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兴趣、思路和好奇心是基础研究取胜的法宝:2015年诺贝尔化学奖

已有 14764 次阅读 2015-10-7 22:53 |系统分类:海外观察

DNA是非常长的分子,人的一个细胞DNA分子长度可以达到2米长。人类受精卵分裂时,DNA可以复制,子代细胞能获得全套DNA,此后细胞每分裂一次,2个细胞变为4个,4个变为8个。一周后胚胎可以形成128个细胞,每个细胞都拥有相同的遗传无知。此时DNA总长度可以达到300米。成年人数万亿细胞,DNA总长度可以到达从地球到太阳500倍的距离。

尽管如此,每个细胞DNA仍然保持和原始受精卵类似的序列。这显示了生命分子的伟大,因为从化学角度考虑,这几乎是不可能发生的。因为一方面,任何化学过程都会发生随机错误。另一方面,DNA也会受到环境辐射和许多活性分子(如自由基)的损伤。从化学角度考虑,人类在发育成婴儿前就会变成一堆无序馄饨的化学混合物。

我们的DNA能保持金刚不坏之神力,全靠一种分子修复机制的呵护。通过一系列蛋白对基因序列进行检测,不断校对基因序列并对发生损伤的部位进行修复。2015年诺贝尔化学奖授予Tomas Lindahl、Paul Modrich和Aziz Sancar,就是因为三位同学对这一生命基本化学过程的研究。他们的系统研究对人类理解活细胞发挥功能,以及许多遗传疾病、癌症和衰老等过程中的分子原理,提供了重要知识。三位科学家独立地对这一领域开展了研究。


一、善于独立思考的瑞典科学家Tomas Lindahl

1960年代,当时科学界认为,作为遗传物质的DNA分子,保持稳定是自然而然的事,虽然进化需要突变,但每代都不能发生太多突变,否则多细胞生物就不可能存在。但是正在美国普林斯顿大学做博士后的Tomas Lindahl此时对DNA稳定性提出质疑,他当时主要研究RNA。实验进行地不那么理想,实验过程需要对RNA进行加热,但这会导致RNA分子迅速降解。一个问题一下子跳到Lindahl脑内,尽管人们都知道DNA稳定性高于RNA,但是如果RNA受热会快速破坏,那么DNA靠什么众生保持稳定。几年后他返回瑞典卡罗林斯卡医学院,他开始寻找这个问题的答案。一些直接实验证据证明他的怀疑是正确的,非生命的DNA虽然稳定,但仍然会发生可检测到的降解。Lindahl估计,每天基因组都会发生数千次的损伤,这与生命能持续生存的现象直接相悖。于是他提出一定有一套修复DNA缺陷的分子系统。通过这一基本思路,Tomas Lindahl打开了这一新领域的大门。

Tomas Lindahl开始用细菌为研究对象,寻找能修复损伤DNA的酶。和人类一样,细菌的DNA也是AGCT四种核苷酸组成。DNA分子中最薄弱的核苷酸是胞嘧啶,胞嘧啶容易失去氨基,能导致遗传信息发生改变。

正常DNA双螺旋结构中,胞嘧啶C和鸟苷酸G配对,失去氨基的胞嘧啶C会与腺苷酸A配对。如果这种缺陷持续存在,就可以在DNA复制后发生基因突变。Lindahl意识到,细胞必须有修复这种变化的方法,于是在细菌内寻找能修复这种改变的酶。1974年,他发表了这方面的研究。此后在长达35年研究职业中,Tomas Lindahl发现并鉴定了大量DNA修复蛋白。

1980年代,他在英国帝国癌症研究基金会获得一个职位,1986年,新设立的克莱尔霍尔实验室,该实验室后来以其科学创新能力而闻名。Lindahl逐渐完善了“碱基切除修复”分子机制的全部过程。这一修复机制涉及糖苷酶(glycosylases)。糖苷酶与他在1974年发现的一种酶很相似。这种酶负责的碱基切除修复过程在人体内同样存在。1996年,Lindahl成功在体外确定了人体内DNA修复机制。但是他意识到,即使存在修复机制,细胞内DNA分子损伤仍然无法完全避免。

二、追寻科学梦想的Aziz Sancar教授

一些环境因素,如紫外线辐射会造成DNA损坏。大部分细胞用于修复紫外线导致的破坏通过切除修复机制。切除修复机制是土耳其科学家Aziz Sancar最早发现的。

Aziz Sancar在伊斯坦布尔大学学医学时就对生命分子非常痴迷。毕业后Sancar在土耳其做了几年医生,1973年,他了解到一种奇怪的现象,致命剂量紫外线照射细菌,蓝色光可让这些细菌复活。这引起了他的极大兴趣,他决定去学生物化学。因为美国科学家Claud Rupert曾经研究过这一现象,Sancar决定到达拉斯Claud实验室学习。1976年,Sancar成功克隆了紫外线DNA损伤的修复酶基因:光修复酶(photolyase),并成功地用细菌进行了过表达。这就是他的博士毕业论文,研究没有引起人们关注。博士毕业后,他先后三次申请博士后研究职位,都遭到拒绝。关于光修复酶的研究不得不暂时停下来。为了能继续开展对DNA修复机制的研究,Sancar在耶鲁大学医学院找到一份实验室技术员的工作,Sancar在这里完成了他获得诺贝尔化学奖的工作。

当时人们知道,细菌拥有两种紫外线DNA损伤的修复机制,一种是光修复酶,需要依靠光照发生作用。另一种是在黑暗中起作用。Sancar在耶鲁大学的同事早在1960年代中期就开始对这种黑暗中起作用机制进行了研究。他们借助三种对紫外线敏感度不同的细菌,确定了vrA,uvrB 和 uvrC三种不同的基因变异。Sancar对这种黑暗中起作用的修复机制也充满极大兴趣。几年后,他成功确定了与这三种不同基因变异相关的修复酶。证明了这种酶能特异性识别紫外线造成的DNA损伤,并能在分别在受破坏片段的上方和下方DNA链条上进行两次切割,从而去除整个受破坏的12~13个核苷酸DNA片段。

Sancar的发现颠覆了整个研究领域,1983年,他发表了自己的研究成果。这项成就让他获得北卡罗来纳大学生物化学副教授的职位,在这里他完成了“核苷酸切除修复”机制的进一步工作。

三、充满好奇心的Paul Modrich

Paul Modrich也是以一个有关于细胞DNA修复机制的模糊想法开始的研究。

Paul Modrich在美国新墨西哥州一个小城长大。当地的自然景观激发了他对自然界浓厚的兴趣。有一天,做生物老师的父亲突然对他说:“你应该去学一点DNA的知识。”这是1963年,1962年,沃森(James Watson)和克里克(Francis Crick)因发现DNA双螺旋结构被授予诺贝尔奖。

多年后,DNA真的成为PaulModrich 生活的中心。他在斯坦福大学读博士,在哈佛大学做博士后,在杜克大学担任助理教授,Paul一直与DNA酶打交道,使用DNA连接酶、DNA聚合酶以及限制性内切酶Eco RI开展研究。1970年代末,Paul的研究兴趣转向Dam甲基化酶时,一不小心又再次撞进了另外一个DNA相关研究。

Dam甲基化酶负责DNA与甲基成分结合。Paul的研究展示,这些甲基成分可以充当指示牌作用,帮助特定限制性内切酶在DNA分子链正确位置上切割。几年前,哈佛大学分子生物学家Matthew Meselson等提出DNA上甲基的一种不同信号机制。借助分子生物学技巧,Meselson等构建了一种带数个DNA碱基错误配对的细菌病毒。如在其碱基配对中,原本应该在A对面是T被改成了C。他用这些病毒去感染细菌时,这些被感染的细菌竟然修复了这些配对错误。没有人知道为何细菌能够修复这样的错误。Meselson等在1976年提出一种猜想,认为细菌存在某种修复机制,能在DNA复制时改正错误。如果的确如此,那么或许DNA上这些甲基能够帮助细菌作出判断。究竟用哪一条DNA分子链作为复制改正的模板。作为一条带有配对错误的新DNA链条,是没有经过甲基化的,或许这就是细菌识别正确与错误DNA分子链版本的标志?

 正是在针对DNA甲基化研究方面,Paul与Meselson的工作产生了交集。于是两人开始合作,共同创造了一种带有数个DNA配对错误的病毒。Paul的Dam甲基化酶用来为DNA分子链添加甲基。当用这些病毒感染细菌之后,受感染的细菌改正了那些缺乏甲基的DNA分子链。研究结果表明,DNA配对错误的修正是一种自然过程,能够在DNA进行复制时修正其中的错误,其原理是利用未甲基化DNA为参考链,识别存在配对错误的DNA分子链。

这一发现成为Paul此后多年系统性研究的开端,后来他克隆并研究了多种错误配对修复机制。1980年代末,他能在试管中重现复杂分子修复机制并在极高的细节程度上对这一机制开展研究。在1989年发表了相关工作的结果。也对人体内的这一修复机制进行了研究。目前我们知道,人体内进行染色体复制时,这种配对错误修正机制起到了关键性的作用,但我们目前仍然不清楚机体是如何识别最初版本的那条染色体链条的。

除了碱基切除修复机制、核苷酸切除修复机制以及配对错误修复机制,还存在着其他一些DNA修复机制在帮助维护DNA序列的稳定。这些修复系统随时修正数以千计因太阳照射、吸烟或其他有害物质摄入导致的DNA损坏,对抗每次细胞分裂时出现的DNA自发性突变倾向,在复制阶段,配对修正机制需要修正数以千计的错误配对。一旦离开这些修复机制,我们的基因组将会崩溃。只要有错误发生,遗传信息都可能发生变化,患癌症的风险就会上升。

人患各种癌症的背后,几乎一定与这些修复机制被关闭或失效有关。一旦这些DNA修正机制失去作用,癌细胞DNA就会变得不稳定,这也是为何癌细胞时常会发生变异并变得对化疗耐受的原因。同时,这些细胞甚至比健康细胞更强大的修复能力。一旦离开了修复机制,它们的DNA将会遭受严重破坏,以至于细胞将会死亡。研究人员正在尝试利用这一点开发对抗癌症的新药。抑制这种修复机制,或许将能够减缓甚至阻止癌细胞生长。利用这一点来对抗癌症的药物已经被研制出来,如一种名为“olaparib”的药物。

总之,2015年度诺贝尔化学奖所授予的这项基础性研究,不仅加深了我们对于自己身体运行机制的认识,也将让我们研制出拯救生命的新型药物。或者用Paul Modrich的话来说,“基于好奇心的研究非常重要,因为你永远不知道它会把你带向何处。当然,有一点点好运气也会很有帮助。”

本文核心内容来自诺贝尔奖网站

popular-chemistryprize2015.pdf




2015年诺贝尔奖
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