自从美国遗传学家摩尔根于1906年开始利用果蝇来研究特定基因以来，生物学家从它们身上获得了大量研究成果。对于细胞中至关重要的指令链（Command chain）的研究也不例外 :果蝇仍然是极好的研究对象。不过，这次是从它们的眼睛上着手。在美国伯克利加利福尼亚大学格里，鲁宾的实验室中，你可以看到两种果蝇：一种以外表正常，但它们却是色盲，虽然其小眼面也与正常果蝇眼一样，平坦排列着；另一种从外表来看也属不正常，它们的眼睛为凸起的肿块所覆盖，俗称“肿眼泡”，但并不是色盲。鲁宾小组发现，不管是色盲，还是肿眼泡果蝇。两者都带有相同的，由来已久的生物学缺陷——遗传欠缺*即在某些果蝇细胞内，沿其分子“指令链”传递的生物化学信息通道遭到了破坏。“指令链”起始于细胞表面，终止于细胞核内的遗传中心。作为众多生物化学生命线中的一条，它的作用是允许细胞对来自膜外世界的刺激作出反应。在鲁宾那里，对于指令链的研究要远比人们看到的果蝇复杂得多。在从线蠕虫到老鼠这一范围的生物体内，人们已发现了相同的指令链。当人体细胞中的指令链出毛病时，人就会处于易患癌症的状态。过去10年里，在这一涉及人类与癌症作生死搏斗的领域中，不仅仅是鲁宾小组在专心致志于揭开指令链的生物化学秘密，而且全世界的科学家也都全力以赴，试图去解决这一难题。他们对能使指令链投入工作的蛋白质与信使分子进行了监听。科学家在这一期间所获得的成果堪称是细胞生物学历史上的一个里程碑。现在，科学家们第一次在教科书上发表了一个图形，显示出生物化学信息是如何穿入细胞膜并贯穿它，从蛋白质到蛋白质，再到达细胞核中的基因的。目前，一个很大的疑问是：利用这一图形是否可以产生新的治疗癌症的方法呢？答案取决于指令链中一种特别的成分——被称作Ras的蛋白质，在研究细胞内的化学通信原理时，它有可能变成某种超级明星，60年代，在使老鼠致癌的许多病毒中，基因使Ras蛋白质首次显现出来。现在，我们已经搞清癌症的产生原因：由这些病毒产生的Ras蛋白质进入细胞内的指令链，并发放出假信息。大约于1980年，当生物学家发现人类与其他动物携带有自己的ras基因。并产生它们自己的Ras蛋白质变体时，情况就变得明朗了。病毒只是简单的利用这些基因的腐败蛋白质变体去在被它们感染的细胞中施加大破坏。不久，科学家就搞清了，人体中产生的Ras蛋白质并不完全是良性的。80年代初，研究人员发现人体ras基因的突变导致了人类所患全部癌症的三分之一。过了—段时间，当科学家们在从植物到单细胞生物，例如酵母中的一切有机体中均发现了ras基因后，一场争相发现ras基因功能的竞争就变得更加剧烈了，第一个线索于1984年出现。当时一些研究小组翻译出了ras基因中DNA的顺序并发现为它们所编码的蛋白质与一组被称作G蛋白质的蛋白质群相类似。“这是生物化学史上的第一个里程碑，”弗朗克 · 麦考密克，美国加利福尼亚里士满奥内克斯 · 法马谢乌泰卡尔斯生物化学公司副总裁兼癌症专家说，“对G蛋白质群，人们已搞清楚，并表明，凡是G蛋白质所能做到的Ras蛋白质也都能做到”。G蛋白群——之所以这样称呼它们，是因为它们连接到一个被称作鸟苷的分子上——是细胞内部信号系统的组成部分之一。它们漂浮在细胞膜上，在这里，它们将来自受体的信息传递给指令链中的其他一些分子。G蛋白质所唯一能做到的事情，也是它的诀窍，就是当它们贴附到鸟苷上时，能形成一有活力的化学结构。鸟苷的作用犹如一开关。80年代中期，研究人员发现，Ras蛋白质也漂浮在细胞膜上，看来，它们似乎采用了相同的开关机制。“Ras是一种很简单的蛋白质，除了活动与不活动之外，它们不做任何其他工作。”伦敦大学学院艾伦 · 霍尔说。他所研究的蛋白质与Ras相类似。但是，尽管开关简单，它们连接而成的回路可能是很复杂的。起初，Ras似乎充作一打开/关闭开关而对控制细胞的分裂作出了贡献。急剧分裂的癌细胞经常携带着变异了的Ras蛋白质，此时它有着反常的活动能力。但是，到1985年，情况开始变得复杂起来。纽约两位研究人员与日本一研究小组表明，Ras在控制细胞行为方面起看广泛的作用。两组研究人员均利用培养出的，被称作PC12的老鼠细胞作研究工作。在正常条件下，这些球状细胞保持着无限制的分裂能力。但是，如果将它们暴露于神经生长因子，一种激素之下，它们就停止分裂并改变形状——看起来像神经细胞。两个小组提供了分裂的PC12细胞，它们含有额外的活动Ras蛋白质的复制品。Ras蛋白质对于促进细胞的分裂作出了贡献，这一额外数量的蛋白质能加速细胞的分裂。但是，使研究人员感到惊奇地是，暴露于神经生长因子之下的，带有额外Ras蛋白质的细胞却停止分裂，并开始转变成神经细胞。信息是很清楚的：将Ras翻转到“打开”位置时，细胞并没有分裂。在某些情况下，Ras停止了细胞分裂并使它们更加特化，换句话说，看起来，在控制细胞变异方面，Ras可能起着关键作用。这一猜测于90年代初得到了证实。许多生物学家小组对诸如果蝇与线蠕虫等动物在胚胎中的发育情况进行了研究，结果表明，Ras对动物细胞的变异也产生了影响，犹如在人工培养的细胞中所发生的情况一样，例如，对于果蝇来说，鲁宾小组表明，Ras能帮助控制构成果蝇复眼的多面体成分的发育。在每一小眼面下方展现出一组8个感光细胞，没有Ras，8个感光细胞中的任何一个都不能发育。这种特别的感光细胞仅能在这样的情况下才能发育，即如果在一复杂的信使分子的跳舞中，正确的步骤能被完成的话。在第一步中，细胞被由邻近细胞产生的一种信号蛋白质所刺激，结果，该细胞沿着其内部指令链发出一个阶梯式信号。最终，信号在细胞核内被释放出来，并接通基因，从而将非特化细胞转变成能分辨出颜色的感光杆。指令链中所包含的Ras蛋白质的作用已被搞清：当研究人员使Ras伤残时，细胞就发育成聚光水晶锥，使果蝇变成色盲。相反地，在细胞正常发育成水晶锥的过程中，去人为地刺激Ras时，细胞会生长出感光杆，使果蝇的眼睛带有凸起的肿块，自此以后，研究人员像鲁宾，就试图去解决这样一个问题，为什么Ras蛋白质看起来恰好像一个简单的打开/关闭开关那样去施加这样的影响？指令链是如何与开关连接上的？开关的打开与关闭机理如何？等等。幸运地是，由于来自某些不同领域的生物学家们在搞清Ras机理方面有着共同的利害关系，所以，研究成果以令人振奋的速度积累起来了。首先，有关Ras工作原理的初步图景应回溯到1986年，当时新泽西州纽特利市罗奇癌症研究所丹尼斯 · 史泰西及其同事们将Ras堵塞，使它处于“关闭”位置时，看其影响如何？他们将能对抗Ras的抗体注入癌细胞，以便阻断它。在显微镜载片上，未堵塞时，看起来，细胞变得肿胀，形状类似于球形或香肠。但是，一旦Ras被关闭，大多数癌细胞暂时会变得正常——变成平板状，而不是圆形。与此同时，史泰西小组还发现，将Ras堵塞，便其处于“关闭”状态时，它对于细胞中所包含的用于传递指令的其他蛋白质有着除掉作用，特别是对一些贴缚到细胞膜上的蛋白质更是如此。Ras好像形成了一个旋转式栅门，来自细胞膜中蛋白质的信息在传到细胞$中的蛋白质之前，必须首先穿过它，将Ras关闭，指令就不可能通过。

直到目前为止，一切都很好，但是，在试图进一步给出远离Ras的指令链的流程图时，却受到了挫折。90年代初，在研究人员找到问题的关键所在之前，情况就是如此。蛋白质利用它们的形状与化学结构来携带信息，只要改变形状或化学结构两者之一，你就能够改变为蛋白质所携带的信息：并且，通过信号的延伸，信息将被传递到指令链中蛋白质的伙伴那里。为自然界所特别喜爱的能够改变蛋白质的形状或化学结构的方式是将一磷酸盐基粘贴到蛋白质的表面上或从其表面上清除掉。

为了完成这些任务，已进化出一种特化酶群，或激酶群。为了使蛋白质卷入指令链中，一种磷酸盐标签经常起到一个打开/关闭的开关作用。指令链本身经常由一组激酶构成，每种激酶的作用是依次将一磷酸盐基粘连到激酶组中的下一个成员上。其结果是，当将Ras翻转到“打开”位置时，恰好反冲起动了这一激酶链。在激酶链的一端存在着这样一种激酶，它的弹跳作用接通细胞中的基因，然后，细胞与物质起反应，触发细胞分裂。80年代中期，首次证实了这一点。现在我们已经知道，这种酶是Ras的主要图谋者。”大约干两三年前，所有的情节都一起出现了”。朱利安 · 德文瓦德，伦敦帝国癌症研究基金实验室从事Ras信号传输网研究的专家说。激酶向细胞核释放了所有重要的信息，但它并不直接接受来自Ras的指令。这里有一些中间体。不过，对中间体的研究也存在着侥幸情况，如同隧道修筑人员从两端进行挖掘一样，研究激酶的半物学家与Ras的研究者在中间相遇了。不久，局面就明朗化：激酶接受由其他激酶，即中间人，所发出的指令。同样明朗化的是，Ras将它的指令释放给被称作Raf的一种蛋白质，它沉浸在细胞质中。根据指令链中这些最新的联系，科学家很快搞清了有关情况。研究人员发现，Raf与作为中间人的激酶“交谈”。然后，重要的一步是Ras激活Raf，麦考密克说。“到1993年，有4个研究小组表明，Ras直接与Raf结合。”由此而产生了这样一种理论，即需要所有的Ras都与Raf接通，以便使指令能由细胞质传递到细胞膜。Ras与激酶符合相同的情景意味着研究人员已绘制出从细胞外膜开始沿所有方向到达核内基因的全部指令链图。不过，仍有一个谜团存在着。我们知道Ras漂泊在细胞膜内，那么，信息是如何从细胞外部穿过细胞膜当去打开或关闭Ras呢？回溯到1987年，麦考密克——当时他在加利福尼亚州埃默里维利塞图斯公司分子生物学部工作一与梅格 · 特拉海伊表明，正常细胞可能会关闭其Ras，除非受到其他方面的刺激。我们现在知道，这里有些方法可将Ras翻转到接通位置，每次翻转开始时都伴随着有受体从细胞膜里伸出。到达Ras的最短的路线很可能是经过作为表皮生长因子激素的受体。当这种激素进入受体时，它刺激受体，使受体将一磷酸盐基组添加到自己的尾部——受体伸入细胞内的部分。这就使尾部成为激活剂蛋白质的目标，激活剂蛋白质的作用犹如一条双面粘性带。激活剂蛋白质将自己的一面贴缚到受体的尾部；另一面则从细胞质中拉出蛋白质。以这种方式拉出的蛋白质很可能碰巧就是能接通Ras的蛋白质。从整体上看，指令链与链条，很少有相似之处，毋宁说，它更像一个漏斗。细胞表面上范围广泛的受体为指令链开辟了到达Ras的通道。但是随后，所有的指令都将沿着相同的传递途径流向细胞核。在这里我们是用未经证明的假定来解释为什么来自不同受体的信号对细胞产生了不同的影响，假如所有的指令都在相同的位置结束的话。看起来有一个线索更接近于提供了在PC12细胞内Ras所起的作用。神经生长因子迫使细胞成长为类神经细胞，而表皮生长因子则迫使细胞迅速分裂。然而，在两种情况下，Ras均被包含在传递到细胞核内的指令流中。这一点是怎样做到的呢？某些观点认为，Ras在长时间内都是被接通的。艾伦 · 哈尔解释说“神经生长因子使Ras产生了持久的活性，而表皮生长因子则只是使Ras暂时被激活，如果你使表皮生长因子表达过度的话，那么，它就会使Ras持久激活，你就会得到一个变异的，而不是正常生长的细胞。另外一种可能性是，Ras所能激发的作用范围取决于细胞类型与它的发育阶段。例如，对于果蝇来讲，Ras并不仅仅被包含在眼部的发育中，在果蝇胚胎发育出头和尾时，在这两部分中就可区别出现Ras来。从Ras发出的指令，传递到细胞核时会产生不同的结果，因为不同的基因组为所涉及的两种不同类型细胞的活动事先提供了信息。现在，第一幅细胞指令网已被绘出，为研究Ras与它的同类信使分子似乎提供了爆炸性的多样化线路。这些密切相关的分子出现在老位置，向我们暗示了一种古老的进化起源。例如，对于酿啤酒所用的酵母而言，它的指令链导致产生了不同的激酶变型，它们控制着细胞壁的建造，并且，每种细胞的匹配类型（实际上是在它的性别方面）或多或少都有盐被溶解在细胞质里。在取自老鼠的细胞中，一种包含了Ras与激酶的类似的指令链看起来好像在操纵由应力所产生的信号。然而，在指令链研究涉及的所有问题中，位于最前列的将是如何对抗癌症的问题。突变，使Ras处于“打开”位置，它对癌细胞的无限制分裂起了作用。对此，医学专家能否进行干预呢？一种可能的方法是采用基因治疗去关闭肿瘤细胞中的ras基因，例如，休斯敦得克萨斯大学医学系安德森癌症中心杰克 · 罗思与他的同事们，正试图将一种能携带ras基因的病毒注射到肿瘤中去治疗肺癌。在理论上，这种ras基因的前后变体能防止正常基因去制造Ras蛋白质。罗思公布了他的结果，在早期实验中，他对老鼠的处理已阻止了肿瘤的生长。

其他研究小组正按照较传统的路线去探索那些能使Ras失去活性的化学药物。“所有的药物公司都在从事这一工作，”迈克尔 · 古尔德，麦迪逊威斯康辛大学一位癌症研究人员，说。他们感到，要去精确地理解蛋白质药物是如何杀死癌细胞的，犹如去打开一枚坚果。例如，古尔德及其同事们于80年代初期已表明，从橘树皮中提炼出的一种化学药物能抑制老鼠身上的某些癌症。最近，古尔德小组发现，化学药物，萜二烯，能阻止细胞将Ras安置在它们的外膜中。此举破坏了穿过Ras的指令流，这就对为什么萜二烯能抑制肿瘤的生长给出了轮廓鲜明的解释。但是，精确的图景要更复杂一些，古尔德说。萜二烯是通过防止细胞贴缚到一分子“地址”上重新产生Ras蛋白质而起作用，在正常情况下，Ras被送往细胞膜。但是，这一相同的地址标签也被使用于引导许多其他蛋白质从它们被合成出的位置输送到细胞膜中。在这些蛋白质中究竟哪些是萜二烯用于对抗癌症的最重要的工具，目前还不清楚。幸运的是，这并不意味着他们放弃了探讨。现在，英国伦敦查理十世医院肿瘤医学教授查尔斯 · 库姆，正在对患有乳腺癌的病人试用萜二烯药物进行治疗。在美国，研究人员希望试用更有效的化学药物。当然，研究人员不可能对每一分子，像萜二烯所产生的全部效应都进行跟踪，这一点并不会使人感到惊诧。绘出全部指令链——细胞与它们的基因就是通过这些指令链来“感觉”到外部世界的——是一项令人畏惧的任务。生物学家目前已发现了由大约50种蛋白质互相连接而形成的一个“Ras超级家族”。这一大群面貌相似的Ras能帮助人们去控制范围广泛的过程：从细胞内部骨架的结构到任何一种化学药物所可能具有的分泌特性。看起来，Ras已进化了很长时间，它几乎使细胞活动的所有方面变为一体化。

[New Scientist，1995年5月27日]