点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:【诺奖中的“基因”】DNA修复的“工具箱”里都有啥?
首页> 科普频道> 三农科普> 基因故事 > 正文

【诺奖中的“基因”】DNA修复的“工具箱”里都有啥?

来源:光明网2020-09-25 17:37

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  【诺奖中的“基因”】

  在日常生活中,物品会随着使用频次和使用时间的增加出现破损。不过,修理工人可以利用“工具箱”对其进行修理。生物体亦是如此,随着年龄的增长,动物的器官也会出现损伤,医生们则通过各种器具和医疗手段尝试修复。

  如果我们把目光聚焦于微观世界,情况会是怎样的呢?众所周知,生物的遗传信息储存于DNA(脱氧核糖核酸)中,他们依赖于DNA的稳定保存与精确复制完成个体生长和种群的繁衍。一旦DNA的真实性和完整性受到影响,就很可能出现威胁到个体的自身健康或不利于后代生存的基因突变。DNA被日复一日、长达几十年的“使用”,其会出现损伤吗?如果出现损伤,又该如何进行修复呢?

  无处不在的危险

  上世纪70年代之前,科学界普遍认为DNA是一种极其稳定的分子,从而保证了生物体精密的运转。然而,生物体每时每刻都面临着身体外部和内部因素的干扰。外部因素例如:紫外线的照射、空气或食物中的致癌物质、其他生物体如病毒的浸染等。上述原因都有可能导致DNA的损伤。身体内部的一些因素也会导致DNA损伤,例如,体内自由基的影响;DNA复制过程中,其组成成分核苷酸出现的错配;基因的信息在进行转录过程中,DNA双螺旋打开和基因剪切过程造成的DNA损伤等。可谓“危险无处不在”。

  为应对这些情况,生命体在漫长的进化历程中获得了自己的“工具箱”——DNA损伤修复,对各种DNA损伤进行针对性修复,从而保证遗传物质的精确与稳定。为了了解这一精细的过程,托马斯·林达尔、阿齐兹·桑贾尔、保罗·莫德里奇等研究先驱们通过几十年如一日孜孜不倦的研究,揭示了包括切除修复、错配修复等一系列DNA损伤修复“工具”及其工作原理,在该领域做出了突出贡献,并因此获得了2015年诺贝尔化学奖。

【诺奖中的“基因”】DNA修复的“工具箱”里都有啥?

2015年诺贝尔化学奖得主托马斯·林达尔(左)、阿齐兹·桑贾尔(中)、保罗·莫德里奇(右)

  修复DNA的“工具箱”

  诺贝尔评选委员会给予他们如下评价:“这三位科学家在分子水平上描绘了这些基本机制,他们的系统性研究对理解细胞的工作机制作出了决定性贡献。与此同时,也让我们理解了几种遗传性疾病的原因,以及癌症和衰老背后的机制”。那么,他们具体发现了怎样的DNA修复机制呢?

  托马斯·林达尔在对细菌的研究中发现,DNA分子并没有想象中的那么稳定。他发现DNA的4种组成碱基之一的胞嘧啶很容易失去氨基,形成受损的胞嘧啶,如果这种缺陷得以持续,DNA在进行复制时就会出现变异。好在DNA糖基化酶会立刻识别损伤的部位,将它们与糖苷键切断,并配合核酸内切酶和DNA聚合酶完成修复。上述过程被称为“碱基切除修复”。

  阿齐兹·桑贾尔的发现也与细菌有关:1976年的一天,他发现当细菌暴露在紫外线辐射下时会受到严重的损害,如果用可见蓝光照射它们,它们会突然恢复。围绕这个现象,桑贾尔发现了“核苷酸切除修复”机制。他通过一系列精巧的试验设计,发现了UvrA、UvrB和UvrC三种酶。其中,UvrA和UvrB负责识别DNA损伤部位,UvrC则负责切除。最后通过DNA聚合酶以及DNA连接酶完成最终的修复。

  另外一位获奖的科学家保罗·莫德里奇发现的则是“DNA错配修复机制”。这一过程也需要三种酶的参与:MutS,MutH和MutL。其中,MutS准确定位发生错配的区域,MutH识别DNA并且与之结合,MutL则负责将MutS和MutH连接形成环状复合物,随后由MutH切除错配的碱基。上述工具可以修复DNA复制过程中出现的碱基错配。

  广阔的应用前景

  研究DNA修复的分子机制具有广阔的应用前景,其首要价值是有助于抗肿瘤药物及治疗手段的开发。基因表达和肿瘤的发生有着千丝万缕的关系。肿瘤细胞的产生,源于基因突变不断累积。此外,某个器官的细胞出现损伤修复的次数越多,其出现肿瘤的概率则越大。如在吸烟人群体内,尼古丁容易造成肺支气管上皮细胞损伤,损伤之后出现修复,如此反复几十年,某一次突变导致了肺癌的发生。再如反流性食管炎的病人反复的胃酸反流至食管造成腐蚀、修复、腐蚀的循环,会加速食管上皮细胞的变异,导致贲门癌。

  如果科学家们能找到办法,提高人体的基因修复能力,减少突变的发生,将可以降低肿瘤的发生概率。目前多数常用的广谱抗肿瘤化疗药物,其基本原理多是通过诱导肿瘤细胞出现DNA损伤,抑制其DNA复制并诱导凋亡,从而杀死癌变细胞。

  根据DNA损伤修复的原理,科学家们或可进一步优化化疗药物,使其有效性更高、靶向性更强的杀死肿瘤细胞,避开正常细胞,从而提高药物治疗效果。此外,科学研究表明,人类的衰老与基因组的稳定性密切相关,如果能开发出促进DNA修复的药物,让人体基因组的DNA长期稳定,则有望“永驻青春”。

  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

[ 责编:张佳兴 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 速度与未来!世界高铁大会看中国列车如何“领跑”

  • 中国科学院发布嫦娥六号月球样品系列研究成果

独家策划

推荐阅读
由于肉眼很难发现水污染的情况,洪水之后饮水需要特别注意,避免直接饮用自来水、山泉水、河水、湖水等。肖丹提醒,如果不适症状较为严重,出现持续高热、剧烈呕吐、严重腹泻、脱水、意识障碍等,或皮肤干燥、眼窝凹陷、少尿等情况,应及时就医。
2025-07-10 09:34
国家自然科学基金委员会近日发布消息,自然科学基金委制定重大非共识项目试点实施方案,将在2025年启动资助试点。自然科学基金委作为我国资助基础研究的主渠道,制定了一系列创新举措。
2025-07-10 09:33
嫦娥六号月球样品的相关研究成果,引起了国际学术界的高度关注。这1935.3克宝贵的月壤,使得月球样品研究进入“嫦娥时代”,开启了人类认识月球的新纪元,也为中国月球研究走向世界前列奠定了基础。 一年来,中国科学家们已经利用嫦娥六号月球样品取得许多科学突破。
2025-07-10 09:32
2024年嫦娥六号任务首次从南极-艾特肯盆地内部采回月球样品,为揭示该区域物质成因提供了直接证据。综合元素和矿物组成分析,南极-艾特肯盆地镁环物质主要为斜长石(63%~67%)和低钙辉石(25%~27%)组成的亚铁苏长岩。
2025-07-10 09:32
7月9日,在北京航天城,神舟十九号航天员蔡旭哲(中)、宋令东(右)、王浩泽在记者见面会上敬礼致意。 在神舟十九号乘组中,航天员王浩泽也是一位90后,更成为首位进驻空间站的女航天飞行工程师。
2025-07-10 09:30
随着科技创新与产业创新深度融合,人工智能技术助力建材行业向更智能、更绿色、更高端方向变革。“通过数字化转型,建材企业可基本实现研发设计数字化、生产运营一体化、客户服务敏捷化,提升决策效率、协同能力和服务水平,快速提升生产力和核心竞争力。
2025-07-09 09:40
记者8日从湖南省自然资源厅获悉,通过创新地质找矿理论,经过长期勘探,湖南省郴州市临武县鸡脚山矿区已探获超大型蚀变花岗岩型锂矿床,共提交锂矿石量4.9亿吨,氧化锂资源量131万吨。
2025-07-09 09:39
根据国家卫生健康委8日晚间发布的通知,今后“颈深淋巴管/结—静脉吻合术”将不得应用于阿尔茨海默病治疗。“颈深淋巴管/结—静脉吻合术”是将颈部深层淋巴管或淋巴结与邻近的静脉进行吻合的手术,近年来部分医疗机构将其用于治疗阿尔茨海默病,引发争议。
2025-07-09 09:39
国家发展改革委、工业和信息化部、国家能源局日前发布《关于开展零碳园区建设的通知》。支持企业对标标杆水平和先进水平,实施节能降碳改造和用能设备更新,鼓励企业建设极致能效工厂、零碳工厂。
2025-07-09 09:37
近日,中国科学院近代物理研究所科研人员依托兰州重离子加速器冷却储存环,精确测量了极缺中子原子核硅-22的质量,实验发现硅-22的质子数14是一个新幻数。
2025-07-09 09:35
国家自然科学基金委员会7日发布消息,自然科学基金委近日制定重大非共识项目试点实施方案,将在2025年启动资助试点。
2025-07-08 09:20
近日,由农业农村部南京农业机械化研究所联合有关单位研制的全自动水稻覆膜插秧技术装备在江苏省靖江市投入使用,开启了我国水稻覆膜插秧新模式。
2025-07-08 09:11
日前,全球领先的720V高压固态钠盐电池,在位于内蒙古自治区鄂尔多斯市达拉特旗的建亨奥能科技有限公司正式量产,标志着中国成为全球第三个实现固态钠盐电池商用量产的国家。
2025-07-08 09:10
从国家自然科学基金委员会获悉,该委日前制定了重大非共识项目试点实施方案,将在2025年启动资助试点。
2025-07-08 05:05
什么是聚乳酸材料,在取代传统石化基塑料材料方面又有着怎样的优势?本期院士科普,让我们跟随中国科学院院士陈学思,一起走进生物降解高分子材料——聚乳酸的奇妙世界。
2025-07-07 14:19
科技的力量正让农民从传统体力劳动者向掌控全局的智慧决策者转变。
2025-07-07 12:33
在未来数十年,熟练使用人工智能很可能成为大多数职业的必备技能,并深刻影响就业市场。作为经济土壤中的“超级肥料”,新技术既带来传统岗位的替代,更促进新兴产业发展,直接创造新的岗位需求。
2025-07-07 09:12
抽水蓄能机组主要由发电电动机和水泵水轮机组成,利用山上山下两个水库进行水能和电能相互转换。
2025-07-07 09:11
回溯歼—10飞机研制历程,从立项、首飞到定型,历经数十载,“三滴油”看起来微不足道,却更加说明创新需要点滴用心、长期耕耘。
2025-07-07 09:10
加载更多