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【諾貝爾的榮耀－化學桂冠】
2004 貼上標籤步向分解的蛋白 羅時成
塞卡諾渥（Aaron Ciechanover, 1947-）
賀赫希柯（Avram Hershko, 1937-）
羅斯（Irwin Rose, 1926-）
表彰他們發現細胞調控蛋白質分解的相關機制
筆者於1999年發表在《科學月刊》的〈蛋白質的「郵遞區號」〉（參見天下文化出版，
《諾貝爾的榮耀──生理醫學桂冠》，第256頁）一文，敘述布洛柏爾（Gunter Blobel,
1936-）發現蛋白質的「郵遞區號」與獲得諾貝爾生理醫學獎的理由，文末曾提到蛋白
質分解的調控也很重要。未料事隔五年，諾貝爾化學獎頒給了三位生化學家：任職於以
色列科技學院的塞卡諾渥（Aaron Ciechanover, 1947-）、賀赫希柯（Avram Hershko,
1937-），與美國加州大學爾灣分校的羅斯（Irwin Rose, 1926-）。他們因在1978年合
作探討細胞內特殊的蛋白分解方式，提出調控蛋白分解的新機制而獲獎。
細胞學的「中心法則」（central dogma）清楚指出DNA為生物資訊的藍本，此資訊經轉
錄成RNA，再轉譯成蛋白質，經摺疊和剪裁後依蛋白質的「郵遞區號」送到目的地，如
細胞核、細胞膜或粒線體，去執行細胞各種代謝、呈現生命現象。細胞內有成千上萬種
不同的蛋白質，在功能執行完畢後，總不能長生不老，它們和細胞或生物一樣，都得面
對老化與死亡的命運，最後分解成胺基酸。
蛋白質的分解通常需要蛋白的催化，蛋白按其執行功能的位置，可分成細胞外蛋白和細
胞內蛋白。前者如消化道所存在的胃蛋白和胰蛋白，它們在細胞外進行蛋白質的分解，
幫助細胞吸收；後者種類較多，有蛋白質內分解與蛋白質外分解，功能在於促進細胞內
胺基酸的循環使用。有些細胞在電子顯微鏡下，能看到溶體（lysosome），溶體這項特
別的胞器內含各式各樣的蛋白，是細胞用來分解各種老化胞器和大分子（包括蛋白質）
的工具；大部分的蛋白，在酸性（pH 4.8）下的活性最高。
特異的蛋白質分解活性
一般細胞進行小分子合成大分子需要消耗能量（ATP），把大分子分解成小分子則不需
耗能。1977年高爾伯（Goldberg）利用兔子未成熟的紅血球溶解液（reticulocyte
lysate）做蛋白質分解研究時，因為加入ATP抑制劑時觀察到蛋白質分解活性降低，因
而發現一些異常蛋白的分解需要ATP參與，同時這個反應異於溶體內蛋白最佳的酸鹼度
pH 4.8，反倒在pH 7.8時活性最佳。
今年的三位獲獎人中，塞卡諾渥和賀赫希柯於1978年從以色列前往當時在美國費城的羅
斯實驗室，合作研究特異的蛋白分解現象，花了數年功夫提出調控蛋白分解的新機制而
解開謎津，發現這種特殊的蛋白分解方式需要先和泛素（ubiquitin）形成鍵結，然後
才走上分解的不歸路。
泛素最早是在1975年於牛的胸腺細胞中發現的，它是由76個胺基酸組成，起初以為它與
淋巴球的分化過程有關，後來發現除了細菌之外，許多不同組織甚至不同的生物都有泛
素存在，而推翻了它與淋巴球分化有關的假說。有一組科學家發現，泛素除了單獨存在
外，還可以和組織蛋白H2A形成共價鍵，產生所謂的「蛋白質A24」，而這蛋白有兩個胺
基（N）端卻只有一個羧基（C）端，至於組織蛋白與泛素形成共價鍵的生物意義，目前
還不清楚。
在1978年時，三位獲獎人利用紅血球系統，找尋參與這種特異蛋白質分解的成分。他們
首先利用層析法（chromatography），把紅血球的血紅蛋白移除後分成兩部分，這兩部
分分開時毫無分解蛋白的作用，但加在一起就顯示出活性；他們在第一部分找到一個稱
為APF-1（active principle of fraction 1），分子量僅9000且耐熱的蛋白，之後才
知道APF-1就是與組織蛋白H2A形成共價鍵的蛋白，也發現這個蛋白存在於各種真核細胞
和各種不同細胞內，因此統稱作「泛素」。
泛素標示引起蛋白質分解
1980年三位得獎人對泛素如何引起蛋白質分解，有突破性的發現。他們利用具有放射性
的I125標示泛素，並把標示過的泛素混在紅血球的溶解液中，發現有許多蛋白的離胺酸
（lysine）都會與泛素形成共價鍵，更重要的是這次實驗中的蛋白是與多個泛素鍵結，
不像「蛋白質A24」僅與單一個泛素鍵結。
他們也利用免疫沈澱法（immuno-precipitation），找到與泛素一起沈澱、分子量約
450000的複合物。科學家鑑定這個複合物為蛋白體（proteasome），同時也發現另外三
個酵素活性。他們推測這種仰賴ATP的蛋白質分解是需要經過三個酵素活性步驟方能完成
，並提出了「多步驟泛素標示」的假說（multistep ubiquitin-tagging hypothesis）
，也就是所謂「泛素標示引起蛋白質分解」的細胞機制。
這個假說中的三個酵素，分別命名為E1（ubiquitin-activating enzyme）、
E2（conjugating enzyme）和E3（ubiquitin ligase）。首先E1和泛素在水解ATP下產生
鍵結，鍵結的泛素會由E1轉到E2上，E3能辨識將遭分解的蛋白，同時把E2上的泛素轉移
到該蛋白質上，這個反應可重複數次，因此該蛋白經多個泛素標示後，最後轉送到蛋白
體，分解成含7個至9個胺基酸的胜片段。由於三步驟造成蛋白質分解的特性，加上科學
家後來發現在哺乳類細胞內僅有1至2種E1酵素，十來種E2酵素，卻有上百種不同的E3酵
素，因此可以推論E3具有專一性的辨識功用，能辨認各種將遭分解的蛋白質。
一個細胞內大約有三萬個蛋白體，它們的結構為桶狀，蛋白活化區在桶內，蓋子上如同
鑰匙孔般的複合體蛋白可和多泛素標示的蛋白結合，先把泛素切割下來循環使用，並把
剩餘的蛋白引導到桶內分解成胜片段。
一開始時，這三位科學家是利用非完整細胞系統做研究，希望藉此找出這種機制代表的
細胞生理意義。他們利用放射性色胺酸（tryptophan）標示細胞內的蛋白質。泛素不含
此胺基酸，所以當利用抗體沈降泛素時，可以瞭解有多少經色胺酸標示的新合成蛋白質
遭分解，結果顯示新合成的蛋白中有30 %會立刻遭分解，原因可能是這些蛋白摺疊錯誤
，為達到細胞品管蛋白質的效果，於是遭分解回收。
真正瞭解泛素標示引起蛋白質水解的細胞生理意義，是來自一株突變的小鼠細胞株（ts85）
實驗。這是一株溫度敏感的細胞株，它在低溫時生長正常，可是在高溫時因為染色體複製
發生問題，加上一些功能上的差錯，無法進入細胞分裂期，而停止在細胞週期的G2時期；
同時「組織蛋白A24」在高溫時無法偵測到，恢復到低溫時又會出現，顯然把泛素黏到組
織蛋白的酵素，在高溫時不穩定或沒有作用，但在低溫時就恢復功能。後來證實ts85細
胞的E1基因突變了，由此可以進一步瞭解泛素標示不只管控蛋白質的品質，也調控了細
胞週期、染色體的複製以及染色體的結構。
相關的細胞生理意義
有愈來愈多的例子，可以闡明泛素標示所引起蛋白質分解的生理重要性，茲舉例如下:
◎細胞週期
除了在ts85細胞找到E1調控細胞週期的例子之外，也在酵母菌中找到Cdc34蛋白可調控酵
母菌的分裂，此蛋白屬於E2。至於E3參與調控細胞週期最好的例子為
APC（anaphase-promoting complex），APC這個複合酵素體除了促使單純的
Cyclin B與Cdc蛋白複合體中的Cyclin B分解，讓細胞週期進入G1外，主要是管控細胞在
有絲分裂或減數分裂時，染色體會向兩極運動。
細胞分裂時當染色體並排在赤道板上，有一些蛋白質像繩索一樣綁住同源染色體，使其無
法分開，當細胞分裂由中期步入後期，APC會被活化，活化後的APC把一連串的泛素標示在
稱為「後期抑制物」（anaphase inhibitor）的蛋白質上使其步向分解；後期抑制物原本
抑制住一種負責分解蛋白的酵素，抑制物分解後，被活化的酵素會如同利剪，剪開綁住同
源染色體的蛋白質，於是染色體獲得鬆綁，分別移向兩極，形成兩個新細胞核。
若染色體鬆綁有問題，會造成染色體不均勻的配子，會發生自然流產或多了一條第21號染
色體的唐氏症等問題；許多癌細胞都發現染色體個數或套數異常，其成因很可能就是APC
這個E3酵素發生了突變。
◎細胞凋亡和修補染色體
細胞內有一種分子量約53000的蛋白，稱為p53，它是基因體的守護神，同時也是抑癌的大
將。它正常運作時，細胞癌化的機會很低，而人類產生的癌細胞有50%是因為p53基因突變
了。平時p53是透過標示泛素及E3酵素（Mdm2）進行分解，以保持定量。一旦染色體受損，
p53就馬上磷酸化，無法與Mdm2結合走向分解之路。
這使得p53的濃度上升，多餘的p53以轉錄因子的角色開啟了修護染色體的相關基因，進行
染色體修補。若修補不成功則啟動細胞凋亡程式，顯示E3間接扮演調控染色體修補和細胞
凋亡的角色。
公共衛生的調查認為，人類子宮頸癌的產生與人類乳突瘤病毒（HPV）感染有密切關係，
分子層次的機制在於HPV會激活另一個E3酵素（E6-AP）與p53作用，把泛素標示在p53，使
p53分解造成濃度下降。一旦細胞染色體受損，p53因濃度過低無法啟動染色體修補的基因
和細胞凋亡的程式，基因突變遂逐漸累積，最後細胞不死而逐步成為癌細胞。
◎免疫與發炎反應
NF-κB是與免疫及發炎反應相關的轉錄因子。它平時停留在細胞質內，這因為它的抑制蛋
白IκB與它結合，遮住了進入細胞核的「郵遞區號」所以才會停留在細胞質中。一旦細胞
受細菌或病毒感染，啟動了免疫細胞發炎的訊號，把IκB磷酸化，磷酸化的IκB就步上了
泛素標示引起的蛋白質水解途徑。NF-κB鬆脫了束縛，被帶入細胞核啟動發炎反應的基因
，如一些細胞素等。
另外當有病毒侵入細胞後，泛素標示引起的蛋白質水解也會發生作用，把病毒蛋白切成碎
片與MHC-1分子呈現給T淋巴球，激活了T淋巴球，使T淋巴球攻擊受病毒感染的細胞。
除了上述哺乳類細胞的例子之外，植物阻止自花受粉與果蠅眼睛的發育，也受泛素標示引
起的蛋白質分解調控。大多數的開花植物都是雌雄同體，如果以自花授粉來延續後代，會
造成遺傳歧異度的窄化，假以時日容易在某一特殊環境下全部死亡。植物為了避免自花授
粉所帶來滅種的危機，演化出以泛素標示引導蛋白水解的方式來分解同株花粉粒的蛋白，
使之無法受精。其詳細機制尚不十分清楚，不過可以肯定的是，E3參與了這種調控角色。
中研院簡正鼎實驗室研究果蠅眼睛的發育時也發現，E3亦扮演了多重主要角色，包括細胞
的增生、分化與凋亡的調控，更說明了獲獎人的發現呈現在生物學上的普遍性。
結 語
過去科學家研究有關蛋白質的代謝時，多著重於合成，今年三位獲獎人反其道研究蛋白質
如何遭分解，因而打開了一扇大門，使我們瞭解蛋白質分解的調控與許多生命現象息息相
關。有趣的是，他們理應和1999年發現蛋白「郵遞區號」的布洛柏爾一樣，獲生理醫學獎
才對，卻獲得化學獎，這顯示化學與生物醫學的界線是愈來愈不易劃清了！
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