三步两桥走天下
真正的自由，不在能知，乃在能行
王立铭（浙江大学生命科学研究院教授、研究员，国家青年千人计划和浙江省千人计划入选者）
尽管胆固醇对于有机生命的生存和有效机能极端重要，但同时也确实有大量来自临床医学、实验科学和流行病学的证据清晰地指向了胆固醇对于诱发动脉粥样硬化和相关心脑血管疾病的影响。这截然相反的结论无疑让我们希望更好地了解胆固醇在身体内到底是怎样存在的：它是怎么进入我们身体的？是怎样被存储和运输的？是如何被利用的？又是如何被破坏和离开我们身体的？在上个世纪四五十年代，大量的生物学家（特别是生物化学家）开始进入这个充满问题的领域。
很快人们知道，我们身体内绝大多数的胆固醇分子其实并非来自于食物，而主要是肝脏昼夜不停地合成出来的。简单来说，一个中等身材的中年人全身大约有100—150克胆固醇存在，其中相当一部分是在帮助每个细胞形成完整的细胞膜结构。我们的肝脏每天大约会合成1克左右的胆固醇，供给各个组织及器官使用；而它同样也会每天把大约半克的胆固醇转变成胆汁供消化系统消耗。肝脏就是靠这个合成—降解的循环将血液中的胆固醇浓度控制在一个较为稳定和合理的水平：大约每100毫升血液100—200毫克。
因此到这个时候人们就知道，从食物中摄取胆固醇很大程度上是毫无必要的，这些来自食物的胆固醇起到的作用无非是替代了肝脏合成的胆固醇而已：如果身体从食物中摄取了胆固醇，那么肝脏就会相应的少合成一些、多消耗一些。如果摄取的胆固醇超过了肝脏能够灵活应对的水平反而是有害和值得注意的。在今天，医生会建议成年人每天摄入不要超过300毫克的胆固醇；而对于有心脏病风险的人群来说，建议量更是低至200毫克每天。
于是整个20世纪50年代中胆固醇研究的核心问题就是：我们的肝脏是如何合成胆固醇的？出生于德国、由于纳粹反犹主义迫害而移民美国的犹太生化学家康拉德•布洛赫(Konrad Emil Bloch)几乎是以一己之力在50年代揭示了胆固醇合成的整套机制：这是一套从一个名为“乙酰辅酶A”的原料开始的、拥有三十多步酶催化反应的复杂系统。这些反应步骤像流水线一样被井然有序地安排在肝脏里——对，就是那个身体内最大的加工工厂。布洛赫因此也获得了1964年的诺贝尔生理学或医学奖。值得注意的是，布洛赫是和发现胆固醇合成的原料——乙酰辅酶A——的德国科学家费奥多•吕南(Feodor Lynen)共享的这一奖项。
即便是半个多世纪之后看来，胆固醇合成的机制以及其发现过程仍然精巧复杂得令人目眩神迷。布鲁赫创造性地利用放射性同位素标记的方法跟踪乙酰辅酶A在每一步化学反应中的变化，并据此找到了催化这些变化的、来自肝脏的酶。
在1964年诺贝尔奖颁奖典礼上，颁奖致辞中这么评价布洛赫的发现：“您的发现可能为我们提供了对抗一种人类痼疾——心血管疾病——的有力武器。您的成就使得我们展望未来的时候可以期待，有一天人类不仅仅能够改善我们的生活条件，还可以改善我们自身。”
而这，也正是所有追逐科学问题的人们的最高理想。
胆固醇合成路径的简图。读者或许能感受到其中的复杂与精巧。
一个吊诡但却合乎逻辑的事实是，了解了胆固醇合成的全部奥秘，其实并没有让我们水到渠成地理解人类罹患高血脂和动脉硬化的原因，更不用说预防和治疗心血管疾病了。
原因很简单，既然绝大多数的胆固醇其实来源于我们体内，那么仅仅依靠控制饮食是无法实现对血脂的有效控制的，特别是对于已经具备较高血脂和血液胆固醇水平的人来说。反过来，对于高胆固醇水平的病人来说，我们也可以推测一定是他/她身体内胆固醇合成和降解的调节机制出了问题：也许是胆固醇合成的太快？也许是胆固醇消耗的太少？也许是胆固醇储存的太多？
那么，胆固醇合成的调节机制是什么呢？我们的身体是如何指挥肝脏合成和降解胆固醇，又是怎样做出这些决定的？高胆固醇疾病是否就是因为这些机制出了错误呢？
时间闪回到1972年，两个刚刚在美国德克萨斯州的达拉斯健康科学中心（The University of Texas Health Science Center at Dallas，后更名为西南医学中心）找到教职并建立实验室的年轻人，决心用自己的智慧和勇气解决胆固醇合成的调节机制问题。
这两位三十出头的年轻人是来自南方的裁缝之子约瑟夫•高尔斯坦(Joseph Goldstein)和来自纽约的销售员之子麦克•布朗(Michael Brown)。因为他们的姓氏，不少中国科学家和学生亲切的称呼他们“金老头”和“棕老头”（在我们的故事里，也许称呼他们“金帅哥”和“棕帅哥”更合理一点）。
1975年的“金帅哥”（右）和“棕帅哥”（左）
也许有人会嘲笑两位帅哥的年少轻狂不自量力，然而仅仅用了一眨眼的功夫，“金帅哥”和“棕帅哥”就用分别发表于1973和1974年的两篇里程碑式的文献宣告了胆固醇奥秘的最终发现。而他们的发现更是在之后的三十多年里拯救了上千万人的生命。与之相比，他们获得的美国国家科学院院士、拉斯克奖、诺贝尔奖这些荣誉，更多的只是无足轻重的锦上添花而已。
让我们跟随两位天才引导，重走这一段科学发现的历程吧。
在基因组时代到来前，如果科学家希望理解一个生物过程、特别是生物化学过程（例如胆固醇的合成途径）是如何被调节的，一个简单的思路是这样的：首先他们会试图在试管里或者培养皿里面重新构造出这个生物化学过程，例如，是不是可以把动物的肝脏磨碎匀浆，小心地调节匀浆的各种条件，例如酸碱度、温度、各种离子浓度等等，然后可以重新启动胆固醇合成的过程。尽管需要非常繁琐的调试和操作，在不少时候，这样的方法确实是可以实现的。之后，科学家们就可以在这个体外构造的“合成工厂”里自由添加或者去除某种物质，从而验证其对胆固醇合成的影响。
“金帅哥”和“棕帅哥”做的正是这样的事情。当然他们并没有简单粗暴地屠宰并研磨许多猪啊牛啊小兔子的肝脏，原因在于，两位帅哥的终极梦想都是解决人类胆固醇合成调控的奥秘。当然，他们显然没有可能、也不会被允许利用活人的肝脏做这样的研究，他们在这里用到了一个很容易被忽略的有趣事实。
细心的读者也许还能记得，本篇文章的开头，作者提到过胆固醇“主要”是由肝脏合成的，言外之意，除了肝脏之外的其他组织也能够合成胆固醇。实际上，人们很早就知道几乎所有的动物细胞都能够合成胆固醇，只不过肝脏的合成效率远远高于其他细胞而已。“金帅哥”和“棕帅哥”敏锐地抓住了这个事实，因此从实验一开始，他们就从一种名为成纤维细胞（fibroblast）、来自于新生儿表皮的人类细胞出发开始他们的探索。
1973年，两位帅哥首先确认，来自人类的表皮细胞也能够合成胆固醇，与此相对应的，他们能够从这些细胞的提取物中观测到一种叫做HMG辅酶A还原酶(HMG-CoA reductase)的蛋白质的活性。这种蛋白质正是布洛赫博士所发现的胆固醇合成路径中三十几步反应中最重要的催化剂。通过追踪这个蛋白质活性的变化，他们就可以研究身体里什么样的物质能够提升或者降低胆固醇合成的速度。
毫不意外的，两个年轻人第一个要试验的候选物质正是血液本身。基于血液中胆固醇水平基本恒定这个事实，人们可以简单地推测一定存在某种负反馈循环参与其中：当血液中胆固醇水平太高，血液中应该会出现一种信号，从而就会抑制胆固醇的合成，导致胆固醇水平下降。读过本系列故事上一篇的读者应该对负反馈循环并不陌生，即便对于非理工科的读者来说，中学政治课本里的价格波动也是存在于日常生活中的非常优美的负反馈循环：供不应求—价格上升—扩大生产—供大于求—价格下降。这是维持系统输出稳定在一定范围内的非常有效的调控机制。
两位年轻人发现，如果把培养人类细胞的培养液中的血清成分彻底去除，胆固醇合成的速度会有超过10倍的上升，这也恰恰印证了上面所说的负反馈循环的观点：血液中应该存在某种物质能够抑制胆固醇合成。
那么，这种物质是什么呢？会不会就是胆固醇自己？还是另外一种未知的、能够精确反映胆固醇水平的分子？
在这里作者不得不插播一点点题外的信息。俗语说油水不相容，非极性的油脂类物质不能和极性的水分子水乳交融为一体。作为脂类成员的胆固醇也不例外，因此纯的胆固醇分子是不可能在以水为主的血液里自由流动的，如果强行把胆固醇放入血液，它大概会漂浮在血液表面，像菜汤上面薄薄的一层油。早在布洛赫博士的时代，人们已经知道胆固醇（和其他的血脂成分例如甘油三酯）是被包装在一种叫做脂蛋白（lipoprotein）的机构里进入血液循环的。水溶性的蛋白质在其中起到类似于载货卡车的作用，一方面装载大量的脂类分子进入血液循环，同时还可以稳定脂类分子的结构、指导脂类分子的运输方向。当时的生物化学家已经能够从动物血液里提纯脂蛋白颗粒，并按照脂蛋白颗粒的大小和密度，为它们命名为“低密度脂蛋白”（low-density lipoprotein,LDL，直径较大）和“高密度脂蛋白”(high-density lipoprotein, HDL，直径较小)，之后，又有其他组分例如中间密度脂蛋白和极低密度脂蛋白被发现和命名。其中，低密度脂蛋白又被认为是“坏”胆固醇的载体，负责将合成的胆固醇通过血液运往身体各部分；相反高密度脂蛋白更多地被认为是“好”胆固醇的载体，具备从血管壁上回收清理胆固醇的作用。
于是自然而然地，“金帅哥”和“棕帅哥”首先把不同种类的脂蛋白颗粒加入人类表皮细胞的培养液中，随后通过监测HMG辅酶A还原酶的活性，了解胆固醇合成的速率变化。他们很快发现，只有低密度脂蛋白能够强有力的抑制胆固醇合成，而高密度和极低密度脂蛋白都无法影响人类表皮细胞中HMG辅酶A还原酶的活性。他们还发现，来自鸡蛋黄的纯胆固醇无法起到影响胆固醇合成的作用，因此胆固醇必须被包装在某种结构中才能起效（在这里，就是低密度脂蛋白）。
于是，在一系列简单而精巧的试验之后，关于胆固醇合成机制的第一个发现呼之欲出：血液中负责运输胆固醇的一种颗粒——低密度脂蛋白——能够有效抑制胆固醇合成。当身体内胆固醇水平过高，低密度脂蛋白水平随之升高，而低密度脂蛋白会通过某种未知的机制抑制细胞合成胆固醇的速度，从而帮助机体胆固醇水平回归正常。
而在更为广阔的图景上，“金帅哥”和“棕帅哥”的工作为整个科学界，提供了一个可以方便快捷、系统性地发现胆固醇调节机制的平台。通过培养人类表皮中的成纤维细胞，以及监测细胞中一种名为HMG辅酶A还原酶的物质，人们可以检测各种各样物质对胆固醇合成速度的影响，从而理解正常人是如何维持其血液中相对合理和稳定的胆固醇水平的。更重要的，这套系统也可以方便地用于研究患有各种高血脂疾病的患者，并帮助我们理解高血脂产生的原因，甚至是治疗手段。
1973年的夏天。
被冠心病和中风的阴影终日笼罩的高血脂患者们，如今可以看到，让他们重返健康的第一线曙光，已经出现在德州辽阔平坦的地平线上。
当年的“金帅哥”和“棕帅哥”完全可以直截了当地利用他们的发现，通过大规模筛选寻找出能够抑制胆固醇合成的小分子化合物——也许它就是无数高血脂病人们期待已久的神奇药物。这样的发现也几乎肯定会让他们俩在名垂青史的同时腰缠万贯，成为知识转化为财富的最佳代言人。
不过我们的“金帅哥”和“棕帅哥”此时却把目光投向了一种极其罕见、在百万人中仅有几例病患的遗传病。通过对这种极端罕见的疾病的研究，两位科学家用一种甚至可以称得上戏剧化的方式，向我们展示了看起来曲高和寡的实验室研究，是如何摧枯拉朽般在广袤得多的时空尺度上影响我们的生活的。
古希腊的智者、被后世称为科学之父的米利都的泰勒斯因为对科学和哲学的全心追求，生活过得相当拮据。因此当地有位商人嘲笑他，说你研究的东西有什么用处呢，它们甚至都不能让你吃饱肚子！泰勒斯对此的回应是，他在来年利用自己的天文学知识成功预测了橄榄丰收并大赚一笔，之后离开商业，重新开始自己的思考和研究。我们知道，他其实是在用行动回答这位商人、也是后世无数质疑科学和科学家的人的疑问：我们不是没有能力赚钱，只是我们有更有趣、更重要的事情要做而已。
两位帅哥在实验室里没日没夜地培养细胞、监测胆固醇合成速度的时候，一对忧心忡忡的父母带着他们十二岁的男孩约翰•戴斯普塔（John Despota）走进了心脏科医生尼尔•斯通（Neil Stone）的诊所。
约翰从三岁起就被持续的病痛折磨着：皮肤下大大小小疙疙瘩瘩的脂肪瘤，不分昼夜的心绞痛，无时不在的疲惫感。在这对绝望的父母来到芝加哥拜访斯通医生之前，他们被告知自己的孩子可能最多只有一年的生命了。
在简单的检测和问诊过后，斯通很快确定，自己面前的这个孩子患有一种叫做家族性高胆固醇血症（Familial Hypercholesterolemia, FH）的极端罕见病。斯通医生知道，这种疾病的发病率大约只有百万分之一，患者血液内的胆固醇以及低密度脂蛋白含量有正常人的六倍之高。很多患者从五岁起就必须要面对冠心病和心肌梗塞的严重威胁，他们当中的很多人会在成年之前死去。
家族性高胆固醇血症患者皮下的脂肪瘤。这些脂肪瘤是因为过量的低密度脂蛋白在血管壁堆积产生的。
心情沉重的斯通医生给小约翰设计了一整套的治疗方案：严格控制脂肪摄入的食谱、同时服用包括烟碱酸在内的数种药物。但是很遗憾，小约翰的病情并没有得到有效的控制。不得已之下，斯通为小约翰安排了每两周一次的全身血液透析，用机器去除小约翰体内的过量胆固醇。可是，这样的手术虽然勉强能让小约翰保住性命，但是确实是太痛苦、太繁琐、也太低效了。
可是这已经是整个临床医学界对抗这种恶疾的最好办法了，斯通无奈的想。
差不多在这个时候，斯通看到了1973年“金帅哥”和“棕帅哥”发表在美国科学院院报上的文章，知道了两位科学家能够在体外培养人的表皮细胞从而研究胆固醇调节的机理。于是斯通医生取下了一点儿小约翰的表皮细胞，从芝加哥寄往达拉斯。
这些细胞也许能帮助科学家们研究一下这种疾病吧。对于斯通医生来说，这或许仅仅只是一种安慰自己和小约翰一家的想法。
受到“金帅哥”和“棕帅哥”的研究报告所鼓舞的医生们不止斯通一人。在1973年后，两位科学家在达拉斯的实验室收到了来自不同医院的好几例家族性高胆固醇血症患者的表皮细胞样品。两位科学家意识到，利用他们手里独特的研究方法，也许揭秘这种痛苦疾病的机会已经降临了。
按照同样的研究思路，两位科学家很快在培养皿里培养出了来自患者表皮的成纤维细胞，并且也观测到了这些细胞里胆固醇合成的速度（对，也是通过检测HMG辅酶A还原酶的活性大小）。很快他们发现，如果去除培养液中的血清成分，正常人和病人细胞合成胆固醇的速度都是相当快的，而加入来自血液的低密度脂蛋白后，正常人细胞合成胆固醇的速度很快下降几乎完全停止，而患者细胞仍在不知疲倦的合成胆固醇，就像完全没有意识到自己周围已经有太多的胆固醇存在一样。
那么会不会是因为家族性高胆固醇血症患者体内的HMG辅酶A还原酶发生了遗传变异，使其活性异常升高，导致了这种严重疾病呢？“金帅哥”和“棕帅哥”很快证明了不是这样的：患者体内的这种蛋白质不管从数量还是动力学性质都和正常人别无二致。
因此只剩下一个显而易见的结论了：家族性高胆固醇血症之所以发生，是因为某种遗传突变使得这些患者的细胞没有能力“感受到”血液中胆固醇（严格来说，是低密度脂蛋白）的水平，因此会源源不断合成胆固醇的缘故。
换句话说，我们开篇提到的关于胆固醇的负反馈调节被破坏——胆固醇合成的发动机，找不到刹车踏板了。
那么，细胞又到底是怎么样“感受”胆固醇的呢？
一个简单并且合乎逻辑的可能性是，低密度脂蛋白可以装载着胆固醇直接跨过细胞膜进入细胞，从而提高细胞内胆固醇的浓度，影响胆固醇合成的速度。
这个想法相当自然。因为我们已经知道，细胞膜是由包括胆固醇在内的脂类分子构成的，那么胆固醇理论上确实可以轻而易举进入细胞，就像墨汁在水中扩散。
但是这个解释很快被证明是错误的。因为两位科学家发现，胆固醇分子几乎完全无法进入那些来自家族性高胆固醇血症患者的细胞。这个简单的发现说明胆固醇进入细胞一定需要通过某种“主动”的生物学机制，而不会仅仅是按照热力学定律自由扩散进入细胞。
为了详细地追踪低密度脂蛋白分子是如何与细胞发生作用的，在那个显微镜成像技术仍然非常落后的时代，“金帅哥”和“棕帅哥”用放射性同位素标记了低密度脂蛋白，这样至少他们可以利用放射性同位素能够给胶片显影的这个特点，追踪低密度脂蛋白的去向。
首先他们意识到，放射性的低密度脂蛋白可以与表皮细胞表面牢牢地结合在一起。而如果同时加入大量的没有放射性的低密度脂蛋白，细胞表面的放射性信号会大大减弱乃至几乎消失。这个实验结果本身并不令人吃惊：低密度脂蛋白分子，无论是否有放射性，应该同样具备结合细胞表面的能力。那么显然，当环境中非放射性分子数量大大超过放射性分子数量的时候，后者就会被淹没在前者的汪洋大海里，从而失去与细胞表面结合的机会。这种现象被恰如其分的叫做“竞争性结合”。
但是接下来的实验就开始变得有趣了：两位科学家发现，如果事先在培养皿里加入放射性的低密度脂蛋白，经过一段时间之后，再加入非放射性的脂蛋白颗粒，细胞膜上的放射性信号就不会被减弱直至消失，而是会持续的、长时间的存在。竞争结合的现象消失了！
仅仅是改变一下时间顺序，为什么会出现这么大的差别？“金帅哥”和“棕帅哥”在发表于1974年的第二篇里程碑式的文献里并没有做过多的猜测和推断。他们只是简单地说，这个结果也许说明低密度脂蛋白分子能够被细胞表面所“吸收”（take up），所以不再会被竞争结合所替换掉。一个无法忽视的背景是，至少在当时的科学界，认为胆固醇分子可以根据热力学定律轻易通过细胞膜的想法实在是太过强大了，两位年轻人不希望贸然地提出自己的论断，招来过多的质疑和阻力。他们相信实验和数据本身能说明一切。
然而，对于任何一个有生物学背景的读者，应该都不难猜到，“金帅哥”和“棕帅哥”的实验结果清晰地指向了几乎是唯一符合逻辑的解释：带有放射性的低密度脂蛋白分子，应该是和细胞表面的一个蛋白质特异性结合，随后通过某种机制被“搬运”到细胞内了。这样它们就可以避免与后来加入的大量脂蛋白分子产生竞争结合，从而可以持续的产生放射性信号。
胆固醇——低密度脂蛋白——结合细胞表面受体——进入细胞——抑制胆固醇合成。当我们回头重新审视四十年前的实验数据，胆固醇合成的刹车系统已经被完整和清晰地勾画出来。
在此之后，这对建立实验室仅仅三年的黄金搭档开始招兵买马，他们不再是“一个人在战斗”了。“金帅哥”和“棕帅哥”慢慢地变成了金老头和棕老头，他们和他们的同事们在时光的背影里留下一个又一个伟大的发现，使得现在的我们可以骄傲地宣称，胆固醇和围绕着它的几乎全部奥秘，已经被完整的、详细的描绘了出来。
让我们按下快进键，匆匆欣赏一下他们的足迹吧：
1976年，高尔斯坦和布朗利用小约翰•戴斯普塔的细胞，证明低密度脂蛋白确实可以与细胞表面结合，并被细胞“吞噬”。而小约翰的细胞却无法结合并吞噬低密度脂蛋白，从而导致了严重的高胆固醇血症。
1978年，高尔斯坦和布朗与日本科学家远藤章（Akira Endo）合作，证明了远藤刚刚发现的一种化学物质确实能够有效抑制HMG辅酶A还原酶的活性，从而为这种物质进入临床应用打开了大门。这类后来被命名为“他汀类”的化合物成为整个人类历史上最畅销的药物分子，到今天，有超过3000万美国人服用他汀类化合物预防心脏病。
1979—1982年，他们的学生沃尔夫冈•施耐德（Wolfgang Schneider）成功地分离并纯化出之前存在于假想中的、位于细胞表面并可以结合低密度脂蛋白的物质，并命名为低密度脂蛋白受体（LDL receptor）。
1983年，他们的学生大卫•罗素（David Russell）成功克隆出低密度脂蛋白受体的mRNA序列。罗素是美国科学院院士，目前仍在达拉斯西南医学中心从事研究工作。
1985年，他们的学生托马斯•苏道夫（Thomas Sudhof）成功鉴定出低密度脂蛋白的基因组序列，并开始尝试理解这个蛋白本身是如何被调控的。苏道夫现任教于斯坦福大学，美国科学院院士。他因为对神经元突触囊泡释放的研究获得2013年诺贝尔生理学或医学奖。
1985—1989年，他们的学生海伦•霍布斯（Helen Hobbs）利用分子生物学和人类遗传学手段，发现家族性高胆固醇血症患者的低密度脂蛋白受体基因上存在大量遗传突变。霍布斯目前仍在达拉斯任教，美国科学院院士。
1993—1994年，他们的学生王晓东纯化和分析了一种名为胆固醇调节元件结合蛋白（SREBP）的蛋白质，这种分子能够在调节低密度脂蛋白受体的合成。SREBP的发现，证明了胆固醇合成至少存在两条负反馈调节机制：一条是通过抑制HMG辅酶A还原酶，一条是通过降低低密度脂蛋白受体的数量。王晓东已经回到中国，建立了著名的北京生命科学研究所，并继续其研究工作，他同时是美国科学院院士、中国科学院外籍院士。
……
五十年的时光匆匆而过。到今天，我们仍然可以在达拉斯西南医学中心的实验楼里找到“金老头”和“棕老头”的联合实验室。实验室里杂乱无章的瓶瓶罐罐，实验室外走过的穿着白大褂的年轻人，似乎也和五十年前的模样别无二致。尽管“金帅哥”和“棕帅哥”已经变成了“金老头”和“棕老头”，他们一同在实验室在报告厅讨论科学问题的习惯好像也看不到太多的变化。
不同的是，在他们实验室外的长廊上悬挂着的照片，向我们讲述着如今人们对胆固醇调节机制的全方位理解，也展示着过去四十年来从他们实验室里走来的许许多多年轻人的身影。
我们不该忘记，是这样一群人，用自己的青春、智慧和坚持，把隐藏在我们身体里、由造物在千万年中精雕细琢的秘密呈现给我们，赚足我们的惊叹和崇拜。而这些秘密，也已经在每一天的生活中，帮助我们塑造更好的自己。
如今的“金老头”和“棕老头”。四十年的亲密合作，成就一段硕果累累的旅程。
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二十多年前曾经在他们系做博士后，经常参加他们实验室的周会，那时王晓东也在做博士后。