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

  • 习近平同俄罗斯总统普京共同会见记者

独家策划

推荐阅读
2026年亚太经合组织(APEC)贸易部长会议将于5月22日至23日在江苏省苏州市举办。苏州高新区镇湖绣娘姚琴华、岳琰创作的苏绣作品《朱荷图》《太湖一梦入姑苏》也一同展出。一根丝,在绣娘手中可以绣出江南山水;在现代工厂里,也可以进入高端面料、工业材料、绿色纤维和全球供应链。
2026-05-21 09:35
残障群体对无障碍环境建设最为敏感、利益最为攸关,但其话语权也相对较弱。不断完善相关法律体系,以充分保障残障群体在无障碍环境建设中各项权利。
2026-05-21 09:33
光,是宇宙中最神秘而又最常见的存在。从彩虹与翅膀的启示,到光子晶体与超材料的设计,人类在光学材料上的探索不断深化,实现了从“理解自然之光”向“设计与驾驭光”的飞跃。
2026-05-21 09:31
全球气候变化加剧,干旱灾害频发,正威胁世界粮食安全。
2026-05-21 09:30
2026年5月21日至23日,中国科学技术馆在河南省科学技术馆举办“全国科学家故事馆校众创展演活动”。
2026-05-21 09:27
近日,中国工程院院士、西安电子科技大学教授段宝岩率领团队自主研制的一对多动目标微波无线传能地面验证系统取得重大突破,在百米级距离实现了千瓦级的直流输出功率,直流—直流传输效率达到20.8%,波束收集效率高达88.0%。
2026-05-20 09:42
5月18日,随着“雪龙2”号凯旋,中国第42次南极考察圆满落下帷幕。
2026-05-20 09:37
逛一座馆,见证玻璃工业百年变迁。参观工业博物馆,一件件展品记录的是中国制造的发展史,是从落后到并跑、领跑的奋斗史。让我们以工业博物馆为支点,撬动工业旅游这个大市场,以工业文化涵养制造强国建设。
2026-05-20 09:34
近日,中国科学院天津工业生物技术研究所(以下简称天津工生所)糖生物合成与绿色制造攻关团队的研究成果被期刊接收。
2026-05-20 09:27
天津市河西区陈塘庄街道社区的医生向我们反馈,预警模式实现了高危人群的精准干预,社区脑卒中发病率与复发率明显下降。
2026-05-20 09:16
“雪龙2”号极地科考破冰船18日抵达上海,这标志着中国第42次南极考察圆满结束。
2026-05-19 09:54
5月18日,中国第42次南极考察圆满结束。中山大学共有4名老师参与本次任务——大气科学学院教授韩博,遥感科学与技术学院副教授梁琦、叶玉芳、王绍银。
2026-05-19 09:53
“琅琊”海洋大模型现已在国家海洋环境预报中心部署测试运行,实现实景应用。这意味着,这个从青岛走出的AI模型,开始真正为国家海洋预报工作贡献力量。
2026-05-19 09:52
打破传统学科分立格局,发挥工科见长优势,以工程需求催生基础研究、以基础研究赋能工科升级。
2026-05-19 09:50
如今,人工智能正在深刻改变着各行各业。多所大学已将人工智能通识课纳入培养方案,面向全体学生开课
2026-05-19 09:49
在5月15日发表于《细胞》的一项研究中,科学家将从菠菜中提取的光合作用系统移植到小鼠眼中,它能够将光转化为携带能量的分子,从而有效抑制炎症。新加坡国立大学的生物纳米技术专家邢阔然(音)和同事开展的这项研究受到了海蛞蝓的启发,后者能够从藻类中窃取光合作用的机制。
2026-05-18 09:19
标志着奶山羊生物育种迈入世界前列。
2026-05-18 09:14
每一针疫苗、每一瓶点滴,在进入人体前,都必须跨过一道生命红线。
2026-05-18 05:15
利用场景化教学将教室小课堂延伸向社会大课堂,让思政教育“走新”更“走心”。
2026-05-18 05:15
近年来,在应对全球气候变化、保障粮食和重要农产品稳定安全供给基础上,我国积极推进农业农村减排固碳,系统构建气候韧性农业科技战略体系,
2026-05-18 04:05
加载更多