人物传记：抗体多样性遗传机制发现者——利根川进

傲慢与偏见

学习抗体和基因重排时遇到的一篇文章，很有意思，全文学习。

傲慢与偏见

摘要: 利根川进是一位日本分子生物学家, 由于发现了抗体多样性产生的遗传机制而获得1987年诺贝尔生理学或医学奖; 利根川进还由于研究了学习和记忆的分子与细胞机制而闻名。文章介绍了利根川进的生平和科研情况。

傲慢与偏见

二十世纪是生命科学取得迅猛发展的时代, 多个领域均取得巨大进步, 免疫学是其中之一。免疫学研究的基本问题之一是机体区分“自我”和“非我”, 在外源物质刺激后可启动体液免疫而产生相应抗体, 由于自然界存在着成千上万种物质, 理论上可产生相应数量的抗体, 但一个物种只有数量有限的编码基因, 因此20世纪70年代前, 抗体多样性产生的遗传机制一直是困扰免疫学界的一大难题。虽提出多种假说来解释这种现象, 但由于受研究水平所限而无法得出明确答案。70年代以后, 随着分子生物学新技术的不断涌现, 免疫学研究也开始深入到分子水平, 从而使抗体多样性问题得到了有效解决, 多位科学家对此做出了重要贡献, 而日本科学家利根川进(Susumu Tonegawa)的贡献最为突出。

傲慢与偏见

1 学习生物学
1939年9月6日, 利根川进出生于日本的名古屋市(Nagoya), 父亲利根川勉(Tsutomu Tonegawa)是日本南部乡村小镇的一家纺织公司工程师。利根川进的童年就在父亲工作的小镇上度过, 因此对乡村的幽雅和自由充满了热爱。利根川进在乡村成长到上学年龄时, 父母为了让他能接受更好的教育, 将利根川进和哥哥送到东京姑姑家。利根川进在东京著名的日比谷高中(Hibiya high school)完成了自己的高中教育, 期间对化学产生了浓厚的兴趣, 因此毕业时决定报考著名的京都大学化学系, 尽管第一年考试失败, 但第二年(1959年)还是如愿以偿进入了京都大学。
在大学期间, 利根川进重点学习化学, 理想是将来做一名化学工程师, 但第二次世界大战失败后的日本国内生态环境不甚理想, 各种争论和斗争使他感到厌烦, 因此决定改变自己的想法, 将从事学术研究作为自己的努力方向。即将大学毕业时, 利根川进恰好阅读到雅各布和莫诺关于操纵子理论的论文, 并深深被这个理论所吸引, 他决定进入生命科学领域进行研究。
1963年, 利根川进从京都大学毕业并获得化学学士学位, 随后进入京都大学渡边格(Itaru Watanabe)教授的病毒实验室打算进行研究生学习, 而渡边格是当时日本国内少有在美国接受过系统生物学训练的研究人员之一。但到实验室仅两个月, 渡边格就和利根川进进行了一次全面的谈话, 告知当时日本缺乏分子生物学相关方面的系统训练, 如果想在该领域发展就应该到美国进行深造。当时, 日本分子生物学家发展的基本模式就是在日本获得博士学位后继续到美国从事博士后研究, 利根川进决定也采取这种模式。在渡边格教授的建议和实验室同事的帮助下, 利根川进顺利进入加州大学圣地亚哥分校生物系林正树(Masaki Hayashi)实验室, 在这里利根川进研究λ噬菌体的转录调控机理, 并由于在该方面的工作而于1968年获得博士学位。
毕业后, 利根川进在林正树实验室继续进行博士后研究, 此时重点转向一种新的噬菌体Φ174的形态学观察。

傲慢与偏见

2 抗体多样性产生遗传机制的发现
1971年2月, 利根川进开始了在巴塞尔免疫研究所的工作。利根川进发现周围的环境发生了极大变化, 同事们不再是分子生物学的研究人员, 而是免疫学方面的专家, 他钟情的SV40研究已无法与他人有效的交流, 因此第一年在艰难的状况下度过。利根川进后来敏锐意识到如果想与周围的同事进行沟通并从他们那里获益, 唯一的途径是将自己的研究转移到免疫学, 从中寻找自己感兴趣的课题。
1971年底, 利根川进获悉当时免疫学的最大难题之一是抗体多样性的遗传起因。科学家提出了两种解释理论：一是生殖系理论, 认为所有抗体都有专一基因负责, 该理论的问题在于面对如此众多的抗体生物体内基因数目无法满足; 二是体细胞突变理论, 认为抗体基因可以发生突变和重组, 该理论能够解释很少基因数目可产生大量微小差异的抗体。两个理论之间有着激烈争论, 但都缺乏相关的实验支持。利根川进相信凭借自己的分子生物学基础并应用当时新发明的技术——限制酶酶切和重组DNA等能够解决这个难题。

傲慢与偏见

利根川进首先纯化了抗体的mRNA, 然后将其与DNA杂交并进行观察, 这个实验可有效计算抗体的基因数目, 结果表明远远少于抗体数目, 因此否定了生殖系理论。利根川进随后对抗体基因的表达进行了深入系统的研究, 他的周围也形成了一个高效的研究小组, 并且研究所主任杰尼很快就意识到该工作的重要性, 对他进行强有力的支持, 这些因素大大加快了研究的进程。
但是, 当时Southern分子杂交技术尚未发明, 因此DNA杂交实验是一件非常繁重的工作。首先需要用限制性内切酶对基因组DNA进行消化, 然后利用大规模凝胶琼脂糖电泳进行分离, 将包含特定条带的凝胶进行回收并在液相反应体系中进行DNA杂交。此外, 由于切口平移(Nick-translation)和cDNA克隆技术均尚未发明, 因此杂交探针使用的抗体轻链mRNA不得不首先从细胞中纯化, 然后用放射性碘元素标记。利根川进发现不产生Ig的胚胎细胞和产生Ig的骨髓瘤细胞的杂交模式显著不同。

傲慢与偏见

3 神经生物学研究
80年代早期, 利根川进感觉到抗体多样性的问题已基本解决, 因此考虑改变研究环境能够重新开始新研究。1981年, 利根川进（42岁）在麻省理工学院癌症研究中心获得了一个新位置, 该中心主任是著名分子生物学大师卢里亚(Salvador Luria, 1969年诺贝尔生理学或医学奖获得者), 他不仅将利根川进带入麻省理工, 而且还提供了设备完备的实验室为开展研究奠定了基础, 利根川进成功的一个关键因素是一生得到多位科学大师的帮助。
在麻省理工学院, 利根川进早期研究主要关注两个问题, 一是研究体细胞重组在抗体基因激活方面的作用, 另一方面扩展到研究免疫系统的另一半, 即T细胞的抗原受体。利根川进和同事研究发现抗体重链基因的转录需要组织特异性增强子, 鉴定、克隆并测定了T细胞受体α亚基的基因[10], 此外还发现一个T细胞受体新亚基——γ亚基, 这些知识对理解T细胞介导的免疫系统工作机理具有十分重要的意义。

傲慢与偏见

进入90年代, 利根川进（此时，大师已经年过50了，求知欲依旧旺盛）研究兴趣转移到了一个全新领域——神经生物学。利根川进在抗体研究中已开始使用基因敲除小鼠, 而现在利用这种技术进行了小鼠的学习和记忆的研究。利根川进还改进了基因敲除技术, 能够使特定基因在成年动物大脑特定区域关闭, 事实证明这种方法对研究神经功能具有十分重要的意义。1992年, 利根川进和同事利用基因敲除小鼠第一次鉴定了与学习能力相关的基因, 即α-钙离子/钙调素依赖的激酶Ⅱ(alpha-calcium- calmodulin-dependent kinase II, alpha-CaMKII), 敲除小鼠表现出空间学习能力受损的表型[11], 这对全面理解大脑功能所有基因研究走出了第一步。在随后十几年的研究中, 利根川进和同事借助小鼠模型, 充分利用多学科方法包括分子和细胞生物学、体内和体外电生理学、行为学等鉴定出多种与学习和记忆有关的基因, 并且还发现这些基因与特定疾病有密切联系, 如精神分裂症、Alzheimer病和痴呆等相关动物模型都已经制备成功。1996年, 利根川进和同事利用条件敲除技术使小鼠海马CA1区域的N-甲基-D-天冬氨酸受体1(N-methyl-D-aspartate receptor 1, NMDAR1)缺失, 小鼠的空间记忆能力丧失[12]; 2001年, 利根川进小组又进一步发现大脑皮质中N-甲基-D-天冬氨酸受体基因在神经细胞交流和长期记忆追忆过程中发挥着重要作用[13], 因为小鼠大脑海马区的该基因缺陷后虽然长期记忆仍然可形成, 但追忆过程则需要更多线索提示。

傲慢与偏见

4 重大科学贡献
利根川进担任麻省理工神经生物学教授以及Picower学习和记忆研究所所长, 目前还是日本理化研究所-麻省理工学院神经环路遗传学中心主任, 日本理化研究所脑科学研究所中心主任, 1988年起还担任霍华德休斯医学研究所的研究员(2009年退休)。利根川进是美国科学院外籍院士(保留日本国籍)和美国艺术与科学学院院士。除获得诺贝尔奖和拉斯克奖外, 利根川进还获得许多重要的科学大奖, 如美国哥伦比亚大学授予的Louisa Gross Horwitz奖(1982年)、加拿大授予的Gairdner基金会奖(1983年)和德国授予的罗伯特科赫奖(1986年)等[14]。
利根川进是20世纪唯一一位拥有亚洲国籍的诺贝尔生理学或医学奖获得者, 在抗体多样性和神经生物学方面的贡献使他成为生命科学领域著名的科学大师之一。

看着你呢，好好学习，天天向上。

傲慢与偏见

今天在重新学习抗体基因重排的知识，再次想起这篇文章，向大师致敬。