常細胞之所以會轉變成癌細胞的一個重要原因,往往就是這些監控細胞分裂的系統失去了正常功能所造成的後果。

今年的諾貝爾生理醫學獎頒給了三位科學家,分別是來自美國的哈威爾(Leland H. Hartwell)和來自英國的韓特(R. Timothy Hunt)及納斯(Paul M. Nurse),因為他們的研究發現了細胞分裂過程中,擔任調節作用的一些重要因子,從此拓展了整個細胞分子生物學的研究領域,並對日後醫學上解釋癌細胞的成因有了深遠的影響。

哈威爾和納斯都是利用酵母菌來研究細胞分裂的專家;酵母菌是單細胞的真核生物,由於酵母菌生命週期短,大約每兩個小時就能夠分裂一次,長久以來一直都是研究細胞分裂絕佳的材料。有趣的是,酵母菌被用來當作生物實驗的材料已經有一百多年的歷史了,如果從人類懂得利用酵母菌發酵麵包及釀酒的時間算起,那麼酵母菌對於人類的貢獻就更歷史久遠了,可是純粹以研究酵母菌這個生物而能獲得諾貝爾獎殊榮的,這倒是破天荒第一遭。

哈威爾的科學貢獻主要是利用出芽酵母菌(Saccharomyces cerevisise)的生物模式建立真核生物細胞分裂的基因調控藍圖。從他鑑定出來近百個酵母菌細胞分裂調控(cell division control, 簡稱CDC)突變種的研究裡,將整個細胞分裂週期中每一個步驟所負責的基因都做了完整的定位。哈威爾更是第一個提出細胞內存在細胞分裂監控系統(cell cycle checkpoint)的人,他認為細胞在分裂的過程中擁有一套機制,主動的監控基因體的複製過程和它的完整性,一旦有任何阻礙或損壞發生,監控系統即能立刻將細胞分裂停止下來,讓細胞有機會去修補缺失,同時也讓損傷過大而無法修補的細胞啟動自我凋亡的途徑,以避免子代細胞獲得殘缺的基因體,此一概念奠定了日後細胞分裂機轉直接影響癌細胞形成的研究基礎。

哈威爾會走入酵母菌遺傳學的研究領域,其實也是一個巧合。在他的求學過程中間並沒有真正的受過任何酵母菌生物學的科學訓練,他在1960年代初從學校畢業後,即跟隨在沙克研究所(Salk Institute)的杜貝克博士(Renato Dulbecco, 1975年諾貝爾生理醫學獎得主)從事有關動物細胞培養及腫瘤病毒複製的博士後研究,因此開始對細胞生長及分裂的調控作用產生興趣。但是苦於動物細胞的複雜度,實驗一直沒有很好的進展。

1965年哈威爾獲得當時剛成立的加州大學爾灣分校教職聘書,於是離開沙克前往任職。第一年寫了一個研究小計畫,打算繼續利用動物細胞模式來探討細胞分裂調控的問題。可是新學校、新實驗室、加上身為年輕的新老師,哈威爾的研究生涯起步的有點力不從心,光是等待新購的儀器設備抵達就耗掉不少時間。這段期間閒得發慌的哈威爾只好勤跑圖書館,看看是否能找出更適合的研究題材。當時很多的生物學實驗室已經能夠利用一些黴菌及酵母菌從事各種細胞學及遺傳學上的研究了,發表過的科學報告相當豐富。在一個偶然的機會裡哈威爾準備試試酵母菌作為研究材料的可能性。對酵母菌一無所知的他,前往加州大學柏克萊分校及華盛頓大學拜訪了兩位酵母菌學大師-賀松(Donald C. Hawthorne)與羅門(Herschel Roman);向他們討教酵母菌的操作方法,幾天下來彼此交談甚歡,臨走的時候,兩位大師借了他一部顯微鏡及一個酵母菌菌種,哈威爾的酵母菌生涯於焉展開。值得一提的是,當時哈威爾實驗室裡人手奇缺,所有的研究工作都是他帶著幾位大學部學生一點一滴地從收集酵母菌CDC突變種做起;1967年,哈威爾發表了第一篇分析酵母菌細胞分裂突變種的研究報告。

來自英國的納斯,他所使用的研究工具是另外一種的酵母菌,叫裂殖酵母菌(Schizosaccharomyces pombe),它和長得卵圓形的出芽酵母菌不一樣的地方是:裂殖酵母菌長成短圓柱狀;而且顧名思義,出芽酵母菌的細胞分裂是以長芽苞的方式從細胞一旁長出另外一顆細胞來,而裂殖酵母菌的細胞分裂是從長大後的細胞中間裂開形成兩個細胞。一般的生物細胞在進行分裂之前一定要經過一段生長的過程,先讓細胞長到足夠的大小才能夠進行分裂,也就是所謂體積管控(size control)的觀念,這個階段通常發生在細胞分裂的第一個間期(G1),這段時間細胞一方面生長,一方面也同時接受各種生長環境的刺激,諸如生長激素或生長抑制劑的調節作用,決定細胞是否要進行分裂;一旦決定了,細胞接著進入染色體複製期(S phase),即將所有的遺傳物質複製一份;之後,會有另外一個間期(G2)出現,作為細胞進入有絲分裂的準備期;最後細胞進行有絲分裂(M phase)產生兩個細胞,各獲得一份完整的染色體(圖一)。

納斯一直對細胞進入細胞分裂前需要受到體積管控的研究很感興趣,他採用裂殖酵母菌來進行細胞分裂的研究,可以說是得天獨厚。裂殖酵母菌跟其它生物細胞一樣也要長到某個長度以後才能分裂,然而事實上,裂殖酵母菌管制細胞大小的階段並不出現在前述的G1期,而是位於有絲分裂(M phase)之前的G2期;也就是說,裂殖酵母菌細胞在完成了染色體的複製(S phase)後,停留在G2期繼續生長,一旦長到一定的長度之後就直接進入有絲分裂的步驟;因此對納斯的研究而言,只要釐清了細胞管控體積大小的機轉,基本上就釐清了細胞如何進入有絲分裂的重要關卡。於是納斯利用了裂殖酵母菌的特性,不斷地尋找在酵母菌裡決定細胞體積大小的因子,結果找到了一個劃時代的基因-CDC2,這是決定酵母菌細胞能否進行細胞分裂的樞紐。短短幾年之後,從各個不同生物領域的科學家終於發現:不單是酵母菌,包含人類在內的各種生物細胞,都依賴著和酵母菌CDC2一樣的基因來決定細胞進行分裂的調節作用。CDC2基因合成的蛋白質是一種叫做蛋白質激酶的酵素,它的作用主要是在當細胞準備進入分裂的時候被活化起來,然後負責磷酸化一些功能性的蛋白質,因而啟動了細胞分裂的機器,一旦細胞完成分裂之後,CDC2的活性馬上受到抑制,必須等到下一次細胞要再分裂的時候,才會再次被活化起來。非常清楚的,納斯的實驗證明了CDC2酵素的活性是決定細胞是否能夠進行細胞分裂的指標。這個突破不僅展現了生物之間存在著生命現象的共通性,更對過去只能在顯微鏡底下觀察的細胞分裂研究工作注入了新的活力;細胞分裂已經成為可以在試管內藉著酵素活性來分析的實驗了。

韓特是另外一位得獎的英國科學家,他的細胞分裂研究工作主要是利用海膽(Sea urchin)的卵做為實驗材料。大量的海膽卵可以容易取得,而且就像其它無脊椎和脊椎動物所產生的卵一樣,這些取得的卵都有一個共通的生物特性:當卵細胞成熟後,它們都停留在細胞分裂週期的G2時期,一起等待受精作用的發生。一旦接觸到精子的受精作用後,受精卵急速進入下一個有絲分裂期(M phase)並且快速的連續分裂八次,完成初期的胚胎發育工作。因此,動物的卵一直都是研究細胞分裂很好的材料。

韓特在1983年做了一個看似平凡的實驗,他想問一個問題,在這些海膽受精卵分裂的過程中,有沒有任何細胞內蛋白質會跟隨著細胞分裂的週期性,出現合成或消失的變化?韓特推測這類的蛋白質跟細胞分裂的調控作用應該有關聯性。所以他收集了一大批海膽卵,先將它們泡在含有放射性胺基酸的溶液中標誌蛋白質,再加入海膽精子給予人工授精,接著隨著細胞分裂的每個時間點收取卵細胞,分析細胞內蛋白質的變化情形。結果他找到了一種會在細胞進入分裂前大量出現的蛋白質,這個蛋白質緊接著分裂的完成後馬上消失,而在下一次分裂之前又重新出現;韓特在當時並不知道這個蛋白質的真正功能為何,他將之命名為週期素(cyclin)

十五年後,CDC2的故事浮現,大家都急著想知道細胞是如何透過CDC2的酵素活性來影響細胞分裂的進行。多方的實驗結果都證明了一件事;單獨存在的CDC2蛋白質其實並沒有酵素活性的存在,它必須要結合另外一個蛋白質以後才有可能被活化。1989年開始的一整個年頭,從酵母菌、海膽、青蛙、老鼠、到人類的所有生物模式研究裡共同發現了一個事實,那個需要與CDC2結合而且會幫助活化CDC2酵素的另外一個蛋白質竟然就是週期素,所以CDC2一下子之間又成了週期素依賴性蛋白質激酶(cyclin-dependent protein kinase, 簡稱CDK)。因為CDK蛋白質在細胞中是無時無刻都存在的,於是細胞藉著控制週期素的合成及分解,就如同在海膽受精卵中週期素的出現和消失,來控制CDK被活化及抑制的時機而完成細胞分裂的作用(圖二)。

今天我們對細胞分裂的瞭解,事實上又往前推展了更大的一步;生物細胞裡頭存在著各種不同類型的CDK及週期素已經陸陸續續地被發掘出來,更重要的,各種實驗顯示,細胞即利用這些不同的CDK及週期素組合,完全掌握了整個細胞分裂週期中每一個步驟的進行;不僅僅是細胞足以進入有絲分裂的管控,甚至細胞在生長中對於外界生長因子的刺激反應,細胞開始複製染色體的時機及過程等等,都取決於細胞內不同的CDK/週期素複合體酵素的活性來管制,因此,從分子生物學的觀點來看,一個生物細胞分裂週期的過程,其實就相當於是一個CDK/週期素複合體酵素活性的交替循環週期而已。

未來,為了更瞭解細胞分裂的機制,所有的研究工作勢必將集中在瞭解細胞如何調節CDK/週期素複合體酵素活性的功能上。結合了酵母菌及其它生物模式的研究,科學家已經清楚的知道細胞如何利用其它更多的調控因子來調控這些細胞分裂的調控因子,而且似乎每隔一陣子,又有新的調控因子會被發現,這就像是一條永遠沒有止境的生命探索。人類廿一世紀開始的第一個諾貝爾生理醫學獎,著落在攸關生命起源的細胞分裂主題上,毋寧說是大勢所趨,其實更深具意義。

(原文刊載於九十年十二月科學月刊)