I。 塞可隆帕羊羔

        在古希腊荷马史诗中，英雄奥德赛（Odysseus）智斗独眼巨人塞可隆帕斯（Cyclops）的故事可以说是最精彩也是在西方文化里最广为人知一个。当困在巨人的洞穴中面临等待被一个个吃掉，奥德赛和同伴们先成功的刺瞎了巨人塞可隆帕斯唯一的眼睛，接着又混在巨人的羊群中，惊险逃脱。故事中奥德赛那种既狡黠又勇敢的性格被突显到了极致。在上个世纪50年代中期，美国中西部的农场里，出现了一件咄咄怪事让很多人不禁又联想起了这个故事。在那些年头里，爱达荷州农场羊群所下的羊羔中经常会出现一些怪异的“独眼羊”，这些发育异常的羊羔，在额头正中也标志性的长有一只大大的独眼，活同史诗所描绘巨人的羊身转世。不过，面对这些“塞可隆帕羊羔”农场主们可没有丝毫的敬畏，更多的则是经济上的肉痛。因为他们清楚地知道这些独眼羊最终无法存活，而且有些年头它们居然可以占到当年新生羊羔的近三分之一。情急之下农场主们联系了美国政府的农业部来请求帮助

塞可隆帕羊羔

     于是1957年的夏天，在美国农业部供职的 科学家Lynn James 被派往中西部的农场里来调查这件事。Lynn可以说非常尽职。他和羊儿们朝夕相处了三个夏天后终于找出了线索。他注意到“独眼羊”事件在干旱气候的年份最为频繁，而在这些年份中羊群也最常往较高地势的草地“用餐”。而在那里的草场中，一种学名叫veratrum californicum，俗名为“玉米百合”的野花常常到处盛开。于是他和农业部的毒物学家Richard Keeler合作，锁定这种玉米百合花有最大嫌疑。果然他们发现，如果母羊在怀孕14天以后啃食了这种野花，孕期会反常的延长近87天，进而极大可能地产下这种发育异常的独眼羊羔。他们把这种异常的胚胎发育起名为“赛可隆帕斯化”(Cyclopia) 。 Keeler还进一步在实验室中成功地从玉米百合中分离出了三种证实的确可以导致羊胎赛可隆帕斯化的天然化合物。通过结构鉴定，发现这三个天然化合物实际上都是一种从未被发现过生物碱的衍生物，于是他们把这类生物碱给形象的命名为“塞可隆帕碱”(Cyclopamine)。至此，悬案的调查似乎可以成功地告一段落。草场里玉米百合以及所含的塞可隆帕碱被认证为导致塞可隆帕斯在羊羔身上“转世”的最终元凶。事实也的确如此，当农场主们尽心地清除了牧场里的玉米百合，尤其是在母羊怀孕的季节，塞可隆帕羊的出现也就渐渐地绝迹。然而，以此为线索另一段更有趣的生命科学探索其实才刚刚启航。塞可隆帕羊的真正生物学谜底实际上直到四十多年以后才被完全揭开。

II。 神奇的“刺猬”

     时间再推进到塞可隆帕羊出现后的二十年的七十年代末，那时生命科学尤其是分子生物学已经有了长足的进步。大西洋彼岸位于德国海德堡的欧洲分子生物学实验室里生物学家Christiane Nusslein-Volhard 和刚来此工作的美国科学家 Eric Wieschaus正利用果蝇对生物的胚胎发育进行着如火如荼的研究。他们一口气共发现了50多个基因在参与和调解果蝇胚胎的发育。其中的一个基因十分重要也很有趣而引起了更多的注意。他们发现如果这个基因被人工敲处掉，果蝇就无法再发育出翅膀，只能给出一个浑身带刺的幼虫,形如小刺猬一般。这个基因也为此形似地命名为“刺猬基因”(Hedgehog gene)。刺猬基因共被发现编码着三种相似而又分工略有不同的蛋白，分别也被命名成“声波刺猬”(Sonic hedgehog);“印第安刺猬”(Indian hedgehog);“沙漠刺猬”(Desert hedgehog)。（从这些随心的名字可以窥见到实验室里这些科学家们的不泯童心) 这些刺猬蛋白们分别调控的生物胚胎发育中一条十分重要也十分复杂的一条生物信号通路，自然也被生物学家们毫不犹豫地称为“刺猬信号通路”(Hedgehog Signaling Pathway)。这条通路在大部分生物体的胚胎发育中至关重要。可以不夸张的说，大部分生物体的胚胎发育和生长都是依靠这些“刺猬们”一一“拱开”的。

刺猬基因被敲除后的果蝇幼虫 (形似刺猬)

     实际上科学家们进一步发现，这个刺猬基因及其掌控的刺猬生物通路在生物进化中十分的古老。也就是说从简单低级的昆虫到复杂高级的人类的细胞里，都有刺猬基因的身影。可以想象在漫长的生命进化中，如此不离不弃的基因往往都是物种赖以生存演化的利器。事实也是如此，在昆虫上，这个基因掌管着虫体的分节以及翅膀的发育。所以昆虫们一旦丢掉这个基因，“化蝶”只能成了梦想，变身刺猬就成为了的现实。而对哺乳动物而言，这个基因则控制着身体的对称性分化，四肢的分化和发育，同时也涉及到机体的肌肉，皮肤和眼睛的发育。不过从另一方面来讲，刺猬基因和所调控的生物信号通路主要是为生物体的胚胎发育所服务，所以机体一旦成熟，绝大部分机体细胞里的刺猬基因也就此沉默，刺猬信号通路也需要被紧紧关闭。为此，生物界演化也出了一条复杂的多米诺骨牌式的蛋白牵制机制，来牢牢调控和把守着这个通路。在这一系列的蛋白信号中有两个蛋白起着最关键的作用，暂且理解为把守通路的“哼哈二将”。“哈将军”是SMO蛋白(Smoothened)，掌握着开启通路的钥匙。由它踢开第一张蛋白多米诺骨牌开启整个通路。但是在绝大多数的情况下它的“脚”却被“哼将军”- Ptch蛋白 (Patched1) 一直紧紧的攥住，“哼将军”需要等待的是基因编码的刺猬蛋白 (Hh) 的到来和指令。当机体/胚胎需要开始发育的时候，其中的上述的一种“刺猬蛋白”就会受命前来和PTCH蛋白偶联。得到命令的哼将军这时候才会放开SMO蛋白。回归自由的“哈将军”SMO蛋白先漂移到细胞的纤毛区域，然后再踢开信号通路的蛋白多米诺骨牌，由后续蛋白们一层层地“拱开”了机体/胚胎发育生长的大门。由此可见刺猬基因的发现和以及生物信号通路的一系列研究为人类探索生物胚胎发育的奥秘打开了一扇大门。这些成就让德国女科学家Christiane Nusslein-Volhard和美国科学家 Eric Wieschaus一起分享了1995年的诺贝尔生理医学奖。

III 塞可隆帕碱和“不讲武德”的癌细胞

    虽然刺猬基因的奥秘被科学家从上个世纪70年代就开始渐渐揭开，但把它和塞可隆帕羊相联系又已经是二十年后的事了。90年代初在美国约翰霍普金斯大学任职的Philip Beachy和他的研究组在进行哺乳动物的刺猬基因的相关研究。为此他们经常需要敲除实验小鼠的刺猬基因来进行观察。但在那个年代，在哺乳动物上精准地敲除某个基因还是一个挺冗烦不易的实验。Beachy教授寻思着，如果能找到一个化学分子，精准地堵住刺猬信号通路不就可以简单方便地达到同样的效果。一个偶然翻阅文献的机会，他看到了当年有关塞可隆帕羊的论文和照片。很快他就猜测到，塞可隆帕羊现象很可能源于胚胎发育中刺猬基因的异常。因为他知道这个基因的一个很重要的功能就是在哺乳动物胚胎发育中促使大脑的分化和分层-形成左右脑，同时也引发左右双眼的分化。刺猬基因的敲除或信号通路的关闭就会抑制胚胎的这些发育，从而引起了独眼的塞可隆帕羊的出现。如果是这样的话，当年Richard Keeler从玉米百合里分离得到的塞可隆帕碱也正是他所寻找的化学分子，可以用来关闭哺乳动物的刺猬生物信号通路。

    对于塞可隆帕碱是如何有效地堵住哺乳动物的刺猬信号通路的， Beachy的研究组进一步进行了非常深入和漂亮的研究。他们发现塞可隆帕碱分子进入细胞后精准地“傍上了”通路上的“哈将军”SMO蛋白。在这种情况下，虽然的“哼将军”PTCH蛋白依然可以接受刺猬蛋白的指令，放开了SMO蛋白。但沉浸在的“温柔乡”里的“哈将军”却不再能“踢开”开启信号通路上的蛋白多米诺骨牌，所以刺猬生物通路依然处于关闭。这样的后果对发育中的胚胎自然非常严重，于是导致塞可隆帕羊这样的怪胎出现在羊群中。至此，四十多年前塞可隆帕斯“转世”爱达荷州羊群的谜底终于被完完全全的揭开了。

     不过在生物学家们还没有来的及对自己所发现的奥秘沾沾自喜的时候，就已经很快了解到，刺猬基因以及所掌控秘密的信号通路其实早已被生物界的“恶势力”所谙熟和利用了，当然就是癌细胞。不受控制住的疯狂生长可以说是癌细胞唯一的生存意义。而偷偷打开和激活细胞中那些促进生长的生物信号通路，是它们谙熟的扩张利器，对刺猬信号通路自然也不会放过。原本服务于胚胎发育的刺猬基因及其信号通路在机体成熟后，就会在正常的细胞中关闭且被严格的把控。但在癌细胞中，这条通路却以各种“不讲武德”的方式所打开。最常见的方式之一是对通路上的关键蛋白“哼将军”PTCH进行突变，使其失去对“哈将军”SMO蛋白的控制，任其不受制约地踢开整个刺猬信号通路，从而成为癌细胞疯狂生长和扩张的帮凶。像这样异常和突变在人类常见的一类皮肤癌-基底细胞癌（Basel Cell Carcinoma）中占到了近百分之九十。不过一路走来的生物学家们既然已经了解到塞可隆帕碱关闭刺猬信号通路的功效。于是，这个四十多年前已被羊群们尝试过的天然生物碱，自然被选为尝试对付这类癌症的第一把武器。

   虽然塞可隆帕碱的确在离体细胞实验和动物实验中的确显示出抗癌效果，但由于发现它的一些其他副作用以及一些不太理想分子性质，这让药物学家们并太不满意。因此要想把塞可隆帕碱直接发展成癌症药物，似乎有一定难度。不过，对研发实力雄厚的制药公司来说，如果有了清晰可行的分子生物学机制指导，筛选更安全更高效的药物分子却不是件难事。很快，位于美国北加州的生物技术公司基因泰克（Genentech）以及南加州的诺华基因研究所（GNF）以塞可隆帕碱为样本，分别筛选和发现了各自的两个化学分子。它们不仅更简单和安全，也比塞可隆帕碱有更高的活性来抑制住癌细胞的中刺猬信号通路。再经过数年成功的临床实验，这两个化合物分别以Erivedge和Odomzo为商品名在2012和2015年推向了美国和欧洲的市场，成为治疗基体细胞皮肤癌的有效新药。当然对两个药而言，孕妇或可能的孕妇要严格的禁用, 原因相信“你懂得”。

     回顾生命科学和现代医药的发展历程，人们有趣地发现羊儿们居然已经多次扮演了“神农”的角色。比如从北非半夜失眠的羊群，人们发现了咖啡豆的神效，为现代996找到了了咖啡和咖啡因这一神器; 从为山羊催奶的西班牙三叶草，科学家发展出了现代即降血糖又抗衰老的神药二甲双胍。而在70多年前的爱达荷农场里“独眼羊”带来的“神迹”也在无意中开启了一段有趣的生命科学发现历程， 并在探索途中为人类在和癌症的战争中增添了新的武器。当然，这些趣味盎然的科学历程，不仅源于于牧羊人的观察，更要归功于生命科学家们童心不泯般的好奇心和锲而不舍的努力与相互合作。

参考文献：

1。 Heretsch, P.: Tzagkaroulaki, L.; Giannis, A. "Cyclopamine and hedgehog signaling: chemistry, biology, medical perspectives". Angew. Chem. Int. Ed. 2010 49 (20): 3418–27

2. Taipale, J.; Chen J. K.;  Cooper, M.K.; Wang,  B.;  Mann, R. K.;  Milenkovic, L.; Scott, M. P.; Beachy, P. "Effects of oncogenic mutations in Smoothened and Patched can be reversed by cyclopamine". Nature. 2000 406 (6799): 1005–9

3. Skoda.  A. M.; Simovic, D.;  Karin,  V. Kardum, V.;  Vranic , S.;  Serman, L. (February 2018). "The role of the Hedgehog signaling pathway in cancer: A comprehensive review" ,  Bosnian Journal of Basic Medical Sciences. 2018, 18 (1): 8–20

4. Chen.  J. K.; Taipale,  J.; Young,  K. E.;  Maiti, T.; Beachy, P. A . (October 2002). "Small molecule modulation of Smoothened activity". PNAS 2002  99 (22): 14071–6.