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

  • 习近平在上海考察

  • 神舟十九号载人飞行任务取得圆满成功

独家策划

推荐阅读
“对服装面料而言,防水和透气本是矛盾体,但我们采用高分子膜贴合技术,做到了既防水又透气。包括上述小程序在内,柯桥织造印染产业大脑已集成190多个应用,入驻企业4000多家,注册工程师11万多人,接入生产核心设备3万多台套。
2025-04-30 09:00
轻舟,顾名思义,以个头小、重量轻为最大特点。轻舟货运飞船副总设计师吴会英告诉记者,轻舟重量约5吨,目前的上行运力为1.8吨以上,下行为2吨。装载容积约9立方米,货物舱的体积为27立方米,可搭载航天员生活物资、科学实验设备、科学载荷等。
2025-04-30 05:10
4月29日4时10分,我国在文昌航天发射场使用长征五号乙运载火箭/远征二号上面级,成功将卫星互联网低轨03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。
2025-04-30 05:10
近日,我国天都一号通导技术试验星成功完成白天强光干扰条件下的地月空间激光测距技术试验,在国际上首次打破地月空间卫星激光测距仅能在夜晚作业的时间限制,标志着我国在深空轨道精密测量领域取得技术新突破。
2025-04-30 05:10
搭载该模型的AI手机、智能屏幕、陪伴机器人“AI智伴小熊”等产品,为用户带来更加个性化、智能化的生活体验。
2025-04-30 09:04
(夏婷,中国科协创新战略研究院创新环境研究所副所长、副研究员)
2025-04-29 12:58
北京正推进“超高清入户行动”,推进有线电视超高清机顶盒全面置换,“计划于6月底完成标清机顶盒的置换目标”。
2025-04-29 09:10
脂肪组织中隐藏着一群脂肪细胞祖细胞,它们负责制造新的脂肪细胞。更令人惊讶的是,随着年龄的增长,APC还会进化成一种更为强大的“超级工匠”——年龄特异性定型前脂肪细胞(CP-A)。
2025-04-29 09:51
近日,中国农业科学院农业质量标准与检测技术研究所(以下简称“质标所”)农业环境污染物研究室成功研发出全球首套面源污染智能监测系统。
2025-04-29 09:50
一位老人站在秧田里,大喊一声“拔秧哦”,弯腰拔起第一把秧苗。众人齐声应和,大声喊:“风调雨顺,五谷丰登。”秧田里,一排人将秧苗拔起,担到打过格子的稻田里,整整齐齐插好。
2025-04-29 06:30
2024年,全国生态环境质量持续改善,环境安全形势保持稳定,公众生态环境满意度达91.24%,连续4年超过90%。
2025-04-29 09:07
把青春奋斗融入党和人民事业,青春才会绽放绚丽光彩。
2025-04-29 09:28
人形机器人是人工智能赋能新型工业化的高级载体。
2025-04-29 09:14
基本建成国家语言文字大数据中心,初步建成国家关键语料库和国家战略语言资源信息库。
2025-04-29 09:13
“让学生在自然中领悟生命科学的魅力,在实践中锤炼强农兴农的本领。”
2025-04-28 16:42
雨水浸入土壤,导致土壤中的氧气骤减,蚯蚓爬出地面吸取新鲜空气;大雨过后枯枝落叶、微生物等有机物增加,也为蚯蚓提供了更多觅食机会  这几天,南方多地降雨。蚯蚓因无专门的呼吸器官,其呼吸依赖皮肤与土壤孔隙中的氧气进行交换,雨水浸入土壤后往往会占据大部分孔隙,导致土壤缝隙里的氧气骤减。
2025-04-28 10:08
2011年初,团队成员、硕士研究生周何乐子参与塑料及其复合材料数字化成形项目研发。周何乐子和年轻的团队成员没有因此退缩,历经5年攻关,最终攻克了塑料及其复合材料数字化成形的一系列关键智能技术。
2025-04-28 10:02
早上7点,安徽师范大学生命科学学院教授黄松准时踏进办公室,开始一天的工作。目前,黄汝怡在上海海洋大学攻读蛇类学博士学位,“现在连她导师的办公室都成了她的‘养殖场’”。
2025-04-28 10:01
4月的鼎湖山,清晨还带着寒意,黄忠良已经走进了林子。1956年6月30日,中国科学院华南植物研究所(中国科学院华南植物园前身)在广东肇庆建立鼎湖山国家级自然保护区,这是中国首个自然保护区,也是唯一隶属中国科学院的保护区。
2025-04-28 10:01
160年前,欧洲生物学家孟德尔通过杂交实验研究豌豆的花色、果荚颜色等七大性状的遗传变异,发现了遗传学三大基本规律中的两个——分离规律和自由组合规律,奠定了现代遗传学的基础。
2025-04-28 09:30
加载更多