这篇是我的《自然辩证法》作业，其实早就很想放上来，可是因为精力的限制，关于硫修饰的文章只看了2篇，很多方面涉及不到，仅仔细读过发现硫修饰的2篇文章。由于老师的要求，有些地方可能会有点故意与自辩联系上的感觉，所以怕放上来被拍砖。

学习了《自然辩证法》之后，对于以前不明白的地方都有了些了解，但是却变得更加迷茫，仿佛只提出了问题，却没有指引解决的方向。最后决定还是把它放到博客上来，一是因为自己写了这么多也希望有更多的人来“捧场”，二是希望各位如果愿意，能提些意见，有人提意见总比放在自己窝里藏着强。

最后，祝大家新年快乐，新年新气象！

自Waston和Crick阐明了作为生命的遗传物质及中枢的DNA大分子的结构以来，生物学有了突飞猛进的发展，各项新技术层出不穷。DNA作为生命的物质基础，一般认为是由五种元素：C， H，O，N，P构成的的四种脱氧核苷酸序列编码着自然界各式各样的遗传性状。

然而，2005年，中国微生物学家、中科院院士、上海交通大学教授邓子新的研究团队在molecular microbiology期刊上发表论文，报告在DNA大分子上发现了一种新的硫修饰，这是首次在众多细菌的DNA上发现第六种新元素硫。

DNA上新元素的发现，就像是另一个弗莱明和青霉素的故事，但是这个故事却更加曲折。

获得博士学位后，邓子新继续在英纳斯研究中心做博士后，1987年底的一天，在和同事周秀芬在做一批细菌DNA的电泳实验时，发现在同一块电泳凝胶上，一些细菌的DNA发生了降解而另一些细菌的DNA则不降解。这是一个很常见的现象，一般都被认为是由于操作过程中不小心污染了核酸酶造成的。但是邓子新觉得很好奇，为什么在同样的环境、操作方法和实验条件下不同生物来源的DNA会出现降解特性完全相反的差异呢？后来邓子新和周秀芬做实验，一一排除了DNA中污染了金属离子或者核酸酶等的可能，但原因仍然不清楚。

1988年，邓子新和妻子回国。回国后，他们对这个问题一直耿耿于怀，终于历经二十年发现了造成DNA拖尾的真正原因，那就是硫修饰。

1965年，瑞士科学家沃纳·阿贝尔(Werner Arber)根据在实验中观察到的现象，首次提出细菌的限制——甲基化修饰系统机制，作为DNA结构的第一个补充，DNA的甲基化修饰限制系统十分引人注目。它可以限制外来生物入侵，使生物体保护自身遗传稳定性；它在基因表达、基因沉默等方面的作用对分子生物学的发展具有里程碑式的贡献。科学家们后来发现这种修饰可以遗传，他们开始以全新的视野来理解生命现象，一个新的学科——表观遗传学诞生了。可以想象，新元素硫的发现也同样会开创对生命现象的研究的一个新领域。

爱因斯坦曾说过：“提出一个问题往往比解决一个问题更重要。”邓子新能够通过一个实验中常见的现象得到一个生物学界的重大发现，一是因为他善于观察。我们都知道，观察是渗透着理论的，如果深信DNA的降解是由于操作造成的，这个细节很容易就会被忽视。二是他从比较中发现异同，从而提出了自己的假设，即在相同的操作条件下，为什么DNA的降解特性却不同？可能是由于操作之外的某个原因。三，排除其它的干扰因素进行观察。在实验过程中，核酸酶的污染并不是不可能，所以要尽量保证不同降解特性的DNA都是在相同的操作条件下进行的，且要避免污染杂质如核酸酶的干扰，也就是要排除其它的环境因素的干扰，以保证观察的正确性。这就需要在提取DNA以及电泳的操作上有较好的技能。第四，就是机遇。从后来的实验中知道了，硫修饰不是在所有的菌种中都有的。邓子新做的是链霉菌，在天蓝色链霉菌中就没有这种修饰作用，而在变铅青链霉菌中有。如果不是他接触到了具有不同DNA降解特性的菌株的DNA，可能就发现不到这种DNA降解特性的异同从而引发了他的思考。其实我认为判断DNA的降解特性是偶然性还是必然性还有一个简单的方法。如果是由于操作问题造成的，那么不同的人（前提是基础操作扎实），不同的批次来操作，得出的结果应该是有差异的，也就是说可能我做的时候DNA就没有降解，而你做的时候它就降解了；或者我这次做它不降解，下次就降解了。如果无论怎么做，不同菌株的DNA降解特性的表现都一致，那么就要考虑其必然性了。

从提出问题到找出问题的答案，这一过程中有很多典型的科学研究的方法和思路。事实上，任何一个科学研究的过程都是体现了研究者的科研思维方式，有些是值得我们借鉴和学习的。

为了找到这个现象的原因，邓子新团队首先从基因的水平上开始着手，得到了一个DNA降解表型（Dnd表型）缺失的菌株ZX1，然后拿到了完整的与Dnd表型有关的基因，通过对DNA序列的分析来提出一个硫修饰系统的假说。这种从低层次的（基因）来研究高层次的（酶的功能，作用机制）方法，是一种机械自然观的还原性原则的体现。同时，他认为Dnd表型的与最根本的遗传决定因素DNA有关，也体现了还原性原则和因果性原则。

为了证明他们拿到的这个dnd基因与DNA的降解表型有关，邓子新等人做了以下实验：

1.                将有DNA降解特性的菌株进行插入突变，即在它们的dnd基因簇中插入外源片段，从而破坏dnd基因簇的正常功能。结果在插入突变后，其它操作都不变，但原有的DNA在电泳中降解的现象没有了。然后，在这些突变菌株中，转入携带有dnd基因簇完整基因的质粒，使其基因重组从而使突变菌株又获得了Dnd表型。

2.        将dnd基因簇完整基因的质粒转化到没有Dnd表型的菌株中，结果受体菌的DNA在电泳时表现出了不稳定性。

3.                将携带有dnd基因簇完整基因的质粒转化到ZX1中，通过基因重组，ZX1又获得了Dnd表型。

这3个实验其实都是用了求异法验证了DNA降解特性与dnd基因簇之间

因果关系，即在其它条件相同时，dnd基因的存在与否直接与Dnd表型的存在与否联系了起来。

证明这一点后，分析dnd基因簇的序列，发现有5个开放阅读框，分别命名这几个基因为dndA, dndB, dndC, dndD和dndE。对这5个基因进行氨基酸序列分析，并与其它的蛋白质进行序列同源性比对，发现dndA编码的蛋白与Fe-S簇的形成过程中2个非常重要的蛋白，lscS蛋白和Nif蛋白，有很高的同源性（46%相同，64%相近）。这两个蛋白能通过L-Cys脱硫酶的活性来提供S，且与dndA基因都有一个保守的磷酸盐结合模体。同时，dndC基因与ATP硫酰酶以及磷酸腺苷磷酸硫酸酯（PAPS）还原酶具有同源性，这2个酶都参与了硫酸盐的还原，以进行含硫化合物，如Cys的生物合成。其它的3个基因也有自己的同源蛋白。

蛋白质的功能与结构由其一级结构，也就是氨基酸序列决定，根据dndA与dndC的编码蛋白的序列比对结果，用类比的方法可以推测，这2个基因可能也与S的反应有关，进一步推测DNA上可能存在着硫修饰。然而，这还只是间接的推测，没有最终证据。

邓子新团队由Dnd表型与dnd基因簇的关系联想到其它有这种表型的菌株是否都有这样的dnd基因簇呢？于是，他们在蛋白质和基因组数据库中进行比对搜索，发现在微生物基因组中一些蛋白有很高的同源性，比如荧光假单胞菌PfO-1和念珠藻PCC7120，那么它们是不是也有Dnd表型呢？对荧光假单胞菌PfO-1的DNA进行电泳，发现它果然也有DNA降解现象。虽然结果与假设相一致，但是是否就证明有这种类似的结构和序列就会有硫修饰呢？我想是不能这么下决定的。首先，序列比对这个工具是有一定的局限性的，很多时候单个氨基酸序列相同就被计入了相同中，而这并不能完全说明在功能上就有同源性，而且氨基酸序列上一些关键位置上的差别很可能造成蛋白质在功能上有巨大差别，而通过序列比对是观察不出这点的，而且作者没有进行大量的实验来验证。类似的，如果没有这种同源的基因簇也不能说明就没有S修饰和Dnd表型存在，因为由不同的氨基酸序列构成的蛋白质可能有相近的活性，比如一些同工酶。

为了检验S修饰的假说，邓子新的团队根据这一理论设计实验，用含有³⁵SO₄的基础培养基喂食链霉菌，结果没有Dnd表型的菌株的DNA上没有放射性，而有Dnd表型的菌株的DNA有放射性。虽然没有直接观察到S修饰，但是这一结果间接证明了S修饰的存在。

由于存在着S修饰，在有高酸介导，胺催化时，DNA双链发生氧化，在特异性位点发生断裂，导致了在普通电泳时的降解现象。在电泳缓冲液中加入硫脲可以抑制这种氧化作用，从而使得原本会降解的DNA不发生断裂。这也从另一个角度验证了S修饰。能想到在电泳缓冲液中加入硫脲来进行实验也是因为之前已经验证了S修饰与Dnd表型的关系。

在S修饰的发现过程中，蛋白质与基因组学的发展背景是不可忽视的，否则想要研究dnd基因的功能就像大海捞针一样，没有方向，不知道从何下手，即使能发现，也需要大量的时间和精力，而不能迅速的发现其与硫的关系。同样的，同位素标记技术也为硫修饰的验证提供了重要的证据。

从DNA的甲基化修饰到S修饰，让人不得不去联想到，DNA上是否存在着其它的修饰呢？虽然邓子新用不同的实验证明了Dnd表型与dnd基因簇的关系，但其正确性检验有不充分决定性，有没有可能有的修饰也能导致Dnd表型呢？而正巧他用来实验的菌株有S修饰，但是由于我们的认识是有限的，目前还不能判断。这只有靠后来的人去发现了。

 

虽然已经证实了细菌的DNA上掺入了S元素，但是具体是在什么位置呢？这需要弄清楚修饰的具体的精细化学结构。然而邓子新团队在这个问题上做了好久，却没有进展。

机会不期而至。2005年底，邓子新的一位博士毕业生陈实到美国麻省理工学院(MIT)做博士后。陈实在MIT工作的那个实验室与化学结构研究关系不大，但他是个有心人，当他了解到彼得·帝丹教授的实验室做化学结构的水平相当不错时，就和帝丹商量，能否与他的实验室合作鉴别DNA上这种硫修饰的化学结构。这一谈，引起了帝丹的极大兴趣和热情。2006年初，邓子新派博士生王连荣带着前期工作的材料积累和基础到帝丹的实验室去鉴别结构。

“这次成功也充满了偶然和机会。”邓子新说：“一般情况下，最后得到的磷硫酰二核苷结构是会被其中用到的某种酶水解裂开的，但在王连荣的实验中，3种酶混合后的缓冲液体系正好抑制了这种酶水解磷硫酰的活性，其化学结构也得以最终鉴定。”

   开始时，邓子新团队认为修饰很可能发生在碱基上。

   他们将DNA用核酸酶水解，并去磷酸化，用反相HPLC进行分离，得到含有同位素标记的组分，并对这一组分进行质谱分析，发现了DNA骨架上的磷硫酰化修饰，且不同的菌有不同的修饰的序列特异性。至此，DNA上的硫的真面目终于为世人所知。

由S修饰的精细结构的发现，我们可以看出，有时重大的发现需要多学科的交叉。开始时，邓子新无法确定硫掺入的位置，但与化学家合作之后，弥补了他的团队在这一方面的缺陷。当然这也要多亏了他的博士生陈实，善于整合身边的智力资源。回想一下当初DNA结构的发现，再看现在的S修饰的发现，色谱，质谱等技术的飞速发展为我们的研究创造了优越的条件，并且随着技术的不断进步，一些之前无法发现的事物逐渐能够为人们所了解。

然而，这些科学发现都是在人为干涉了的情况下产生的，具有人工性。比如最开始硫修饰的发现，由于在电泳的特定条件下造成了DNA的断裂从而有了Dnd表型；同位素标记实验，以及对硫修饰骨架的质谱分析，都是建立在人工创造的技术基础之上进行的，包括通过序列比对进行研究分析的方法也是建立在人类的认知基础上进行的，在一定程度上是建构出来的。通过用这些技术去干涉研究对象，最终发现了S修饰。

总结一下，有不少的感想：

首先，科学的真理性是个相对的，它是建立在我们的认识能力之上的，在一段时间内，由于我们的认识能力的限制，我们得到一个“真理”，而随着后来的技术和认知的发展，一些曾经的真理被完善或者抛弃。比如我们一开始一致认为的DNA的结构，以及中心法则，就在不断的被新的发现所完善。知识时刻都在进行着扩充，我们在课本上学过的，尤其是中小学学过的很多知识都已经被更完善的所取代，抱着一种正确的心态，才能与时俱进，绝不能把书本上的当做教条。

第二，机械自然观确实为科学的进步作出了巨大贡献。在S修饰的发现过程中，这点可以感觉的到。学习了自然辩证法才知道大学时期一直有的一种想法原来是还原性原则的一种体现：我一直认为可以从物理学，化学的原子分子之间的作用结合数学来探讨生命的现象，即企图寻找一个自然的本源，并曾认为是数学。当我问过同寝的同学后，才发现他们有何我类似的想法。我想，可能是因为太多的科学研究都渗透着这种机械自然观，以至于在潜移默化中影响了我们。

第三，科研是在黑暗中探索，需要坚持的能力。邓子新在研究S修饰的过程中遇到了很多的困难，作为一个非共识的课题，不仅申请不到经费，还得应付同行的质疑。但是他用其它课题的经费来支撑这项研究，终于拨开云雾，这项发现也受到了高度评价。

有时候展现在我们面前的不一定是最全面的，尤其是要以人的某一方面来鼓励其他人时，往往会有一些艺术上的修饰。有的研究生会对中国的学术界感到失望，不相信那些光鲜的表面。但是通过对S修饰发现过程的仔细了解，我不得不改变之前的一些想法。是的，不好的方面总是有，但并不能因此去忽视那些真正有价值的闪光点。科学是在一点一点的发展的，辉煌的，暗淡的，都构成了科学的历史。

参考文献：

Zhou, X., X. He, et al. (2005). A novel DNA modification by sulphur. Mol Microbiol 57(5): 1428-38.

Wang L, Chen S, Xu T et al. (2007). Phosphorothioation of DNA in bacteria by dnd genes. Nature Chem. Biol. 3(11): 709-710

 

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