致敬Robert Roeder——杰出的基因转录调控研究大师
致敬Robert Roeder——杰出的基因转录调控研究大师
丁广进
在《致敬David Allis教授——杰出的表观遗传学家》一文中我提到了Allis教授目前是在洛克菲勒大学做教授，那么今天这篇文章的主人翁Robert G. Roeder教授同样来自洛克菲勒大学。有关“洛克菲勒”与生命科学相关的更多信息可参考饶毅教授2011年在科学网上发表的一篇博文《美国首富的财产：有价之物和无价之宝》，这里我先简要的摘录一些重要信息：
“洛克菲勒大学诺贝尔奖密度高，是因为其教授取得多项举世公认的成就。好玩的是，它最重要的研究并没得诺贝尔奖：1944年Osward Avery、Colin MaccLeod和Maclyn McCarty提出DNA是遗传的物质基础，是生物学史上最重要几大发现之一。”
“洛克菲勒把慈善做成了事业......尤其突出的是四个有特色的大学：芝加哥大学、洛克菲勒大学、北京协和医学院、Spelman学院。”
“1901年成立洛克菲勒医学研究所，1954年招收研究生，1965年改称洛克菲勒大学......历史上，洛克菲勒大学有过二十多位诺贝尔奖获得者，其中除三位化学奖，其他皆生理或医学奖。二十一位曾获Lasker奖，十四位曾获美国国家科学奖。”
“1915年，洛克菲勒成立“中国医学基金会”，将原有的小型医学院于1919年改建为现代的协和医学院，不仅协和医院成为中国首屈一指的医院，而且在医学教育上培养了一批中国医学先驱，还是中国生命科学研究的发源地之一。”
“洛克菲勒的Robert Roeder发现RNA多聚酶及其后几十年的研究，被公认为分子生物学的重要工作，而因诺贝尔化学奖委员会对生物认识的水平有限，将相关奖只给了一位做结构的生物学家，忽略了此项工作最重要的Bob Roeder和Mark Ptashne。”
在饶毅教授另一篇文章《我的名单差不多要过时了》中也提到了Bob Roeder教授，摘录如下：
“获奖者是Roger Kornberg，不是我名单上的Mark Ptashne，或者很多人认为应该得奖的Bob Roeder。只能说，诺贝尔化学奖委员会评判生物能力不太行。”
Roeder教授1942年（现年73岁）出生于美国印第安纳州，比Allis教授（1951年生）年长9岁。他曾以优异的成绩（B.A. summa cum laude——拉丁语，意思是美国本科毕业生在学校获得的最高荣誉）在印第安纳州的瓦贝希学院（WabashCollege，是位于美国印第安纳州Crawfordsville的一所文理学院。它建立于1832年，是美国仅存不多男校之一。学校仅有不到1000名学生，师生比例超过10:1）获得化学学士学位，然后去伊利诺伊大学（University of Illinois）获得化学硕士学位，27岁在位于西雅图的华盛顿大学获得生物化学博士学位，后来有人问他为什么离开印第安纳来到了Seattle，他说部分原因可能是因为那里的寿司吧（sushi bars）和中餐吸引了他。也就是在他博士毕业的那年1969年，Roeder在William J.Rutter实验室首次在真核生物（sea urchin-海胆and rat liver）中发现了三种不同功能的RNA聚合酶。
关于RNA聚合酶的首次发现过程也颇有意思，这里简述一下。早在1955年，Marianne Grunberg-Manago 和 Severo Ochoa就声称他们分离到了能够催化RNA合成的酶，当时他们命名为“polynucleotide phosphorylase（多聚核苷磷酸化酶）”，然而后来发现这种酶不需要DNA作为模板来合成RNA，“subsequently determined that the function ofpolynucleotide phosphorylase was to degrade RNA, not synthesize it”，但是他们发现的酶在M.Nirenberg和J.H.Matthaei合成第一个遗传密码子中发挥了重要作用。S.Ochoa因阐明RNA生物合成机制而获得了1959年诺贝尔生理学或医学奖。由于Ochoa的发现引起了美国科学家Jerard Hurwitz对寻找真正RNA聚合酶的兴趣，于是Hurwitz在1959年开始从大肠杆菌中分离RNA聚合酶的研究。其时，1959年Samuel B. Weiss组报道了大鼠肝脏的核抽提再有四种rNTPs的情况下物能够催化RNA合成反应，研究发表在JBC上【1】，随后1960年Hurwitz组和Audrey Stevens在大肠杆菌的抽提物重复了类似的实验，研究结果同期发表在BBRC（PS：如此经典的杂志如今沦落得成为不少人灌水的杂志，叹叹）上【2，3】，稍晚些时候James Bonner组利用豌豆的核抽提物也做出了类似的实验结果，同样发表在当年的BBRC上【4】。然而这只是开始，离真正的分离纯化RNA聚合酶还有一段路程。之后，Hurwitz和他的博后John J. Furth合作终于在1962年从大肠杆菌中分离纯化出真正意义上的RNA聚合酶，这一经典工作发表在当年的JBC上【5】。
（Hurwitz和他的博后John J. Furth合作从大肠杆菌中鉴定到了真正的RNA聚合酶）
Roeder的这一工作应该是他一生中做出的最重要的工作之一（有些人包括Roeder本人可能会把“之一”去掉 ^_^），研究论文发表在1969年的Nature上【6】，后续还做一些细化的工作【7】，并且研究海胆发育过程中不同RNA聚合酶参与RNA合成的调控【8】。据Roeder教授本人在接受杂志《科学家》的采访中的描述，这篇1969年的Nature文章是他最喜欢的论文，这最后三个月的工作也成就了他的博士论文。尽管做出了如此重要的工作，但是最初投给Nature就被拒了，理由是“that it was not of generalinterest”，不过最后因为他的导师Rutter教授的据理力争最终论文还是被Nature接受了。这一经历让我想起DNA聚合酶的发现者，1959年诺贝尔生理或医学奖得主阿瑟.科恩伯格(Arthur Kornberg, 1918-2007)教授的当年的遭遇。笔者本人曾在科学网写过一篇被精选的博文《为什么大家认可JBC为一流杂志》，这篇文章详细的描述了科恩伯格教授的遭遇，现摘录如下（笔者从科恩伯格教授所写的《酶的情人》一书中摘录而来）：
“我们在两篇文章中记述了这些发现，标题为“脱氧核糖核酸的酶法合成”，副标题是“1.底物的制备和大肠杆菌的酶的部分提纯”和“2.反应的共性”。在1957年10月，他们都被送到《JBC》（生物化学杂志）。大约一个月后，手稿被认为无法接受，被退了回来。《JBC》没有反对论文的内容——第一次描述了DNA“建筑模块”的三磷酸新形式、他们的合成步骤以及分离出聚合他们的酶；也没有批评我们产物的特征——除了认为不应该把它称为“DNA”。在那些不记名的评审人中，包括10个研究核酸的权威，一些人坚持，应该用精确而无生气的名字“聚脱氧核糖核苷酸”称呼合成的产物而不是用“DNA”。一个评阅者，鲜明无误地显露出他苛刻的文风，声称我们必须证明我们合成的物质具有遗传活性，使得称得上“DNA”。为什么？JBC杂志上只有不到2 %的有关“DNA”的论文能达到这个标准。交涉几个回合后，我决定撤回论文。这时，John Edsall知道了这场争议。此人将在一个月内担任该杂志的主编。他想让论文发表，就要求我等一等。最后，论文很快发表在《JBC》1958年5月号上。”
（Roeder在Nature上发表的首次在真核生物中发现了三种功能不同的RNA聚合酶）
Roeder博士毕业后去了华盛顿卡内基研究所（Carnegie Institution ofWashington，著名华人女科学家，HHMI研究员郑诣先教授目前在此做研究）跟随Donald D. Brown做了2年博后（1969-1971）。短暂的两年里Roeder继续在非洲爪蟾（Xenopuslaevis）研究不同种类的RNA聚合酶的功能，这期间发表了一篇论文【9】。尽管博后期间没有很多人想当然的高产，但是我个人觉得Roeder开始在爪蟾中研究DNA的转录对于他日后在“基因转录的表达调控”研究中的辉煌成就奠定了坚实的基础。（在上个世纪前期流行的模式动物有蝾螈、蜥蜴、青蛙和海胆等，非洲爪蟾是非常重要的脊椎模式动物，早期的实验动物学、胚胎学大多利用这种模式动物。英国发育生物学家约翰·格登（John Bertrand Gurdon）就是利用了爪蟾卵的核移植实验实现了细胞的重编程年与山中伸弥共（ShinyaYamanaka）同获得2012年度诺贝尔生理或医学奖。爪蟾的核抽提物也非常适用研究体外无细胞环境下的基因转录调控。）
做完博后，Roeder去了位于圣路易斯的华盛顿大学医学院（Washington UniversitySchool of Medicine）任教约11年（1971-1982）。在圣路易斯，Roeder做出了他科研生涯中第二重要的工作——率先构建“无细胞系统（cell-free systems）”研究基因转录【10-12】，这一项伟大的技术突破为日后研究体外基因转录调控奠定了坚实的基础，直到今天仍然有不少实验室继续运用这个系统研究体外基因转录调控。
由于Roeder建立起了“无细胞系统”，于是这一系统随后很自然被用于鉴定一系列与转录相关的必要因子——转录因子。在1980年Roeder的两篇JBC论文中【13,14】，Roeder实验室分离纯化到了与RNA聚合酶Ⅲ和RNA聚合酶Ⅱ所必须的转录因子，也就是今天我们教科书上所讲的TF系列（TFII A, TFII B, TFII E, TFII F andTFII H for Pol II, and TFIII B and TFIII C for Pol III）。然而这只是分离纯化到的蛋白，这些转录因子被克隆出来那已经是1992年后了。1992年Science最先报道了从酵母中克隆到了TFIIA【15】，随后2013年Roeder实验室率先克隆了人的编码TFIIA大亚基的基因（TFIIA alpha/beta）【16】，2014年另一个实验室克隆到了编码TFIIA小亚基的基因（TFIIA gamma）【17】。
1982年Roeder加入了洛克菲勒大学，1985年成为Arnold and Mabel Beckman讲座教授直到现在。在到洛克菲勒大学后，Roeder继续在基因转录调控研究领域阔步向前，随后鉴定并命名了一系列的转录activators，repressors，coactivators和mediators【18-21】。当然还有其他的Group在这方面也做出了杰出的贡献，特别值得一提的是现任HHMI主席，美国科学院院士钱泽南（Robert Tjian）。
自从1996年David Allis等人鉴定到了组蛋白乙酰化酶后开启了表观遗传学的黄金时代，而这之后Roeder实验室也慢慢地集中在研究染色质上组蛋白的修饰对基因的转录调控研究。这一时期培养了许多目前活跃在表观遗传学研究一线的教授，包括我较为熟悉的哥伦比亚大学的顾伟教授（主要研究p53乙酰化【22】），HHMI研究员纽约大学医学院的Danny Reinberg教授（HHMI研究员，哈佛大学张毅教授和前NIBS研究员现生物物理所研究员朱冰的博后导师），Stowers医学研究所的Jerry Workman教授，密西根大学的Yali Dou教授等等，Jerry Workman和Yali Dou主要研究组蛋白H3K4甲基化酶MLL复合体的功能（PS:日后有机会对以上几位教授会作专题介绍，敬请期待）。近年来，Roeder与David Allis的合作也比较频繁，可以说他们一道成为了当今表观遗传学领域的标志性人物。
最后八卦一下Roeder教授科学外的世界。Roeder的父亲是一名农场主，他的最大的愿望就是想让三个儿子留在农场然后将其发展壮大。假如Roeder不是一名科学家，那么他最有可能成为一名设计师，因为他自己喜爱设计和绘图，并且十分满意他那双巧手。Roeder对好莱坞大片不感兴趣，最喜欢的一部电影是《神枪小子》（Blazing Saddles），上世纪70年代的电影，而我本人对此片一无所知。
后记：自从写了《致敬David Allis教授——杰出的表观遗传学家》一文后，我正寻思着下一个主题，然而想来想去与Allis教授同单位的Roeder教授成为了今天的写作对象。说起我对Roeder教授的认识，应该是从我来到上海进入表观遗传学实验室学习时开始。现在依稀记得我第一次来新实验室做Journal Club的场景，偶然的机会我挑选了当时刚发表在Cell的一篇文章（SET1 and p300 Act Synergistically, through Coupled Histone Modifications,in Transcriptional Activation by p53），文章的通讯作者正是Roeder教授。可能由于当时我个人初来咋到，谈不上什么经历，这篇文章讲的并不好，最后一部分甚至讲不下去，当时在众目睽睽下感到很难堪。其实这篇文章我也做了不少功课，也曾了解过Roeder实验室此前的工作，但是首秀失败的确是给我上了一堂课，好在当时导师并没有为难，还为大家解释了很多问题，记忆如新啊。再后来发现Roeder教授应导师的邀请来过我们所做过两次报告，可惜那时我估计在水稻田里^_^，一直引以为憾。再后来，在组会上偶尔也会提到Roeder教授的工作，常常是赞叹他们“体外重组核小体”技术。再者，通过写这篇文章，当我回溯那些重要的科学发现时，发现那么多优秀的工作都不是发表在我们目前热衷于讨论的CNS，我很是感慨，JBC和BBRC这两本杂志曾经发表了很多诺奖工作或准诺奖工作，当然那只是曾经。那个年代是生化最好的年代，科学很纯粹，论文没有那么多“废话”，很多工作经得起时间的考验。我早已不迷信CNS和影响因子了，也学会了多一分敬畏科学和那个年代的科学家，这就好比我时常回想和感慨五四时期的那一批真正的大师！这篇文章也是2015年最后一篇文章，虽然花费了我不少精力，但是我边写边学习边感悟，颇多收获。在此提前祝大家元旦快乐！此时正2015年12月30号凌晨1点。
（Roder教授应邀到生医所做学术报告，左为所长刘明耀教授，中为Roeder教授，右为副所长翁杰敏教授）