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【诺奖中的“基因”】基因表达如何告别“纸上谈兵”?

来源:光明网2020-09-01 09:39

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  【诺奖中的“基因”】

  得益于义务教育的普及和科普工作的开展,提到基因、DNA、染色体等名词时,大家不再陌生。地球上繁衍不息的生物体背后都离不开基因的调控。不同生物的性状千差万别,决定这些性状的基因成千上万,而这些基因存在于染色体上。虽然早在19世纪中期就发现了DNA,随后1958年弗朗西斯·克里克提出的中心法则(DNA制造RNA,RNA制造蛋白质,蛋白质反过来协助前两项流程,并协助DNA自我复制)解释了遗传信息的流动方向,但是,真核生物体内的细胞如何利用基因内存储的信息生产蛋白质的过程并不清楚,直到罗杰·大卫·科恩伯格和他的研究的出现。

  科学之家

  美国生物化学家罗杰·大卫·科恩伯格(Roger David Kornberg),1947年4月24日出生于美国密苏里州圣路易斯的一个犹太家庭。他的父亲阿瑟·科恩伯格(Arthur Kornberg,1918-2007),于1959年获得了诺贝尔生理学或医学奖,是位杰出的生物化学家。

  虽然出生于如此优秀的家庭,但是年少的罗杰和他的两个弟弟并不清楚父亲是名杰出的科学家。他的父亲阿瑟·科恩伯格不想让孩子从小就被光环和压力笼罩而失去独立学习和思考的能力,不过父亲对身份的低调并不影响他对罗杰三兄弟耳提面命的教育以及身体力行的指导。

【诺奖中的“基因”】基因表达如何告别“纸上谈兵”?

罗杰·科恩伯格(右)与父亲阿瑟·科恩伯格(左)

  得益于良好的教育和环境的熏陶,年少的罗杰痴迷于生命科学,12岁就有“在实验室里呆上一个星期”的“梦想”。16岁时,罗杰·大卫·科恩伯格就被哈佛大学录取,并选择了自己最喜欢的化学专业。经过4年的学习,他进一步认识到科学能够对人类和社会进步做出的巨大贡献。随后,他用了5年的时间获得了斯坦福大学的博士学位。此外,罗杰的两位弟弟也很出色,二弟托马斯现为加利福尼亚大学旧金山分校的生物化学和生理学教授。三弟肯尼思·安德鲁虽然是一名建筑师,但其特长就是建造科学实验室。罗杰的妻子雅莉·洛奇也是斯坦福大学医学院副教授,他的家庭是名副其实的“科学之家”。

  子承父业

  罗杰和他的父亲都对生物的遗传密码“DNA”情有独钟。阿瑟·科恩伯格在20世纪50年代中期用实验证明脱氧核糖核酸(DNA)的复制并分离了复制所需的蛋白酶,并获得了诺贝尔奖。但随后的30多年间,真核生物的细胞如何利用基因内储存的信息指导生产和合成蛋白质一直是科学界的谜题,也是萦绕在年轻的罗杰心头的疑问。

  经过多年的研究,2001年,54岁的罗杰发表论文,首次破解了这个多年的难题,他在真核细胞生物中拍摄到了DNA信息如何指导蛋白质合成的动态过程,在一系列照片中,他向全世界展示了DNA分子、聚合酶和信息传递者RNA的精确位置,并描述了真核细胞转录的整个运转情况,使人们更清晰地理解DNA中的遗传信息如何转录并翻译成蛋白质,以及该过程是如何控制的,使基因的表达过程告别“纸上谈兵”。瑞典皇家科学院在一份声明中有如下描述“基因转录过程至关重要,如果转录过程停止,基因信息就不会被转移到机体的各个部位,生命体也将在数天内死亡。”

  基于上述发现,罗杰教授独享了2006年的诺贝尔化学奖。虽然获得诺贝尔奖多天以后罗杰教授仍不敢相信,称自己“还未缓过劲”,但他的父亲似乎早有心理准备,并在斯坦福大学新闻发布会上开玩笑:“我很失望,等它等了这么久”。获奖前后,罗杰教授曾多次访问中国参加学术活动,为我国的生命科学发展建言献策,他也是南京大学等学校的名誉教授。

  无限潜能

  科恩伯格是首位在分子水平上揭示真核生物转录过程如何进行的科学家,这一过程具有医学上的“基础性”作用。因为我们的DNA中包含大量的基因,就像一套超级百科全书,指导着我们生命活动有序进行。当生物体需要利用某一段基因时,它会将这段基因序列从整段DNA序列中“复印”出来,这个过程就是上文提到的转录。但正如现实生活中打印机的“复印”有可能出错一样,基因转录的过程也可能发生紊乱。人类的多种疾病,如癌症、心脏病等,就与这一过程发生紊乱有关。

  理解这一过程有助于人们寻找治疗上述疾病的方法。比如,日本藤田保健卫生大学综合医学研究所的前田明教授研究乳腺癌时发现,在癌症细胞内,从DNA中“复印”出来的信使RNA会被错误的切除掉一部分,从而丢失必要的遗传信息,剩余的遗传信息指导合成的蛋白质也会出现异常。前田明教授指出,如果能够理解并且找到阻止上述错误的办法将能够有效的治疗和预防该癌症。

  此外,深入理解转录过程有助于人们理解干细胞分化过程并进行人为的控制。所谓干细胞,是指能分化成不同种类体细胞的细胞。基于对转录过程的理解,科学家们可以控制和改造干细胞,生产“器官”甚至孕育新生命。例如,中国科学院动物研究所的周琪院士通过人为的干预小鼠细胞的基因转录调控,成功的将小鼠的皮肤细胞“重新编程”改造成全能干细胞,并进一步“孕育”出活蹦乱跳的小鼠。如果社会伦理可以容忍这种细胞技术应用于人类,若干年后,这些技术将能够轻松修补人体受损的组织和器官,治疗多种疾病,极大的促进人类健康事业的发展。因此,如果没有科恩伯格的发现,即便人类获得了基因,也无法知晓其如何调控各种生命活动,上述“潜能”也将难以发生。(本文图片来自网络)

  出品:科普中国

  作者:徐乐天(湖北大学生命科学学院副教授)

  监制:中国农学会 光明网科普事业部

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[ 责编:赵清建 ]
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