蛋白質既是生命的物質基礎 (靜態功能)，又是生命活動的體現者 (動態功能)，因此蛋白質的正常功能 是生命得以維持的基本保證。細胞 內蛋白質含量有一個動態變化的過 程以適應不同環境的需求。過多造 成浪費，過少則影響生理功能，因 此蛋白質含量的精確調控對生命而 言具有重要意義。蛋白質含量由合 成速度與降解速度間的平衡決定。 蛋白質合成由mRNA負責翻譯，而 蛋白質降解過程長期以來認為由溶 酶體負責，直到1980年泛素介導的 蛋白質降解系統的發現才改觀了人 們的認識。三位做出卓越貢獻的科 學家也因此分享了2004年諾貝爾化 學獎，其中之一是美國生物化學家 羅斯(IrwinAllan Rose)
熱愛科學
1926年7月16日，羅斯出生於 紐約布魯克林的一個猶太家庭。父 親哈利(Harry Royze Rose)經營一 家裝飾公司。13歲時，由於弟弟患 有風溼熱，母親帶著羅斯和弟弟 搬到相對乾燥的華盛頓州斯波坎 (Spokane)的親戚家居住，而父親繼 續在紐約打理生意。羅斯曾在斯波 坎當地一家醫院的精神科病房擔任 助理，並因此對大腦產生痴迷，進 而對醫學充滿極大興趣。儘管羅斯 父母和親戚都很少從事研究工作， 但羅斯還是將科學作為自己的未來 職業。進入華盛頓州立大學後，羅斯失望地發現學校並沒有神經生物 學課程，無奈之下只好選擇動物學 作為專業。
由於第二次世界大戰，羅斯 在入學一年後開始到海軍服役，擔 任無線電技術人員。退役後，羅斯 進入芝加哥大學學習，並於1948年 獲得學士學位，隨後繼續進行博士 研究。羅斯的博士研究課題是試圖 測量維生素B12對大鼠組織DNA含 量的影響。這項計劃註定是失敗 的，因為DNA遺傳資訊載體的功能 已經闡述，每個組織中DNA含量都 相對恆定，不依賴於飲食情況而發 生明顯變化。在這個專案不順的情 況下，羅斯匆忙找到一個替代課題 ——研究胞苷和核糖在脫氧胞苷合 成中的作用。羅斯承認對這個專案 缺乏興趣，而只是為了畢業的權宜之計，但在研究過程中，羅斯逐漸 對酶產生了濃厚興趣。1952年，羅 斯從芝加哥大學獲得博士學位，並 選擇進一步研究酶的催化機制。
酶學專家
20世紀50年代，正是生命科 學變革的一個重要節點。1953年， DNA雙螺旋模型的提出使許多科學 家加入分子生物學這一新興領域， 核酸研究也迅速成為生命科學領域 的主流，但經典酶學仍是一個重要 方向。當時，代謝通路大多已經闡 明，羅斯選擇深入探索酶催化的詳 細分子機制作為研究方向。在經 歷西儲大學(Case Western Reserve University)卡特(Charles Carter)教 授和紐約大學著名酶學大師奧喬亞 (Severo Ochoa，1959年諾貝爾生理 學或醫學獎獲得者)教授的博士後 訓練後，羅斯於1954年成為耶魯大 學藥學院的一位生物化學講師，並開始獨立的科研生涯。1963年，羅 斯離開耶魯大學加入位於賓夕法尼 亞州費城的法克斯蔡司癌症研究中 心(Fox Chase Cancer Center)。這個研究中心的目的是在更寬廣的層面 上理解癌症發生的原因。羅斯被這 種自由和多學科交叉的研究氛圍所 吸引而加入該研究所，並一直工作 到退休。
從耶魯大學開始，羅斯的研 究重點就在酶的催化機制，這也是 他一生的主要研究內容。羅斯先驅 性地將同位素示蹤、立體化學、有 機化學和同位素捕獲等理論和技術 有機結合起來用於研究酶催化反應 的詳細過程，從而可以在前人難以 企及的精細水平上探索質子轉移。 透過體外測量酶促反應過程中質子 與溶劑、底物或產物間的交換/轉 移過程，羅斯可在不知酶結構的前 提下詳細描述酶的具體機制。他還 進一步與晶體學家、光譜學家和化 學家等合作，從而對化學反應的細 節瞭解得更為清晰。羅斯和同事先 後清晰闡明糖酵解和三羧酸迴圈過 程中多種酶的催化機制，包括醛縮 酶、丙糖/戊糖異構酶、丙酮酸激 酶、己糖激酶、磷酸果糖激酶等。 憑藉這一系列成就，羅斯成為領域 內著名的酶學大師，並於1978年當 選為美國科學院院士。羅斯不僅 在代謝酶領域取得巨大成功，而且 對蛋白質降解機制亦情有獨鍾。
蛋白質降解
早在1953年，辛普森(Melvin Simpson)就開始研究蛋白質降解 的機制。他以肝臟切片為材料研 究同位素標記的蛋氨酸從蛋白質 中釋放的情況(速度快慢反映蛋白 質分解)。當在低氧環境或用氰化 物/2,4-二硝基苯酚處理後發現蛋 白質降解速度顯著降低。由於這 些處理都可造成ATP生成的減少， 因此推測ATP對蛋白質降解發揮著重要作用。1954年羅斯進入耶魯 大學生物系後，成為了辛普森的 同事，並且兩人的實驗室相隔不 遠，因此他有機會了解辛普森的 研究內容。儘管辛普森不久轉向 蛋白質體外合成系統而放棄進一 步研究蛋白質降解，羅斯卻對蛋 白質降解的問題特別痴迷，並一 直念念不忘，想解開這個謎題。
在耶魯期間，羅斯並未進行 蛋白質降解的研究。來到費城後， 他開始逐漸做一些相關的實驗以尋 找蛋白質分解相關因子，但由於一 直未獲得理想的實驗體系而進展緩 慢，羅斯也一直未發表任何一篇與 蛋白質分解相關的論文。20世紀70 年代初，ATP依賴的蛋白質降解一 直未取得真正意義上的突破。詳細 過程是一個無人知曉的黑箱子，而 轉機來自於一次學術會議。
1975年，在美國貝塞斯達舉 辦的福格蒂表達調控會議(Fogerty Conference on Regulation)上，羅斯 結識了來自以色列的科學家赫什科 (Avram Hershko)，從而開啟一段 科研合作的佳話。赫什科曾在美國 加州大學舊金山分校進行博士後研 究，對ATP依賴的蛋白質降解過程 也充滿極大興趣，並打算在美國尋 找一家實驗室合作研究。遺憾的 是，他的博士後指導老師意外去 世，從而使赫什科不得不尋找新的 合作伙伴。與羅斯的交流使赫什科 感到很適合開展學術合作，並因此 達成協議，每年的學術休假和夏季 來到羅斯實驗室進行實驗。
1977年，赫什科和他的博士 切哈諾沃(Aaron Ciechanover)等人 來到費城，全面啟動蛋白質降解研 究計劃，並且形成一個老中青三代 配置的核心團體。當時羅斯51歲， 赫什科40歲，而切哈諾沃30歲，因此，這個團隊中羅斯主要發揮顧 問作用(憑藉自己在酶學研究方面 的深厚基礎為課題的實施提出指 導性意見)，赫什科更多是專案負 責人角色(主要負責實驗設計方面 的工作)，而切哈諾沃則是課題的 主要實施者(核心實驗基本由他完 成)。此外還有多名研究人員參 與，羅斯的三位博士後威爾金森 (Keith Wilkinson)、哈斯(Arthur Haas)和皮卡特(Cecile Pickart)等亦 發揮了關鍵性作用。
成功合作
當時已知的細胞內降解途徑 是在溶酶體完成，並由相應蛋白酶 催化。1977年，哈佛大學醫學院的 戈德堡(Alfred L. Goldberg)和同事 選擇缺乏溶酶體的網狀紅細胞成功 製備出細胞裂解液，並研究發現這 個系統仍可降解蛋白質，同時需要 ATP參與，而且蛋白質降解過程最 適pH值偏鹼性(7.8)，從而進一步否 定溶酶體蛋白酶釋放的可能(酸性 催化) 。這個結果進一步說明，細 胞內確實存在一個不依賴溶酶體， 但依賴ATP的蛋白降解體系。這個 突破立刻引起赫什科注意，並決定 利用這個理想研究體系進一步解析 蛋白質降解的詳細機制。
為避免內源蛋白對外加蛋白 的干擾，赫什科和切哈諾沃決定先 去除紅細胞裂解液含量極為豐富的 血紅蛋白。為實現這一目標，他們 利用離子交換樹脂對裂解液進行分 離，從而將裂解液分成兩部分：不 被樹脂吸附的部分和被樹脂吸附後 又被高鹽洗脫的部分。隨後的實驗 發現，兩部分單獨情況下均無蛋白 質降解活性，但二者混合後具有這 種活性。考慮到不被樹脂吸附的部分成分較少，因此他們決定先從 中分離活性成分，並最終發現一種 小分子熱穩定性蛋白，命名為APF-1 (active principle in fraction 1)。
至此，所有研究都在按部就班 進行。按照赫什科推測，細胞內應 存在一類獨立於溶酶體之外且依賴 ATP的蛋白酶，這類蛋白酶應有兩 部分組成——酶蛋白(大分子)和輔 酶(小分子)，因此推測APF-1可能發 揮輔酶的功能。為更好研究蛋白酶 作用機制，赫什科團隊聯合羅斯團 隊深入探索兩種組分的詳細作用。
羅斯再一次發揮了自己在酶 學研究方面的雄厚知識背景和熟 練操作能力。他指導研究生先將 APF-1和待降解蛋白質(如溶菌酶和 乳白蛋白)分別標記同位素I-125， 然後將它們分別與紅細胞裂解液混 合，完畢後藉助電泳和放射自顯 影方法檢測標記同位素蛋白質的變 化情況。結果取得意想不到的發 現。首先，檢測標記同位素APF-1 時，發現分子量顯著增加，意味著 它應與其他蛋白質實現了結合，而 且蛋白質變性後二者還可緊密結 合，說明APF-1與蛋白質間形成共 價鍵 ；其次，檢測待降解蛋白質 放射性時，發現有多個條帶，暗示 同一種蛋白質可結合多個APF-1分 子；最後，實驗還發現在一定情 況下APF-1與蛋白質可以分開，因此 二者的結合是一個可逆過程。在簡 單生化分析的基礎上，羅斯提出一 個蛋白質被APF-1修飾的機制模型 (圖1)，而後續研究證實這個模型給 出的解釋與預測驚人地吻合。
歐文羅斯
與此同時，羅斯團隊取得另 一重大突破。博士後威爾金森和哈 斯與隔壁實驗室研究人員較為熟 悉。在一次談話中，威爾金森提及 是否存在兩種蛋白質之間的共價結合，而隔壁實驗室的一名博士後突 然想起最近才發表的一項工作，就 是組蛋白H2A可與泛素之間形成共 價鍵。這一訊息激發了兩位博士後 的靈感。他們立刻啟動試驗，並 不久證實APF-1和泛素就是同一物 質 。至此，蛋白質泛素化修飾被 正式發現。這個進展一方面闡明瞭 一種細胞內全新的蛋白質降解機 制，另一方面還有效地解釋了一個 科學難題。因為肽鍵水解在熱力學 上是一個放熱反應，沒有ATP輔助 的必要，而羅斯他們的結果表明 ATP消耗在泛素修飾階段，因此並 不違背熱力學。
這一突破性的發現一方面奠定了羅斯等在蛋白質泛素化研究領域 的地位，也成為將來授予諾貝爾獎的主要依據；另一方面也完全改變 了研究小組的科研方向，從當初試圖尋找一類ATP依賴的蛋白酶轉向研究蛋白質的泛素修飾過程。1981 年到1983年，他們全面闡明瞭蛋白質泛素化修飾的三個階段。切哈諾 沃和赫什科充分發揮酶分離方面的優勢，鑑定出泛素化過程的三類酶，即泛素啟用酶(E1)、泛素結合 酶(E2)和泛素連線酶(E3)，其中E3種 類最為豐富，它決定靶蛋白泛素修飾特異性；而羅斯憑藉在酶研究方面嫻熟的理論和實驗技術，在皮卡 特協助下全面開展了對泛素修飾相 關酶作用機制的探索，包括ATP/ PPi交換實驗、E1酶共價層析純化、巰基中間產物的闡明和去泛素化酶 的鑑定等。後來，其他科學家鑑定 出26S蛋白酶體，從而擴充套件了蛋白質泛素化-蛋白酶體降解體系：蛋 白質可在三類泛素修飾酶催化下發生多泛素化；而多泛素化是啟動蛋白質降解的死亡標記，因此泛素被 稱為死亡標籤；多泛素化修飾蛋白質進入蛋白酶體被降解,釋放出的泛素可進一步被重複利用(圖2)。至 此，表明在溶酶體外還存在蛋白酶體這一重要蛋白降解細胞器。
隨著蛋白質泛素化在多個生理過程(如細胞分裂、DNA修復和免 疫防禦等)中重要性的發現，三位科學家羅斯、切哈諾沃和赫什科憑藉“泛素介導蛋白質降解的發現” 而分享2004年諾貝爾化學獎。蛋白質泛素化異常還被發現與多種疾病包括癌症和囊性纖維化變性等相 關，從而為疾病治療提供新方向。 科學家透過研發藥物干擾蛋白降解或促進致病蛋白降解而實現疾病治療的目的。用於多發性骨髓瘤治療 的藥物萬珂(Velcade)就是一種蛋白酶體抑制劑。
蛋白質泛素化修飾發現背後的驅動力僅僅在於想回答一個基本的科學問題，研究人員也完全出於一 種科學激情。當時極少人能理解這項工作的重要性，因此也無法預見將來可獲得諾貝爾獎。這也充分體 現科學研究本身的不可預見性。另 外，這項發現還闡明一個科學研究
圖1 羅斯和他提出的蛋白質泛素化模型 圖1 羅斯和他提出的蛋白質泛素化模型
圖2 蛋白質泛素化-蛋白酶體降解示意圖
的普遍規律：任何生命現象的第一次被闡明都是極其困難的，我們更喜歡依賴已有經驗和知識提出合乎常規的假說，但真正具有獨特性和 新穎性的概念往往被忽視許多年。
晚年科研
1995年，羅斯退休回到加州 的拉古納伍茨(Laguna Woods)，但 對科學的摯愛使他不願在家頤養天 年，而是繼續工作。他又加入加州 大學歐文分校生理學與生物物理學 系研究三羧酸迴圈過程中一個重要 酶——延胡索酸酶的作用機制。羅 斯在加州的工作很有規律，一週3 ～4天在學校實驗室，一年發表一 篇研究論文。
在同事的眼中，羅斯是一個純粹的、近乎完美的科學家。面對科學，羅斯表現出謙遜和無休止的好奇心；面對同事和後輩，羅斯表現更多的是慷慨和無私。羅斯關注更多的是科學本身，而非因發現本身帶來的榮譽。諾貝爾化學獎宣佈當晚，羅斯還正在口袋中夾著兩支試管，悄悄來到另一位諾貝爾獎獲 得者萊因斯的實驗室，利用大學公用的質譜儀器分析實驗樣品。化學教授諾瓦克(James Nowick)對羅斯 的評價是：永不滿足於自己已經 取得的成就，總是渴望取得新的發 現。羅斯非常喜歡為那些陷於困境的年輕學子或博士後提供援手，還 非常樂意與年輕人一起探索自然奧秘，鼓勵他們選擇“瓶頸”問題作為研究方向。在赫什科看來，羅斯的科學貢獻遠非僅僅透過文章可以體現的，因為許多情況下，羅斯不 願署名，而願把更多機會給予年輕人。羅斯在蛋白質泛素化發現過 程中具有不可替代的作用。以兩篇 《美國科學院院刊》(PNAS)經典 論文為例。由於羅斯已是美國科學院院士，因此具有發表文章的“特權”。儘管赫什科那篇論文未署 羅斯的姓名，但也由羅斯推薦(羅 斯強烈要求不署自己的姓名)。另外，發現APF-1和泛素為同一分子的文章，羅斯也未曾署名，而是隻 有博士後的名字。
2015年6月2日，羅斯在馬薩諸 塞州迪爾菲爾德(Deerfield)於睡眠 中離世，享年88歲。多個著名雜誌 都刊發訃告，以紀念這位偉大 而低調的化學家。本文一方面緬懷 這位科學大師，另一方面也展示蛋白質泛素化發現背後的科學故事。
