2016年9月30日 星期五

諾貝爾獎前奏:看見重力

今年 2 11 號,激光干涉重力波天文台( Laser Interferometer Gravitational-Wave ObservatoryLIGO)正式宣布位於美國漢福德區和路易斯安那州的利文斯頓的兩台引力波探測器同時探測到了一個重力波信號。到6 14 號,LIGO 再發表第二個重力波的證據。這是人類史上第一次偵測到重力波,也是人類終於完整了愛因斯坦廣義相對論的最後一個缺環。這個發現震驚物理學界,甚至連傳統新聞都有報導,就連Facebook都有不少朋友轉發相關消息。自從CERN發現「上帝粒子」之後,似乎都沒有試過有甚麼科學發現是這麼令人關注的。

究竟甚麼是重力波?這個發現有甚麼重要?就先讓我們把時間倒轉到100年前。1915年,愛因斯坦發表了他的廣義相對論引力場方程。他的理論取代了傳統的牛頓力學理論。根據他的理論,重力根本不是力,只不過是質量令到時空扭曲。

但廣義相對論完全是從愛因斯坦的腦袋憑空出現,完全沒有實驗的證明。愛因斯坦於是提出了幾個方向給科學家去作實驗,又提出了幾個預言。第一個「光線偏折」的觀察由英國天文學家愛丁頓於日蝕時在非洲幾內亞灣的普林西比和南美洲巴西的索布拉進行觀測而證實。這是對廣義相對論的第一個證據,愛因斯坦因此名聲大噪。

之後的其他觀測(水星近日點進動、引力紅移)及預言(黑洞、雷達回波時間延遲、引力時間膨脹)之後都相繼得到證據支持。唯獨重力波的預言,多年來都沒有得到證據支持。

重力波其實有點像電磁波。根據電磁理論,當電荷在電磁埸中移動,就會產生電磁波。同樣道理,當質量在重力埸中移動,就會產生重力波。這個波就彷似時空的漣漪,把能量從一個地方傳送到另一個地方。

但問題是,引力波非常非常非常微小,就算超級大質量引起的信號都甚至比一粒質子還要小得多,所以一百年來,一直未有人成功測量過重力波,很多人甚至認為那只不過是數學上的玩意,我們永遠不會測量得到它。

其實在LIGO之前,也有不少科學家嘗試過測量重力波的,其中最著名的是韋伯(Joseph Weber)。它發明了一個叫韋伯棒的儀器,它的原理簡單的過分,就是一條巨大的鋁圓柱從天花懸掛下來,上面有偵測器去偵測它的振動。如果把它與外界完全隔絕,那令它振動的能量一定就是從遠處的重力波中來的。

雖然沒有人會覺得韋伯會成功,但他竟然宣稱自己偵測到重力波的訊號,而且發現得越來越多,似乎他想發現甚麼,就可以發現甚麼。他之後成了重力波的權威,但他的那些發現似乎只有韋伯自己才做到,其他人想重複實驗,都全部失敗。韋伯就指是因為自己的技術精良,其他人一定是實驗的方法不當。韋伯是科學界中的悲劇人物,科學界很快對韋伯失去了信任,儘管他一直都堅決自己是發現重力波的第一人。

之後,重力波的研究重回正軌。兩位美國天文學家Russell HulseJoseph Hooton Taylor發現了一組互相環繞著大家旋轉的中子星,其中一顆中子星是脈衝星,所以兩位天文學家可以很容易追蹤到他們。他們發現那兩顆星的軌道正在彼此貼近,它們在繞著大家旋轉,所以當中失去的能量,應該就是經過重力波而被帶走的。他們的觀察與愛因斯坦理論的計算吻合。這次雖然不是直接偵測到重力波,但卻是一個很重要的間接證據。

至於我們的主角LIGO,超源於1970年初期,最初由Rainer WeissRonald DreverKip Thorne所構思及領導。LIGO 觀測站現時有兩座,分別在華盛頓州及路易斯安那州。它們是一個利用雷射光的干涉儀,可以測量極微小的距離變化。干涉儀主要部分是兩個互相垂直的長臂,每個臂長4公里,雷射光射入長臂,雷射光然後經由分束器分為兩束,並分別在兩塊反射鏡間所形成的光學共振腔中來回數百次以增加靈敏度,之後再在分束器中從新合併。當重力波經過時,干涉儀兩臂的長度會改變,而這些微小的改變雷射光間的path difference,做成干涉的圖案。這原理其實不複雜,相信大家高中的物理課都做過干涉的實驗。LIGO的科學家只要科學家分析干涉的圖案,就可以知道重力波的來臨。





由於我們需要很大很大的質量才能產生可以測量得到的重力波,例如兩個黑洞的相撞,所以LIGO運作了多年都仍然未有任何成果。直到上年914日華盛頓州及路易斯安那州的兩個探測器終於探測到重力波信號。LIGO的科學家計算到出信號是由13億光年外的兩個質量分別為太陽質量2936倍的黑洞合併而成的,發出的能量大約是等如太陽質量3倍的物質在短短1秒之内被轉化成重力波。之後它們在同年1226日再發現了另一個信號,才次證明了愛因斯坦的偉大理論。

這個發現除了完整了愛因斯坦的理論,更重要的是它為我們提供了觀察宇宙的全新方法。以往我們只能用電磁波去觀測宇宙,但有些天體,如黑洞,根本不會發出電磁波。但現在,我們有了個新方法去觀察它們,就是探測它們發出的重力波。


2012年,CERN宣佈發現有「上帝粒子」之稱的希格斯玻色子,翌年諾貝爾委員會就已經決定把物理學獎頒給提出理論的Peter HiggsFrancois Englert。發現重力波的重要性絕對不下於發現「上帝粒子」,不知道諾貝爾委員會今次又會不會即刻頒發獎學獎勵這個發現呢?

2016年9月27日 星期二

諾貝爾獎前奏:大熱門免疫學

免疫系統是人體中其中一個最深不可測的系統,大概僅次於神經系統,所以免疫學從來都是諾貝爾獎的大熱門。

讓我們看看諾貝爾獎有史以來所有與免疫學相關的獎項:

Emil von Behring (1901):發明血清療法,並把它應用於白喉的治療中(第一屆諾貝爾獎已經是頒給免疫學的研究)
Ilya Ilyich MechnikovPaul Ehrlich (1908):前者發現白血球的吞噬作用(Phagocytosis),後者提出「側鏈學說」(Side-chain theory)去解釋抗體如何攻擊身體的入侵者
Charles Richet (1913):發現及研究過敏反應(Anaphylaxis  
Jules Bordet (1919): 發現補體(Complements)及抗體如何合作去攻勢致病原 
Sir Frank MacFarlane BurnetPeter Medawar (1960):發現獲得性免疫耐受(Acquired immunological tolerance 
Gerald EdelmanRodney Porter (1972) :發現抗體的化學結構
Baruj Benacerraf, Jean DaussetGeorge Snell (1980) :發現主要組織相容性複合體(Major histocompatibility complexMHC),可以幫助解釋免疫系統如何區分本身及外來的物質
Nils Jerne, Georges KohlerCésar Milstein (1984)Nils Jerne解釋了免疫細胞的生成機制及「網絡理論」(Network theory),另外兩位科學家發明以融合瘤製造單株抗體(Monoclonal antibodies)的技術
Susumu Tonegawa (1987):發現抗體多樣性產生的遺傳學原理,解釋為什麼人類的基因組只有約二萬條基因,卻可以產生百萬種不同的抗體
Peter DohertyRolf Zinkernagel (1996):發現T免疫細胞如何透過「雙重辨認」去辨認出受病毒感染的細胞
Bruce A. Beutlerz, Jules A. HoffmannRalph M. Steinman (2011):前兩者發現先天免疫細胞上的Toll-like receptors,可以解釋先天免疫機制如何被活化;後者發現樹狀細胞(Dendritic cells)和其在後天免疫中的作用

看!洋洋灑灑的,何等壯觀!免疫學已經拿過如此多的獎,近年來又有沒有甚麼值得獲獎的新研究呢?

其中一個近年來最受注目的免疫學領域一定是T細胞。T細胞分為CD4+ T細胞及CD8+ T細胞。CD4+ T細胞又稱為輔助型T細胞,負責幫助其他免疫細胞工作;细胞毒性T细胞自接擊殺癌細胞或受病毒感染的細胞。

T細胞非常斤斤計較,它一定要認得自身細胞上一種叫的「主要組織相容性複合體」(Major histocompatibility complexMHC)的蛋白質才會開始工作。就好像一個士兵,他一定會認得工作是由自己上司分配的,他才會開始工作。一個「三唔識七」的人分配工作給他,要他上場殺敵,他自然不會理睬。同樣道理,T細胞只會接受MHC分配給他的免疫工作,如果沒有MHC,它才不會理睬。MHC分為兩大類,分別是class Iclass IIMHC class I出現在全身體所有的細胞表面上,而class II只出現在一些特別的免疫細胞表面上,我們稱那些特別免疫細胞為抗原呈現細胞(Antigen presenting cells)。CD4+ T細胞只認得MHC class II,而CD8+ T細胞只認得MHC class I。當外來致病入侵者進入細胞後,細胞會把入侵者的蛋白片段放在自己的表面上,用來警告T細胞「我們被入侵了,快幫助我們」。T細胞上的受體只要同時認得MHC及入侵者的蛋白片段,就會開始殺敵工作。



以上是科學家到大約上世紀約80年代為止對T細胞的認識。T細胞上的受體叫T-cell receptorsTCR),明顯地它是整個殺敵過程的核心,但當時科學家甚至連TCR是甚麼都未知道,他們最初以後它可能是一種類似抗體的蛋白,就好像B細胞的受體一樣。直到1983年,James AllisonEllis ReinherzJohn Kappler三個小組分別用單株抗體(Monoclonal antibodies)的技術辨認出TCR。請特別記著James Allison的名字,此君會在之後出現很多次。

TCRαβ兩個多肽鏈構成,它們各有一個變異區(Variable region)和一個固定區(Constant region),變異區用來辨認相對的抗原及MHC。只有抗原及MHC同時出現,TCR才會認得。αβ多肽鏈中間由雙硫鍵連起來。TCR附近有CD3ζ鍵兩個蛋白,雖然它們不是由共價鏈(Covalent bond)連起,但會幫助TCR把訊息傳遞到細胞中。



之後另一個免疫學尚未解決的大謎團是如何控制免疫細胞不會攻擊自己呢?

科學家發現原來TCR與抗原及MHC結合後的訊號並未足夠活化T細胞,而是要有另一個由T細胞上的CD28及抗原呈現細胞上的B7CD80或者CD86)結合而產生的訊號。如果TCR與抗原及MHC結合,但沒有第二個訊號的支持,T細胞會以為自己出錯,於是自我毀滅。大部分的正常細胞都缺乏B7蛋白的,所以如果T細胞想攻擊它們,它們就會因缺乏第二個訊號而自我毀滅。

還記得James Allison嗎?剛才提及發現TCR的那位科學家。他在90年代又有新發現了。他發現了一個名為CTLA-4的受體。如果B7蛋白與T細胞上的CD28結合,就會發出第二個訊號去活化T細胞,但如果B7蛋白與T細胞上的CTLA-4受體結合T細胞就會停止運作。這也許防止免疫系統胡亂攻擊自身細胞的一個機制。



除了CD28B7CTLA-4,日本科學家坂口志文在1995又發現了另一個可以剎停過度活潑的免疫系統的機制──一種特別的T細胞。這種特別的T細胞除了有CD4蛋白外,亦有CD25蛋白(一個IL-2受體)。坂口志文發現它對各種T細胞和B細胞都有抑制作用,可以調節和控制免疫反應。這種新細胞亦因此被命名為調節T細胞(Regulatory T cells)。這種細胞的成長及作用由一種Foxp3的因子所控制,科學家試過移走老鼠中的FoxP3基因,結果老鼠出現了很嚴重的自身免疫系統疾病。

剛才談及的研究好像太「離地」?一點也不,之前已經出場過幾次的James Allison更把這些基本發現帶到臨床醫學。他研發了一種叫ipilimumab的抗癌新藥物,它是一種攻擊CTLA-4的單株抗體。少了CTLA-4,便少了一個抑制免疫系統的機制,超級活躍的免疫系統就可以殺死癌細胞。現在,ipilimumab已經獲準在末期黑色素瘤、前列線癌等癌症中使用。同樣地,坂口志文也正在研究一些針對調節T細胞的新抗癌藥物。

屈指一算,諾貝爾獎上次頒給免疫學的研究已經是5年前了。今年會否再頒給這個領域的科學家呢?6日後就知道了。

2016年9月26日 星期一

諾貝爾獎前奏:RNA的新世界

本年度的諾貝爾獎尚有一個星期(103日)就要正式公布了。史丹福作為一位科學愛好者,打算藉此機會,一連幾篇文章跟大家介紹一下幾個得獎的大熱領域,好讓大家可以稍為認識一下各個科學領域的最新發展及突破。

今次先跟大家談談RNA的發展。科學界一直以來覺得生物學的世界就是DNA的世界。只有破解到DNA的秘密,就可以掌握到生命的秘密。RNA一直都只是一位隱藏在DNA的光芒下的配角。直到兩個大發現,令科學界開始對RNA刮目相看。一是RNA原來有催化的作用,它可以在不需要蛋白質的情況下自我催化,這個發現粉碎了科學界一直以來覺得只有蛋白質才有催化活性這個根深柢固的概念。

第二個突破來自發現一群具有調控功能的全新RNA,其中包括microRNA(簡稱miRNA)及small interfering RNA(簡稱siRNA)。根據生物學的「中央發則」(Central dogma),基因的資訊一定是依著DNAàRNAà蛋白質的方向傳遞,而蛋白質就可以透過不同的方法影響細胞活動。所以DNA就像是一個電視台,是資訊的來源;蛋白質就像是電視機,負責執行那些來自電視台的資訊;至於RNA,則是無線電波,負責把電視台的資訊帶到電視機。

假如DNA出錯,就像是一間電視台出現問題,不斷播放低質素、是是旦旦的維穩電視節目。那要甚麼方法解決呢?方法一就是把那個垃圾電視台(DNA)關掉,或引入其他質素高的電視台。無奈基於一籃子因素,這是難以達成的。方法二是關掉電視機(蛋白質),這也未嘗不是一個好方法。事實上,現時有不少的傳統藥物,都是在蛋白質的層面影響細胞活動的。但其實還有一個新穎的方法,就是干擾為電視台傳播訊息的電波(RNA)。隨著大家對RNA這個「電波」的認識越來越深,我們發現原來電波不但可以用來傳遞訊息,更可以干擾其他電波。也就是說,RNA可以干擾RNA,從而改變生物的特性。

我們的DNA中大約有50%會被轉錄成RNA,在這些RNA中,只有2%是會被轉譯成蛋白質的mRNA,另外約98%RNA是不會轉譯成蛋白質的non-coding RNA(簡稱ncRNA)。但non-coding不等如它是沒有用的垃圾,它們也有非常重要的生物學功能,如較為大眾熟悉的tRNArRNA就是轉譯蛋白質時不可或缺的生物分子。另外兩種較新發現的ncRNA,就是之前提及的miRNAsiRNA

這般生物學的浪潮起緣於1993年。當時Victor Ambros的團隊(包括兩位主將Rosalind LeeRhonda Feinbaum)對一組於位線蟲內的lin-4基因產生了興趣,因為lin-4的突變會令變成畸形。經過一段時間的努力,他們發現lin-4的產物可以抑制另一組名為lin-14的基因。當時該團隊既然lin-4的產物有抑制基因的作用,那它理應是種蛋白質吧。但當他們再進一步深入研究時,發現這產物竟然是一種史無前例的,只有22nt大的超級迷你RNA(在此之前發現的RNA都是起碼幾百nt大的)。這種超級迷你RNA於是就被命名為microRNAVictor Ambros的拍擋Gary Ruvkun之後比較了lin-4與兩個基因序列,他發現這兩個序列有很大部分是互補的,與lin-14 mRNA互補的lin-4 miRNA黏在lin-14 mRNA上,直接影響mRNA的轉譯(這是大家對miRNA機制的最初認識,他們後來知道原來還有另一個機制,牽涉到RNA interference,之後會再作介紹。)。當初Victor Ambros的團隊只是想研究一條有趣的基因,誰不知卻無心插柳地帶起了一輪生物學的革命。

由於這種具有調節功能的超級迷你RNA實在太令人匪夷所思,科學家們最初相信它只是一種在線蟲中獨有奇特分子。直到2000年,Gary Ruvkun再發現另一種名叫let-7miRNA,而這種分子在高等的哺乳類動物都存在,自始miRNA的發現如雨後春筍,至今科學家已在人類的基因中找到超過700miRNA

在討論miRNA的結構及調控原理前,讓我們先看看另一個科學大發硫。1990年,科學家有一個無心插柳的發現。他們原本想在一種開紫花的植物中加入紫色色素的基因,令它們開的花會更紫。但結果出付他們意料之外,花瓣上反而出現了一塊塊白色區域,原來原有的紫色色素基因及新加入的紫色色素基因同時被關閉了!當時,他們並不知道為什麼會發生如此奇怪的事,只是留意到紫色色素基因mRNA含量明顯減少,這現象被稱為「轉錄後基因沉默化」(Post-transcriptional gene silencing)。

奇怪的事情陸續發生,今次出現在線蟲上。科學家本想研究方法關掉線蟲的基因,他們為線蟲注射了與該基因反義(antisense)(我們知道RNA中,AU是對應的,GC是對應的,只有對應的base才可以黏在一起,反義的意思就是與基因完全相對應,)的RNA,它與該基因的mRNA互補,所以會黏在mRNA上,阻止它與外界接觸,遮掩mRNA上的訊息,自然就不能把訊息傳到蛋白質中。正如他們所預料,他們成功了,反義RNA可以關閉基因。但令他們驚訝的是,就算他們把正義(sense)的mRNA注射到線蟲,那個基因一樣會被關閉。

之後,在1998Andrew FireCraig Mello把這些奇怪的現象推到一個新高峰,他們把正義和反義的RNA黏起來,變成雙股RNA,之後把它們注射到線蟲中,他們發現雙股RNA關閉基因的能力竟然比正義及反義的RNA都高了近十倍!這個現象被稱為「核糖核酸干擾」(RNA interference)。原來植物的Post-transcriptional gene silencing也會發生在動物中,令mRNA含量減少。

究竟雙股RNA進入生物體內之後發生甚麼事?為什麼可以把基因關掉?

David BaulcombeAndrew Hamilton之後繼續研究這些現象,他們發現植物的post-transcriptional gene silencing(其實與RNA interference是同一個現象,只不過一者在動物,一者在植物)原來是由一種只有25nt的超級微小雙股RNA由起的。這種小RNA不同於我們之前提及的microRNADavid Baulcombe團隊把它們稱為small interfering RNAsiRNA)。

原來當雙股RNA被送進細胞後,就會發生以下的事情:
1.DICER
(一種RNA酶)會把雙股RNA切成多個小段,成為更小的雙股RNA,即是siRNA
2. siRNA 
與一種叫AGO的蛋白質合體,變成一種名叫RNA-induced silencing complexRISC)的分子, siRNA 的雙股結構會去掉其中一股,只剩下反義的一股
3. 
這個RISC是一隻超級「mRNA殲滅者」,siRNA反義的部分就是它的探測器,與目標mRNA相對應互補,會跟目標mRNA黏在一起,這隻「殲滅者」就是這樣尋找它的獵物
4. 
當黏在一起之後,RISC就會把mRNA切斷,令它們無法再轉譯出蛋白質



之前提及的miRNA,原來都是用類似的原理去干擾mRNAmiRNA從一些基因的非編碼片段轉錄而來,轉錄出來最原始的產物被稱為pri-miRNAPri-miRNA上面還有一些可以互補的序列,這些序列就與雙股RNA一樣,互相配對,黏在一起,令pri-miRNA上有多個像髮夾般的構造。之後,一種稱為DROSHARNA酶會把pri-miRNA上的「髮夾」切開,最後DICER就會把雙股的pri-miRNA切開,製成成熟的miRNAmiRNA再裝嵌成RISC這隻「mRNA殲滅者」,把mRNA切斷。miRNA就是用這個方法關掉基因。



之前我們把DNA比喻為電視台,mRNA比喻為電視台發出的電波,而miRNAsiRNA就是可以干擾電波的工具,它們不需要影響DNA,只要把mRNA殲滅掉,自然就能切斷訊息,關掉基因。而miRNAsiRNA的分別在於,miRNA是生物從自己的基因轉錄出來的,是生物自己用來調控基因的工具;siRNA則是從外來的雙股RNA中合成的,可以是人類在實驗室中製造出來關掉基因的工具,也可以是自然界中一種物種用來攻擊另一物種的武器。

這些新型的調控RNA已經為生物學帶來翻天覆地的轉變。如miRNA被發現是人類自身調控癌症及心血管疾病基因的工具,所以我們可以透過檢查這些miRNA去預測病人的病情及對治療的反應。而siRNA就是生物用來對抗病毒入侵的利器。另外,正如之前所講siRNA也為我們提供了一個隨意人工地關閉基因的方法,這對實驗研究很有幫助,將來甚至可能可以用於基因治療。


由於RNA interference對科學界的影響實在太大,發現這現象的Andrew FireCraig Mello在這發現的短短幾年後(2006年)已經得到諾貝爾生理及醫學獎。但科學界普遍覺得諾貝爾委員會遺留了很多對這領域有重要貢獻的科學家,如發現miRNAVictor Ambrose,發現miRNA機制的Gary Ruvkun,及研究植物post-transcriptional gene silencing並發現siRNADavid Baulcombe。他們已經得到過Wolf PrizeLasker Award等僅次於諾貝爾獎的科學界大獎。他們有沒有機會再下一城,得到諾貝爾獎?我們拭目以待。