凭借关于肿瘤病毒与细胞遗传物质相互作用的研究发现, 戴维 ⋅ 巴尔的摩‌ (David Baltimore) 教授与雷纳托 ⋅ 杜尔贝科 (Renato Dulbecco) 教授和霍华德 ⋅ 特明 (Howard M. Temin) 教授共同获得了 1975 年诺贝尔生理学或医学奖。

迷人的病毒世界

病毒是感染细胞且有时会引发疾病的微小颗粒。病毒数量无比庞大, 每一种动物甚至每一种细菌都有自己的一套病毒。目前已发现超过一百万种不同的病毒！你可能熟悉一些病毒, 例如导致流感的流感病毒、引发新冠肺炎的 SARS-CoV-2 病毒, 或引起水痘的水痘- 带状疱疹病毒。也许你们也听说过导致艾滋病的人类免疫缺陷病毒（HIV）, 或者埃博拉病毒。病毒在结构（图 1）、可感染物种数量（仅感染特定物种还是多个物种）, 以及对所感染的生物体（即宿主）的危险性方面, 都存在巨大差异。

病毒通过穿透宿主细胞并插入遗传物质来进行繁殖, 宿主随后会将这些遗传物质视为自身物质。病毒便以此方式"奴役"宿主细胞, 诱骗其生产大量病毒复制体。病毒的繁殖速度极快 — — 在细菌中仅需 20–30 分钟, 在包括人类在内的哺乳动物中也只需几个小时。它们通过从一个宿主传播到另一个宿主来扩散。例如, 一些病毒可以通过打喷嚏, 或者当某人触摸了被感染者之前触摸过的表面时, 在人与人之间传播。我们可通过接种疫苗来抵御某些病毒, 而且仅感染人类的病毒更容易应对。

我们都知道, DNA 是生命系统中携带遗传信息的分子。RNA 则是它的近亲, 作为 DNA 中的可移动信息副本, 能够生产蛋白质（要了解更多关于 DNA、RNA 和蛋白质的知识, 请参阅"诺贝尔奖合辑"中这篇关于蛋白质降解的文章, 还有同一合辑中这篇关于 RNA 剪接的文章）。动物界的所有生物都以 DNA 为遗传物质, 而病毒的独特之处在于 RNA 病毒, 此种病毒将 RNA 用作遗传物质（科学界认为早期生物都以 RNA 为遗传信息, 这一特性在病毒中留存下来。要了解更多关于早期 RNA 世界的知识, 请参阅这篇文章）。DNA 病毒和 RNA 病毒以多种方式利用其遗传物质来生产一种名为信使 RNA (mRNA)的特定 RNA [1], 用来生产蛋白质。我创建了一个病毒分类系统, 称为巴尔的摩分类法, 主要根据病毒制造 mRNA 的方式进行分类。在此系统中, 有两类仅使用 DNA 制造 mRNA 的 DNA 病毒（第一、二组）, 三类仅使用 RNA 制造 mRNA 的 RNA 病毒（第三、四、五组）, 还有两类同时使用 DNA 和 RNA 制造 mRNA 的病毒（第六、七组）[1, 2]。

研究 RNA 病毒

在 20 世纪 60 年代, 学术生涯刚起步的我想研究生命的基础化学。作为世界上最简单的生物体, 病毒成为我眼中的完美样本。我们可以研究病毒, 深入探索它们的运行机制 — — 一直深入到分子层面。

在 20 世纪 60 年代, 我们对 RNA 病毒的自我复制方式知之甚少。起初, 我研究了一种在小鼠体内生长的、类似脊髓灰质炎病毒的RNA病毒（根据巴尔的摩分类法属于第四组, 与 SARS-CoV-2 非常相似）, 试图理解这种病毒如何繁殖以及如何影响宿主的生活。我破译了这种类脊髓灰质炎病毒的复制机制, 并将研究成果推广到其他 RNA 病毒。在此过程中, 我发现了几个重要的蛋白质, 称为酶, 它们能够制造 DNA 和 RNA [3, 4]。

大约在 1970 年, 我开始研究是否存在其他未被发现的 RNA 病毒自我复制方式。我当时对能导致癌症的 RNA 病毒、即RNA 肿瘤病毒特别感兴趣。刚开始研究这些病毒时, 我并不知道一个巨大的惊喜正等待着我。

逆转录

在 20 世纪 60 年代, 我的一位同事霍华德 ⋅ 特明（Howard Temin）提出, RNA 肿瘤病毒可能将自身的 RNA 复制成 DNA, 但缺乏确凿证据, 而且许多人不相信, 因为当时的主流观点（称为"中心法则"）认为 RNA 是由 DNA 制造的（这个过程称为转录）, 而不是反过来（图 2）。尽管如此, 将 RNA 复制成 DNA 并非不可能, 因为 RNA 和 DNA 是非常相似的分子, 复制机制也很相似。1970 年, 我决定验证 RNA 可能被"逆向"复制成 DNA 的假设。为此, 我打开了 RNA 肿瘤病毒, 加入放射性 DNA 前体（专栏 1）。这些构成单元可以让我们检测样本中是否存在任何新合成的 DNA, 因为如此生成的 DNA 会带有放射性。经过几天的实验, 我证明了 RNA 肿瘤病毒的样本能够制造 DNA [4]。

我的发现意味着, RNA 肿瘤病毒能够从它们的 RNA 基因组中制造 DNA, 因为实验中不存在其他可能的 DNA 来源。我还证明, 如果我们从样本中去除 RNA, 就不会在样本中发现 DNA。这就是逆转录的重大发现 — — 它使我与雷纳托⋅杜尔贝科和霍华德⋅ 特明共同获得了1975年诺贝尔生理学或医学奖, 而那时距离我的实验仅过去了5年。

一种将 RNA 转化为 DNA 的新酶

当我发现逆转录时, 我们都知道 RNA 和 DNA 是由酶复制的, 所以我知道病毒颗粒中存在一种酶。那时, 我们不知道是哪种酶将 RNA 转化为 DNA, 也不了解具体的转化过程。我和同事们又工作了 10 年, 寻找参与逆转录的酶, 并破译其将 RNA 复制成 DNA 的复杂机制。为此, 我们开发了一个新系统, 可加入已知的 RNA 分子并检查它们生成了什么。这个系统使我们能够观察以前从未有人见过的化学反应。后来我们找到了将 RNA 复制成 DNA 的酶, 并将其命名为逆转录酶[5]。几年后, 其他研究小组的科学家使用一种称为X射线晶体学的成像方法解析了这种酶的结构（要了解更多关于X 射线晶体学的历史, 请参阅诺贝尔奖合辑中的这篇文章）。这些科学家发现逆转录酶呈现手状结构, 带有"手指"、一个可开合的移动"拇指", 以及一个称为活性部位的中心区域, DNA 就是在这里由 RNA 合成的（图 3）。

病毒感染与癌症的新疗法

我们对逆转录和逆转录酶的发现具有重大意义 — — 无论是对于我们理解细胞内的基本分子过程, 还是对于疾病治疗。首先, 我们的发现为了解逆转录病毒铺平了道路。逆转录病毒是 RNA 病毒, 通过逆转录机制从病毒 RNA 中合成病毒 DNA。随后, 这种病毒 DNA 被整合（插入）至宿主细胞的 DNA 中（使用另一种称为整合酶的病毒酶）, 成为宿主细胞遗传物质的一部分（图 4）。病毒 DNA 融入宿主 DNA 后, 宿主便会生产病毒蛋白, 这些蛋白组装成新的病毒颗粒。

导致艾滋病的 HIV 就是一种众所周知非常棘手的逆转录病毒（要了解更多关于 HIV 和艾滋病的知识, 请参阅诺贝尔奖合辑中的这篇文章）。HIV 是在 1983 年被检测到的, 大约在艾滋病成为全球大流行病两年后。HIV 是根据其逆转录酶被检测到的, 后来又开发出了治疗艾滋病的药物。如果我们没有在 1970 年（大约在艾滋病出现前 10 年）发现逆转录酶, 后面很可能就无法找到这种病毒, 就需要花很长时间试图理解艾滋病发生的原因。科学家相对迅速地发现了 HIV, 由此拯救并改善了许多人的生命 — — 如果艾滋病出现在逆转录机制被揭示前, 他们的处境将会更加不幸。

我们的发现也在癌症治疗中扮演了关键角色。此前, RNA 病毒如何致癌一直是个谜。在癌症中, 细胞从受控生长转变为失控生长, 有时在身体组织中形成称为肿瘤的大块, 或像白血病那样, 在血液中快速增殖。由于 RNA 通常是一种不稳定的分子, 它能够引起细胞行为的永久性改变似乎说不通。但 DNA 是一种非常稳定的分子, 科学家发现 RNA 肿瘤病毒能进行逆转录, 将自身的 RNA 复制成 DNA, 并基本上转变为所感染细胞的基因。随后, 这些病毒将新基因带入细胞, 这些基因生产蛋白质。病毒蛋白质可压倒宿主基因, 迫使细胞持续生长和分裂, 使受感染的细胞变成癌细胞。

通过研究 RNA 肿瘤病毒, 我们发现了癌症与基因之间的联系, 后来被证明是癌症发展过程中一个非常重要的环节。我们的发现为癌细胞中可能出现的问题提供了一种设想, 并且事实证明, 这不仅适用于病毒引起的癌症, 也适用于其他多种类型的癌症。我们认为癌症可能是一个遗传问题, 这一观点拓宽了癌症研究领域, 并催生了救命药物的发现, 其中包括一种名为格列卫的"奇迹药物", 它能阻断某些向细胞发出生长信号的蛋白质。这些药物的研发基于对特定基因导致特定类型癌症的了解。只要能够抑制由该基因产生的特定蛋白质的活性, 我们就能抑制癌症。

在生物技术与基因治疗中的应用

我们的发现也推动了生物技术的发展, 生物技术通常涉及为包括药物在内的各种应用生产所需的蛋白质。我们发现逆转录酶后, 首先提出的问题之一是:它能复制任何 RNA, 还是只能复制病毒 RNA？结果证明, 如果我们提供一小段与要复制的 RNA 互补的 DNA 作为"引物", 逆转录酶就可以将任何 RNA 复制成 DNA。所以, 这意味着我们可以将任何 mRNA — — 生产蛋白质的模板 — — 转化为 DNA, 有效地将其变成一个基因。一旦 mRNA 变为基因形态, 我们就可以将它放入能够大量生产 mRNA 进而生产蛋白质的细胞（如细菌）中。这种将任何 mRNA 转化为 DNA, 然后大量生产所需蛋白质的能力, 对生物技术产业来说是革命性的, 并促成了许多新药的开发。

逆转录病毒常被用于基因治疗, 作为治疗遗传病的一种工具[7], 一个非常成功的例子是治疗 " 泡泡婴儿病"。这种疾病的正式名称为严重联合免疫缺陷病（SCID）, 患病婴儿没有正常运转的免疫系统, 任何感染对他们都是致命的。过去, 这些婴儿不得不生活在塑料泡泡里, 与外界环境隔离开来, 以免生病。如今, 新型逆转录病毒基因疗法用功能正常的基因替换受损基因, 可促使婴儿的免疫系统恢复, 使他们过上正常生活。

我原本并没有专注于研究疾病与医疗, 最初只对基础科学感兴趣。我对病毒充满好奇, 想要了解它们, 弄清它们如何影响宿主。但结果证明, 我帮助揭示的新知识不仅过去、现在依然对生物技术和某些医学领域具有重大意义。这揭示了科学中反复出现的一个主题:改善生命乃至拯救生命的应用往往源于新的科学知识。

给年轻人的建议

与学生一起工作时, 我鼓励他们尽可能独立 — — 独自思考问题并探索解决方案, 并在支持他们追求独立的实验室中研究这些问题。年轻学生通常很难独立工作, 但他们必须这样做, 因为科学基于科学家个人的工作和知识。如今, 我们非常注重合作与协作, 这很重要。但像逆转录酶这样的发现, 以及每天涌现的各种新发现, 归根结底还是源于科学家个人的想象力、知识和辛勤工作。因此, 我鼓励我的学生, 也鼓励你们选择一条能让自己尽早获得独立、在科学中找到个人方向的职业道路（图 5）。这意味着不要仅仅模仿导师和教授做研究的方式, 而应找到自己独有的科研之道。要进行成功的研究, 就要对自己关注的课题（如特定的生物体或疾病）有深入的了解。初涉生物学时, 情况往往很复杂, 需要许多不同的技能 — — 一定要深入钻研, 并且专注于一两个明确的问题, 才能不断加深认知。到了职业生涯后期, 你们可能会去更广泛地关注生物学其他领域以及其他学科的发展, 但在职业生涯的最初阶段, 专注和深度非常重要。

作为一名科学家, 我最大的乐趣在于通过尝试解决生物学问题来发现新事物。我认为这就是一个人能过上的最有意义的生活, 我鼓励任何头脑合适的人朝这个方向努力。许多人不想把时间花在解决问题上, 这也没关系。最重要的是找到能给自己带来快乐的事情, 然后全身心投入其中。做科学家不容易, 全身心深度投入地做任何事情也不容易。不过, 一旦深入其中, 它会给你带来可能无法从其他任何途径获得的回报。

术语表

病毒 (Virus): ↑ 一种感染活细胞并利用细胞机制制造更多病毒的微小颗粒, 可感染所有生命形式。

信使 RNA(mRNA) (Messenger RNA (mRNA)): ↑ 一种携带生产蛋白质指令并从细胞核移动到细胞蛋白质工厂（核糖体）的 RNA。

酶 (Enzymes): ↑ 控制活细胞中化学反应速率的蛋白质。

肿瘤病毒 (RNA Tumor Virusesrna): ↑ 通过将自身基因组整合到宿主基因组中而导致肿瘤的 RNA 病毒。

逆转录酶 (Reverse Transcriptase): ↑ 执行逆转录的酶。

逆转录 (Reverse Transcription): ↑ 从 RNA 复制 DNA 的过程, 即正常转录（从 DNA 复制 RNA）的"逆向"过程。

逆转录病毒 (Retroviruses): ↑ 通过逆转录机制复制自身 RNA 基因组来制造 DNA 的病毒。

生物技术 (Biotechnology): ↑ 一个利用生物过程来开发产品的工业领域。

致谢

感谢 Noa Segev 为本文进行访谈并参与撰稿, 同时感谢 Zehava Cohen 制作图表。

AI 人工智能工具使用声明

本文中所有图表附带的替代文本（alt text）均由 Frontiers 出版社在人工智能支持下生成。我们已采取合理措施确保其准确性，包括在可行情况下经由作者审核。如发现任何问题，请随时联系我们。

利益冲突声明

作者声明本研究不涉及任何潜在商业或财务关系。

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参考文献

[1] ↑ Baltimore, D. 1971. Expression of animal virus genomes. Bacteriol. Rev. 35:235–41.

[2] ↑ Koonin, E. V., Krupovic, M., and Agol, V. I. 2021. The Baltimore classification of viruses 50 years later: how does it stand in the light of virus evolution? Microbiol. Mol. Biol. Rev. 85:e00053-21. doi: 10.1128/MMBR.00053-21

[3] ↑ Baltimore, D., and Franklin, R. M. 1962. The effect of Mengovirus infection on the activity of the DNA-dependent RNA polymerase of L-cells. Proc. Natl. Acad. Sci. 48:1383–90.

[4] ↑ Baltimore, D. 1970. Viral RNA-dependent DNA polymerase: RNA-dependent DNA polymerase in virions of RNA tumour viruses. Nature 226:1209–11.

[5] ↑ Coffin, J. M., and Fan, H. 2016. The discovery of reverse transcriptase. Annu. Rev. Virol. 3:29–51. doi: 10.1146/annurev-virology-110615-035556

[6] ↑ Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K., and Walter, P. 2002. Site-Specific Recombination. In Molecular Biology of the Cell. 4th ed. New York, NY: Garland Science.

[7] ↑ Anson, D. S. 2004. The use of retroviral vectors for gene therapy-what are the risks? A review of retroviral pathogenesis and its relevance to retroviral vector-mediated gene delivery. Genet. Vacc. Ther. 2:1–13. doi: 10.1186/1479-0556-2-9