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

  • 西安东站金属屋面顺利封顶

  • 探访上海首家银发商店 感受银发经济新活力

独家策划

推荐阅读
从中国地质调查局获悉,由该局广州海洋地质调查局自主研发的国内首台海底地层空间立体钻探与原位监测机器人,日前在南海1264米水深海域成功完成试验作业,各项性能全面达标,标志着我国深海勘探与地层原位监测技术取得重要突破。
2026-01-16 03:45
15日,国际学术期刊《自然》发表中国科研团队重大成果——由中国科学院大学主导、广西大学等多单位联合攻关的团队,首次直接观测到中子碰撞中的米格达尔效应,为人类搜寻轻暗物质粒子打开关键突破口,标志着我国在基础物理与探测器技术领域跻身国际前沿。
2026-01-16 03:45
15日12时01分,我国在酒泉卫星发射中心使用长征二号丙运载火箭成功将阿尔及利亚遥感三号卫星A星发射升空,卫星顺利进入预定轨道,发射任务取得圆满成功。
2026-01-16 03:45
进一步促进青年科技人才脱颖而出,需要凝聚多方合力、强化协同联动,从制度供给、环境营造、资源倾斜等方面精准施策、一体推进。
2026-01-16 03:45
展望未来,随着相关实践的不断普及和深化,数智赋能的流动公共服务将更加可及、公平普惠、精准高效,并为推进国家治理体系和治理能力现代化注入更多动能。
2026-01-16 03:45
中国医学科学院血液病医院(中国医学科学院血液学研究所)主任医师施均、研究员熊海清为通讯作者,博士后李若难、主治医师潘虹、主治医师张乐乐和研究生马佳秀为共同第一作者。
2026-01-16 09:04
他们提出一种全新多物理域融合计算系统,可利用后摩尔新器件支持傅里叶变换,使算力提升近4倍,为具身智能、通信系统等领域开辟新的可能。
2026-01-15 04:05
2025年11月,中国载人航天工程启动第一次应急发射任务,并取得圆满成功。此次任务,源于神舟二十号飞船疑似遭到空间微小碎片的撞击,返回任务被迫按下紧急“暂停键”。
2026-01-15 04:55
现代人工智能是先进计算的产物,也是赋能千行百业的技术。从早期符号主义在有限算力下的踯躅前行,到神经网络思想历经沉浮,直至大数据与图形处理器(GPU)的邂逅,
2026-01-15 04:55
项目骨干成员、中国科学院大学教授郑阳恒表示,团队还将与暗物质探测实验团队合作,将此次实验结果融入下一代探测器的研发中。
2026-01-15 09:03
对于娱乐及部分消费产业而言,当前的人形机器人还不适合作为长期自有资产,更适合通过“租赁+技术服务”的方式使用。
2026-01-15 09:02
最终,他们模拟出一种外形稳定的氰化氢晶体,其外形为顶端多面、底部圆润的圆柱体,长度约450纳米,整体形状类似切割后的宝石。
2026-01-15 09:00
从中国地震局获悉,近日,在离岸80千米的三峡江苏大丰海上风电场,全国首个海底综合地震电磁监测台站建成,这标志着我国地球物理场监测台网向海域拓展取得新进展。
2026-01-15 04:05
你有没有感觉,这些年的春天来得越来越不规律了?相比过去,有的地方春来早,有的地方春迟到。这不是你的错觉,全球变暖正导演着一场波及整个北半球的“春日变奏曲”。
2026-01-14 02:55
布局未来产业,要统筹经济性与战略性,综合考虑绝对优势和比较优势,深耕细分赛道,探索各具特色的发展路径和模式。
2026-01-14 09:03
实现了育种加代方法的颠覆性创新,整体上达到国际领先水平。
2026-01-14 19:12
相关研究成果发表于《植物生物技术》,为光信号驱动的绿色农业技术创新提供了全新思路。
2026-01-14 19:12
“十四五”以来,生态环境部卫星遥感监测能力显著提升,目前已在轨运行7颗生态环境卫星,初步构建起多星联动的生态环境卫星遥感监测体系。
2026-01-14 09:03
作为钢铁生产核心工序,高炉占生产总成本的70%左右,其长期稳定运行直接关系企业盈利状况。经过攻关,宝钢股份高炉AI大模型对炉温等关键指标的预测准确率达90%,实现对内部状态的高精度、高时效性感知。
2026-01-14 09:02
1月13日23时25分,我国在海南商业航天发射场使用长征八号甲运载火箭,成功将卫星互联网低轨18组卫星发射升空,卫星顺利进入预定轨道,发射任务获得圆满成功。
2026-01-14 09:01
加载更多