眾里尋「他」：關於高血脂的故事（二）

儘管膽固醇對於有機生命的生存和有效機能極端重要，但同時也確實有大量來自臨床醫學、實驗科學和流行病學的證據清晰地指向了膽固醇對於誘發動脈粥樣硬化和相關心腦血管疾病的影響。這截然相反的結論無疑讓我們希望更好地了解膽固醇在身體內到底是怎樣存在的：它是怎麼進入我們身體的？是怎樣被存儲和運輸的？是如何被利用的？又是如何被破壞和離開我們身體的？在上個世紀四五十年代，大量的生物學家（特別是生物化學家）開始進入這個充滿問題的領域。

很快人們知道，我們身體內絕大多數的膽固醇分子其實並非來自於食物，而主要是肝臟晝夜不停地合成出來的。簡單來說，一個中等身材的中年人全身大約有100—150克膽固醇存在，其中相當一部分是在幫助每個細胞形成完整的細胞膜結構。我們的肝臟每天大約會合成1克左右的膽固醇，供給各個組織及器官使用；而它同樣也會每天把大約半克的膽固醇轉變成膽汁供消化系統消耗。肝臟就是靠這個合成—降解的循環將血液中的膽固醇濃度控制在一個較為穩定和合理的水平：大約每100毫升血液100—200毫克。

因此到這個時候人們就知道，從食物中攝取膽固醇很大程度上是毫無必要的，這些來自食物的膽固醇起到的作用無非是替代了肝臟合成的膽固醇而已：如果身體從食物中攝取了膽固醇，那麼肝臟就會相應的少合成一些、多消耗一些。如果攝取的膽固醇超過了肝臟能夠靈活應對的水平反而是有害和值得注意的。在今天，醫生會建議成年人每天攝入不要超過300毫克的膽固醇；而對於有心臟病風險的人群來說，建議量更是低至200毫克每天。

於是整個20世紀50年代中膽固醇研究的核心問題就是：我們的肝臟是如何合成膽固醇的？出生於德國、由於納粹反猶主義迫害而移民美國的猶太生化學家康拉德?布洛赫(Konrad Emil Bloch)幾乎是以一己之力在50年代揭示了膽固醇合成的整套機制：這是一套從一個名為「乙醯輔酶A」的原料開始的、擁有三十多步酶催化反應的複雜系統。這些反應步驟像流水線一樣被井然有序地安排在肝臟里——對，就是那個身體內最大的加工工廠。布洛赫因此也獲得了1964年的諾貝爾生理學或醫學獎。值得注意的是，布洛赫是和發現膽固醇合成的原料——乙醯輔酶A——的德國科學家費奧多?呂南(Feodor Lynen)共享的這一獎項。

即便是半個多世紀之後看來，膽固醇合成的機制以及其發現過程仍然精巧複雜得令人目眩神迷。布魯赫創造性地利用放射性同位素標記的方法跟蹤乙醯輔酶A在每一步化學反應中的變化，並據此找到了催化這些變化的、來自肝臟的酶。

在1964年諾貝爾獎頒獎典禮上，頒獎致辭中這麼評價布洛赫的發現：「您的發現可能為我們提供了對抗一種人類痼疾——心血管疾病——的有力武器。您的成就使得我們展望未來的時候可以期待，有一天人類不僅僅能夠改善我們的生活條件，還可以改善我們自身。」

而這，也正是所有追逐科學問題的人們的最高理想。

一個弔詭但卻合乎邏輯的事實是，了解了膽固醇合成的全部奧秘，其實並沒有讓我們水到渠成地理解人類罹患高血脂和動脈硬化的原因，更不用說預防和治療心血管疾病了。

原因很簡單，既然絕大多數的膽固醇其實來源於我們體內，那麼僅僅依靠控制飲食是無法實現對血脂的有效控制的，特別是對於已經具備較高血脂和血液膽固醇水平的人來說。反過來，對於高膽固醇水平的病人來說，我們也可以推測一定是他/她身體內膽固醇合成和降解的調節機制出了問題：也許是膽固醇合成的太快？也許是膽固醇消耗的太少？也許是膽固醇儲存的太多？

那麼，膽固醇合成的調節機制是什麼呢？我們的身體是如何指揮肝臟合成和降解膽固醇，又是怎樣做出這些決定的？高膽固醇疾病是否就是因為這些機制出了錯誤呢？

時間閃回到1972年，兩個剛剛在美國德克薩斯州的達拉斯健康科學中心（The University of Texas Health Science Center at Dallas，後更名為西南醫學中心）找到教職並建立實驗室的年輕人，決心用自己的智慧和勇氣解決膽固醇合成的調節機制問題。

這兩位三十齣頭的年輕人是來自南方的裁縫之子約瑟夫?高爾斯坦(Joseph Goldstein)和來自紐約的銷售員之子麥克?布朗(Michael Brown)。因為他們的姓氏，不少中國科學家和學生親切的稱呼他們「金老頭」和「棕老頭」（在我們的故事裡，也許稱呼他們「金帥哥」和「棕帥哥」更合理一點）。

也許有人會嘲笑兩位帥哥的年少輕狂不自量力，然而僅僅用了一眨眼的功夫，「金帥哥」和「棕帥哥」就用分別發表於1973和1974年的兩篇里程碑式的文獻宣告了膽固醇奧秘的最終發現。而他們的發現更是在之後的三十多年裡拯救了上千萬人的生命。與之相比，他們獲得的美國國家科學院院士、拉斯克獎、諾貝爾獎這些榮譽，更多的只是無足輕重的錦上添花而已。

讓我們跟隨兩位天才引導，重走這一段科學發現的歷程吧。

在基因組時代到來前，如果科學家希望理解一個生物過程、特別是生物化學過程（例如膽固醇的合成途徑）是如何被調節的，一個簡單的思路是這樣的：首先他們會試圖在試管里或者培養皿裡面重新構造出這個生物化學過程，例如，是不是可以把動物的肝臟磨碎勻漿，小心地調節勻漿的各種條件，例如酸鹼度、溫度、各種離子濃度等等，然後可以重新啟動膽固醇合成的過程。儘管需要非常繁瑣的調試和操作，在不少時候，這樣的方法確實是可以實現的。之後，科學家們就可以在這個體外構造的「合成工廠」里自由添加或者去除某種物質，從而驗證其對膽固醇合成的影響。

「金帥哥」和「棕帥哥」做的正是這樣的事情。當然他們並沒有簡單粗暴地屠宰並研磨許多豬啊牛啊小兔子的肝臟，原因在於，兩位帥哥的終極夢想都是解決人類膽固醇合成調控的奧秘。當然，他們顯然沒有可能、也不會被允許利用活人的肝臟做這樣的研究，他們在這裡用到了一個很容易被忽略的有趣事實。

細心的讀者也許還能記得，本篇文章的開頭，作者提到過膽固醇「主要」是由肝臟合成的，言外之意，除了肝臟之外的其他組織也能夠合成膽固醇。實際上，人們很早就知道幾乎所有的動物細胞都能夠合成膽固醇，只不過肝臟的合成效率遠遠高於其他細胞而已。「金帥哥」和「棕帥哥」敏銳地抓住了這個事實，因此從實驗一開始，他們就從一種名為成纖維細胞（fibroblast）、來自於新生兒表皮的人類細胞出發開始他們的探索。

1973年，兩位帥哥首先確認，來自人類的表皮細胞也能夠合成膽固醇，與此相對應的，他們能夠從這些細胞的提取物中觀測到一種叫做HMG輔酶A還原酶(HMG-CoA reductase)的蛋白質的活性。這種蛋白質正是布洛赫博士所發現的膽固醇合成路徑中三十幾步反應中最重要的催化劑。通過追蹤這個蛋白質活性的變化，他們就可以研究身體里什麼樣的物質能夠提升或者降低膽固醇合成的速度。

毫不意外的，兩個年輕人第一個要試驗的候選物質正是血液本身。基於血液中膽固醇水平基本恆定這個事實，人們可以簡單地推測一定存在某種負反饋循環參與其中：當血液中膽固醇水平太高，血液中應該會出現一種信號，從而就會抑制膽固醇的合成，導致膽固醇水平下降。讀過本系列故事上一篇的讀者應該對負反饋循環並不陌生，即便對於非理工科的讀者來說，中學政治課本里的價格波動也是存在於日常生活中的非常優美的負反饋循環：供不應求—價格上升—擴大生產—供大於求—價格下降。這是維持系統輸出穩定在一定範圍內的非常有效的調控機制。

兩位年輕人發現，如果把培養人類細胞的培養液中的血清成分徹底去除，膽固醇合成的速度會有超過10倍的上升，這也恰恰印證了上面所說的負反饋循環的觀點：血液中應該存在某種物質能夠抑制膽固醇合成。

那麼，這種物質是什麼呢？會不會就是膽固醇自己？還是另外一種未知的、能夠精確反映膽固醇水平的分子？

在這裡作者不得不插播一點點題外的信息。俗語說油水不相容，非極性的油脂類物質不能和極性的水分子水乳交融為一體。作為脂類成員的膽固醇也不例外，因此純的膽固醇分子是不可能在以水為主的血液里自由流動的，如果強行把膽固醇放入血液，它大概會漂浮在血液表面，像菜湯上面薄薄的一層油。早在布洛赫博士的時代，人們已經知道膽固醇（和其他的血脂成分例如甘油三酯）是被包裝在一種叫做脂蛋白（lipoprotein）的機構里進入血液循環的。水溶性的蛋白質在其中起到類似於載貨卡車的作用，一方面裝載大量的脂類分子進入血液循環，同時還可以穩定脂類分子的結構、指導脂類分子的運輸方向。當時的生物化學家已經能夠從動物血液里提純脂蛋白顆粒，並按照脂蛋白顆粒的大小和密度，為它們命名為「低密度脂蛋白」（low-density lipoprotein,LDL，直徑較大）和「高密度脂蛋白」(high-density lipoprotein, HDL，直徑較小)，之後，又有其他組分例如中間密度脂蛋白和極低密度脂蛋白被發現和命名。其中，低密度脂蛋白又被認為是「壞」膽固醇的載體，負責將合成的膽固醇通過血液運往身體各部分；相反高密度脂蛋白更多地被認為是「好」膽固醇的載體，具備從血管壁上回收清理膽固醇的作用。

於是自然而然地，「金帥哥」和「棕帥哥」首先把不同種類的脂蛋白顆粒加入人類表皮細胞的培養液中，隨後通過監測HMG輔酶A還原酶的活性，了解膽固醇合成的速率變化。他們很快發現，只有低密度脂蛋白能夠強有力的抑制膽固醇合成，而高密度和極低密度脂蛋白都無法影響人類表皮細胞中HMG輔酶A還原酶的活性。他們還發現，來自雞蛋黃的純膽固醇無法起到影響膽固醇合成的作用，因此膽固醇必須被包裝在某種結構中才能起效（在這裡，就是低密度脂蛋白）。

於是，在一系列簡單而精巧的試驗之後，關於膽固醇合成機制的第一個發現呼之欲出：血液中負責運輸膽固醇的一種顆粒——低密度脂蛋白——能夠有效抑制膽固醇合成。當身體內膽固醇水平過高，低密度脂蛋白水平隨之升高，而低密度脂蛋白會通過某種未知的機制抑制細胞合成膽固醇的速度，從而幫助機體膽固醇水平回歸正常。

而在更為廣闊的圖景上，「金帥哥」和「棕帥哥」的工作為整個科學界，提供了一個可以方便快捷、系統性地發現膽固醇調節機制的平台。通過培養人類表皮中的成纖維細胞，以及監測細胞中一種名為HMG輔酶A還原酶的物質，人們可以檢測各種各樣物質對膽固醇合成速度的影響，從而理解正常人是如何維持其血液中相對合理和穩定的膽固醇水平的。更重要的，這套系統也可以方便地用於研究患有各種高血脂疾病的患者，並幫助我們理解高血脂產生的原因，甚至是治療手段。

1973年的夏天。

被冠心病和中風的陰影終日籠罩的高血脂患者們，如今可以看到，讓他們重返健康的第一線曙光，已經出現在德州遼闊平坦的地平線上。

當年的「金帥哥」和「棕帥哥」完全可以直截了當地利用他們的發現，通過大規模篩選尋找出能夠抑制膽固醇合成的小分子化合物——也許它就是無數高血脂病人們期待已久的神奇藥物。這樣的發現也幾乎肯定會讓他們倆在名垂青史的同時腰纏萬貫，成為知識轉化為財富的最佳代言人。

不過我們的「金帥哥」和「棕帥哥」此時卻把目光投向了一種極其罕見、在百萬人中僅有幾例病患的遺傳病。通過對這種極端罕見的疾病的研究，兩位科學家用一種甚至可以稱得上戲劇化的方式，向我們展示了看起來曲高和寡的實驗室研究，是如何摧枯拉朽般在廣袤得多的時空尺度上影響我們的生活的。

古希臘的智者、被後世稱為科學之父的米利都的泰勒斯因為對科學和哲學的全心追求，生活過得相當拮据。因此當地有位商人嘲笑他，說你研究的東西有什麼用處呢，它們甚至都不能讓你吃飽肚子！泰勒斯對此的回應是，他在來年利用自己的天文學知識成功預測了橄欖豐收並大賺一筆，之後離開商業，重新開始自己的思考和研究。我們知道，他其實是在用行動回答這位商人、也是後世無數質疑科學和科學家的人的疑問：我們不是沒有能力賺錢，只是我們有更有趣、更重要的事情要做而已。

兩位帥哥在實驗室里沒日沒夜地培養細胞、監測膽固醇合成速度的時候，一對憂心忡忡的父母帶著他們十二歲的男孩約翰?戴斯普塔（John Despota）走進了心臟科醫生尼爾?斯通（Neil Stone）的診所。

約翰從三歲起就被持續的病痛折磨著：皮膚下大大小小疙疙瘩瘩的脂肪瘤，不分晝夜的心絞痛，無時不在的疲憊感。在這對絕望的父母來到芝加哥拜訪斯通醫生之前，他們被告知自己的孩子可能最多只有一年的生命了。

在簡單的檢測和問診過後，斯通很快確定，自己面前的這個孩子患有一種叫做家族性高膽固醇血症（Familial Hypercholesterolemia, FH）的極端罕見病。斯通醫生知道，這種疾病的發病率大約只有百萬分之一，患者血液內的膽固醇以及低密度脂蛋白含量有正常人的六倍之高。很多患者從五歲起就必須要面對冠心病和心肌梗塞的嚴重威脅，他們當中的很多人會在成年之前死去。

心情沉重的斯通醫生給小約翰設計了一整套的治療方案：嚴格控制脂肪攝入的食譜、同時服用包括煙鹼酸在內的數種藥物。但是很遺憾，小約翰的病情並沒有得到有效的控制。不得已之下，斯通為小約翰安排了每兩周一次的全身血液透析，用機器去除小約翰體內的過量膽固醇。可是，這樣的手術雖然勉強能讓小約翰保住性命，但是確實是太痛苦、太繁瑣、也太低效了。

可是這已經是整個臨床醫學界對抗這種惡疾的最好辦法了，斯通無奈的想。

差不多在這個時候，斯通看到了1973年「金帥哥」和「棕帥哥」發表在美國科學院院報上的文章，知道了兩位科學家能夠在體外培養人的表皮細胞從而研究膽固醇調節的機理。於是斯通醫生取下了一點兒小約翰的表皮細胞，從芝加哥寄往達拉斯。

這些細胞也許能幫助科學家們研究一下這種疾病吧。對於斯通醫生來說，這或許僅僅只是一種安慰自己和小約翰一家的想法。

受到「金帥哥」和「棕帥哥」的研究報告所鼓舞的醫生們不止斯通一人。在1973年後，兩位科學家在達拉斯的實驗室收到了來自不同醫院的好幾例家族性高膽固醇血症患者的表皮細胞樣品。兩位科學家意識到，利用他們手裡獨特的研究方法，也許揭秘這種痛苦疾病的機會已經降臨了。

按照同樣的研究思路，兩位科學家很快在培養皿里培養出了來自患者表皮的成纖維細胞，並且也觀測到了這些細胞里膽固醇合成的速度（對，也是通過檢測HMG輔酶A還原酶的活性大小）。很快他們發現，如果去除培養液中的血清成分，正常人和病人細胞合成膽固醇的速度都是相當快的，而加入來自血液的低密度脂蛋白後，正常人細胞合成膽固醇的速度很快下降幾乎完全停止，而患者細胞仍在不知疲倦的合成膽固醇，就像完全沒有意識到自己周圍已經有太多的膽固醇存在一樣。

那麼會不會是因為家族性高膽固醇血症患者體內的HMG輔酶A還原酶發生了遺傳變異，使其活性異常升高，導致了這種嚴重疾病呢？「金帥哥」和「棕帥哥」很快證明了不是這樣的：患者體內的這種蛋白質不管從數量還是動力學性質都和正常人別無二致。

因此只剩下一個顯而易見的結論了：家族性高膽固醇血症之所以發生，是因為某種遺傳突變使得這些患者的細胞沒有能力「感受到」血液中膽固醇（嚴格來說，是低密度脂蛋白）的水平，因此會源源不斷合成膽固醇的緣故。

換句話說，我們開篇提到的關於膽固醇的負反饋調節被破壞——膽固醇合成的發動機，找不到剎車踏板了。

那麼，細胞又到底是怎麼樣「感受」膽固醇的呢？

一個簡單並且合乎邏輯的可能性是，低密度脂蛋白可以裝載著膽固醇直接跨過細胞膜進入細胞，從而提高細胞內膽固醇的濃度，影響膽固醇合成的速度。

這個想法相當自然。因為我們已經知道，細胞膜是由包括膽固醇在內的脂類分子構成的，那麼膽固醇理論上確實可以輕而易舉進入細胞，就像墨汁在水中擴散。

但是這個解釋很快被證明是錯誤的。因為兩位科學家發現，膽固醇分子幾乎完全無法進入那些來自家族性高膽固醇血症患者的細胞。這個簡單的發現說明膽固醇進入細胞一定需要通過某種「主動」的生物學機制，而不會僅僅是按照熱力學定律自由擴散進入細胞。

為了詳細地追蹤低密度脂蛋白分子是如何與細胞發生作用的，在那個顯微鏡成像技術仍然非常落後的時代，「金帥哥」和「棕帥哥」用放射性同位素標記了低密度脂蛋白，這樣至少他們可以利用放射性同位素能夠給膠片顯影的這個特點，追蹤低密度脂蛋白的去向。

首先他們意識到，放射性的低密度脂蛋白可以與表皮細胞表面牢牢地結合在一起。而如果同時加入大量的沒有放射性的低密度脂蛋白，細胞表面的放射性信號會大大減弱乃至幾乎消失。這個實驗結果本身並不令人吃驚：低密度脂蛋白分子，無論是否有放射性，應該同樣具備結合細胞表面的能力。那麼顯然，當環境中非放射性分子數量大大超過放射性分子數量的時候，後者就會被淹沒在前者的汪洋大海里，從而失去與細胞表面結合的機會。這種現象被恰如其分的叫做「競爭性結合」。

但是接下來的實驗就開始變得有趣了：兩位科學家發現，如果事先在培養皿里加入放射性的低密度脂蛋白，經過一段時間之後，再加入非放射性的脂蛋白顆粒，細胞膜上的放射性信號就不會被減弱直至消失，而是會持續的、長時間的存在。競爭結合的現象消失了！

僅僅是改變一下時間順序，為什麼會出現這麼大的差別？「金帥哥」和「棕帥哥」在發表於1974年的第二篇里程碑式的文獻里並沒有做過多的猜測和推斷。他們只是簡單地說，這個結果也許說明低密度脂蛋白分子能夠被細胞表面所「吸收」（take up），所以不再會被競爭結合所替換掉。一個無法忽視的背景是，至少在當時的科學界，認為膽固醇分子可以根據熱力學定律輕易通過細胞膜的想法實在是太過強大了，兩位年輕人不希望貿然地提出自己的論斷，招來過多的質疑和阻力。他們相信實驗和數據本身能說明一切。

然而，對於任何一個有生物學背景的讀者，應該都不難猜到，「金帥哥」和「棕帥哥」的實驗結果清晰地指向了幾乎是唯一符合邏輯的解釋：帶有放射性的低密度脂蛋白分子，應該是和細胞表面的一個蛋白質特異性結合，隨後通過某種機制被「搬運」到細胞內了。這樣它們就可以避免與後來加入的大量脂蛋白分子產生競爭結合，從而可以持續的產生放射性信號。

膽固醇——低密度脂蛋白——結合細胞表面受體——進入細胞——抑制膽固醇合成。當我們回頭重新審視四十年前的實驗數據，膽固醇合成的剎車系統已經被完整和清晰地勾畫出來。

在此之後，這對建立實驗室僅僅三年的黃金搭檔開始招兵買馬，他們不再是「一個人在戰鬥」了。「金帥哥」和「棕帥哥」慢慢地變成了金老頭和棕老頭，他們和他們的同事們在時光的背影里留下一個又一個偉大的發現，使得現在的我們可以驕傲地宣稱，膽固醇和圍繞著它的幾乎全部奧秘，已經被完整的、詳細的描繪了出來。

讓我們按下快進鍵，匆匆欣賞一下他們的足跡吧：

1976年，高爾斯坦和布朗利用小約翰?戴斯普塔的細胞，證明低密度脂蛋白確實可以與細胞表面結合，並被細胞「吞噬」。而小約翰的細胞卻無法結合併吞噬低密度脂蛋白，從而導致了嚴重的高膽固醇血症。

1978年，高爾斯坦和布朗與日本科學家遠藤章（Akira Endo）合作，證明了遠藤剛剛發現的一種化學物質確實能夠有效抑制HMG輔酶A還原酶的活性，從而為這種物質進入臨床應用打開了大門。這類後來被命名為「他汀類」的化合物成為整個人類歷史上最暢銷的藥物分子，到今天，有超過3000萬美國人服用他汀類化合物預防心臟病。

1979—1982年，他們的學生沃爾夫岡?施耐德（Wolfgang Schneider）成功地分離並純化出之前存在於假想中的、位於細胞表面並可以結合低密度脂蛋白的物質，並命名為低密度脂蛋白受體（LDL receptor）。

1983年，他們的學生大衛?羅素（David Russell）成功克隆出低密度脂蛋白受體的mRNA序列。羅素是美國科學院院士，目前仍在達拉斯西南醫學中心從事研究工作。

1985年，他們的學生托馬斯?蘇道夫（Thomas Sudhof）成功鑒定出低密度脂蛋白的基因組序列，並開始嘗試理解這個蛋白本身是如何被調控的。蘇道夫現任教於斯坦福大學，美國科學院院士。他因為對神經元突觸囊泡釋放的研究獲得2013年諾貝爾生理學或醫學獎。

1985—1989年，他們的學生海倫?霍布斯（Helen Hobbs）利用分子生物學和人類遺傳學手段，發現家族性高膽固醇血症患者的低密度脂蛋白受體基因上存在大量遺傳突變。霍布斯目前仍在達拉斯任教，美國科學院院士。

1993—1994年，他們的學生王曉東純化和分析了一種名為膽固醇調節元件結合蛋白（SREBP）的蛋白質，這種分子能夠在調節低密度脂蛋白受體的合成。SREBP的發現，證明了膽固醇合成至少存在兩條負反饋調節機制：一條是通過抑制HMG輔酶A還原酶，一條是通過降低低密度脂蛋白受體的數量。王曉東已經回到中國，建立了著名的北京生命科學研究所，並繼續其研究工作，他同時是美國科學院院士、中國科學院外籍院士。

……

五十年的時光匆匆而過。到今天，我們仍然可以在達拉斯西南醫學中心的實驗樓里找到「金老頭」和「棕老頭」的聯合實驗室。實驗室里雜亂無章的瓶瓶罐罐，實驗室外走過的穿著白大褂的年輕人，似乎也和五十年前的模樣別無二致。儘管「金帥哥」和「棕帥哥」已經變成了「金老頭」和「棕老頭」，他們一同在實驗室在報告廳討論科學問題的習慣好像也看不到太多的變化。

不同的是，在他們實驗室外的長廊上懸掛著的照片，向我們講述著如今人們對膽固醇調節機制的全方位理解，也展示著過去四十年來從他們實驗室里走來的許許多多年輕人的身影。

我們不該忘記，是這樣一群人，用自己的青春、智慧和堅持，把隱藏在我們身體里、由造物在千萬年中精雕細琢的秘密呈現給我們，賺足我們的驚嘆和崇拜。而這些秘密，也已經在每一天的生活中，幫助我們塑造更好的自己。

如今的「金老頭」和「棕老頭」。四十年的親密合作，成就一段碩果累累的旅程。

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