科学网—逆袭之路-JoAnne和她的RNR酶学研究
精选
已有 9857 次阅读
2025-11-9 20:25
| 个人分类: 师友篇 | 系统分类: 人物纪事
JoAnne Stubbe 是一位非常坚韧而且有个性的酶学家，毕生醉心于酶学研究，成就非凡。她从热爱出发，付出巨大努力，成为 MIT 历史上第一位终生女教授。她科研奋斗的轨迹，让我心生敬仰——当年差点加入到她的门下。今天回顾 JoAnne 以及她研究核糖核苷酸还原酶（ribonucleotide reductase, RNR）的片段，算是与她一面之缘的纪念。
生物体内 DNA 复制的基础原料，就是脱氧核糖核酸（dNTPs; deoxy-NTPs）。这个原材料是由 NTP 还原得来。“De-Oxy”是指在核苷酸中戊糖的 2 位羟基（-OH）（标红的部分）被还原成为 H。
（RNR酶）
与水解、缩合、延伸等酶促反应机理不同，在上世纪70年代末 JoAnne 开始研究这一反应时，还没有人清楚该反应是如何发生的。
从1980年起，JoAnne 在耶鲁大学、威斯康辛大学合成了多种化合物（如 2’-F-ADP、2’-F-CDP、Cl-dUDP、[3’-³H]UDP 与 [¹ ⁴ C]UDP 等），通过追踪产生的底物，研究不同底物类似物如何使 RNR 酶被抑制剂失活；并通过测试不同同位素标记所得产物的比例，推测戊糖 3 位 C–H 键是否发生断裂。
（2'-FADP，2'-F-CDP）
在1984年发表于《Biochemistry》的一篇论文中，她大胆猜想RNR反应机理是形成了2-methylene-3(2H)-furanone，而该中间态会导致酶失活。通过一系列实验，她用氯仿纯化出中间态的反应产物，并利用红外光谱证实了其存在。这些实验为RNR酶催化还原过程中3位C–H键的断裂机理提供了直接证据。
RNR的反应机理文章大多发表在《Biochemistry》和《JBC》上，这非常符合JoAnne的哲学：科学研究的价值在于能否提出有趣的问题并解决问题，而不单纯看影响因子。
在那个年代，科学家若有任何想法，都只能亲手实验，然后证明自己是对的。读JoAnne的论文，能深深感受到她深厚的化学功底与严谨的科研态度。正是这样一批酶学前辈，奠定了酶动力学的研究范式。正如我导师常敲打我的那句话：“Show me, do not tell me!” 对实验工作者而言，仅有想法（idea）是不够的，还需要动手能力。
如今，各种试剂盒与CRO服务十分便利，有时出成果仿佛变成一场比赛——比谁更快，或谁的资源更多。科研范式也在从“假设驱动”逐渐转向大数据与AI驱动。
RNR反应机理还有一个有趣之处：酶中有一个酪氨酸残基带有自由电子，但该电子距离反应中心有3.5纳米（35Å）。理论上，电子无法一次性跳跃如此远的距离。科学家们在RNR蛋白中找到了作为“电子中继站”的酪氨酸残基，使得电子可以像跳房子般，一步步传递到反应所需的位置——这非常有意思！该反应涉及金属离子与自由电子的转移，需借助电子自旋、核磁共振等多种表征手段。我在读博期间就常使用电子自旋共振、核磁共振和EXAFS来表征含金属的蛋白质。
我文章发表情况尚可，博导也极力推荐，因种种机缘，最终获得了去她实验室面试的机会。
博士毕业后，JoAnne 在加州大学洛杉矶分校完成了短暂的博士后研究。她在校期间接受的是有机化学训练（这为她后续研究酶抑制剂的合成发挥了重要作用），随后在威廉学院任教，讲授物理化学与生物化学。在积累大量生物知识的同时，JoAnne 也感到自己的自信心得到了提升。之后，她前往布兰迪斯大学（Brandeis University）从事第二站博士后研究，在 Abeles 的实验室中系统学习了多种酶机制知识。
“自信心得到进一步加强”的 JoAnne 决定前往耶鲁大学，进一步学习酶学知识并开展 RNR 抑制剂的合成。由于耶鲁大学药学院当时不招收研究生，她转而进入威斯康星大学麦迪逊分校，开启了全新的研究阶段。
JoAnne 是公认的酶动力学大师。据她自述，在升任终身教授之前，她一共担任了 13 年的助理教授。若非对科研怀有真挚的热爱与不懈的坚持，谁又能熬过这 13 年辗转于不同学校、没有稳定编制的“科研游牧”岁月？
1987 年，她成为 MIT 首位获得终身教职的女性科学家，并于 2009 年荣获美国国家科学奖章。
（2009年，JoAnne Stubbe被奥巴马总统授予National Medal of Science）
JoAnne 在酶学领域地位崇高，获奖无数。在我去面试之前，我博士导师 Crowder 曾提及，当年他参加酶学会议，正给听众讲解自己的海报时，JoAnne 走过去向他提问：“You mentioned that this intermediate state exists in your reaction. How did you prove that this intermediate state is competent?”（标准答案是：i. 可分离；ii. 如不可分离，则可表征。）据 Crowder 回忆，面对行业大佬的发问，他一时有些懵，没能立即反应过来。JoAnne 随后说：“这个工作很好，你的文章是我审的。”
我的面试在 JoAnne 的办公室进行，那时我还见到了她的小狗 McEnzyme（后来考据才知它已于 2018 年离世）。JoAnne 个头不高，待人亲切，回忆往事时会轻轻呵呵一笑。我印象深刻的是，当我向她提起飞机晚点时，她说她年轻时若遇上恶劣天气，飞机会不断在高空盘旋以消耗燃料，常常要转很久才能降落。
参考文献：
（1）Stubbe J, Ackles D. On the mechanism of ribonucleoside diphosphate reductase from Escherichia coli. Evidence for 3'-C--H bond cleavage. J Biol Chem. 1980 Sep 10;255(17):8027-30.
(2) Stubbe JA, Kozarich JW. Fluoride, pyrophosphate, and base release from 2'-deoxy-2'-fluoronucleoside 5'-diphosphates by ribonucleoside-diphosphate reductase. J Biol Chem. 1980 Jun 25;255(12):5511-3.
(3) Harris G, Ator M, Stubbe J. Mechanism of inactivation of Escherichia coli and Lactobacillus leichmannii ribonucleotide reductases by 2'-chloro-2'-deoxynucleotides: evidence for generation of 2-methylene-3(2H)-furanone. Biochemistry. 1984 Oct 23;23(22):5214-25
转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自胡振新科学网博客。 链接地址： https://blog.sciencenet.cn/blog-3645174-1509563.html
上一篇： 实验的对照，解释，以及过度推理 下一篇： 解密顺铂：生物无机泰斗Lippard的贡献