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2015诺贝尔化学奖揭示生命奥秘
来源:学习时报    作者:胡明艳    2015-11-14 15:35:52

  诺贝尔化学奖的评选昭示了当下国际化学乃至整个自然科学研究的一种趋势。随着社会需求和科学的发展,既有学科之间的界限正在模糊,新的领域正在形成。

  2015年诺贝尔化学奖三位得主分别是任职于英国弗兰西斯克里克学院的瑞典人托马斯·林道尔、任职于美国杜克大学医学院的美国人保罗·莫德里奇和任职于北卡罗来纳州大学教堂山分校的土耳其人阿奇兹·桑卡。三人获奖的原因是他们从分子水平上发现和阐明了生物保持遗传信息清晰正确的机制——DNA(脱氧核糖核酸)修复机制。

  众所周知,DNA是一种具有双螺旋结构的分子,可组成遗传指令,引导生物发育与生命机能运作,是绝大多数生物存储其遗传信息并传递给后代的手段。对于人类来说,我们都来自一颗精子中的23条染色体和一颗卵子中的23条染色体的结合。它们形成了一个人基因的最初版本,决定了一个人所有的体貌特征。当受精卵开始分裂时,其中的DNA分子随之开始被复制,子细胞由此获得了一整套染色体。随后,2个受精卵继续分裂成4个,4个再分裂成8个。如此一周之后,一个人类胚胎就包含了128个细胞。每个细胞都携带了决定今天我们这幅容貌的遗传物质。如果把其中携带遗传物质的DNA分子全部展开,可以延展至300米长。在胚胎长大成人的路途中,超过数十亿次的分裂还会发生,直至我们身上百万兆个细胞中携带了足够多的DNA分子。如果把这些DNA分子的长度延展开来的话,足以从地球到太阳往返250次。

  地球生命的伟大在于:即便我们的遗传物质被复制了这么多次,最近一次的复制也与受精卵所产生的原初物质极其相似。要知道,从化学的观点看,这是不可能的。因为所有的化学过程都很容易发生随机错误。而动物细胞中的基因组每天要发生数千次的自发变化。每当细胞产生分裂、DNA发生复制的时候,都会产生缺陷。这样的事情在人体中每天都会上演数百万次。如果所有这些错误未得到修正,那么,我们的遗传物质就会同我们身体细胞中的原初染色体大相径庭。甚至在发育成一个胚胎许久之前,生物体就会变成一场化学混乱。除此之外,每一天,动物细胞中的DNA都会在太阳的紫外辐射、自由基和其他致癌物质的作用下产生损伤。那些变异的或受损的DNA也会引发癌症。这正是动物为何会衰老的一个原因,也是诸如囊肿性纤维化和血友病等遗传疾病产生的原因。可让人们惊奇的是,我们体内的各种遗传物质并没有因此瓦解,也没有演变成一场化学混乱,我们患癌症的几率也没有那么普遍。这是怎么回事呢?

  事实上,直到20世纪60年代末70年代初,科学家们都一直认为,作为生命蓝图的DNA本身不可能经常改变,否则多细胞生命形式就无法据此演化。所以,DNA是一种非常稳定的分子。然而,当时在美国普林斯顿大学从事RNA(核糖核酸)分子研究的托马斯·林道尔发现,当加热RNA时,不可避免地会导致分子的迅速衰变。这引起了林道尔对学界共识的怀疑:如果RNA在受热时会被迅速摧毁,那么,DNA分子真的能够终生稳定吗?几年后,林道尔来到瑞典斯德哥尔摩卡洛琳斯卡研究所从事博士后研究,通过实验证实了自己的怀疑:当从细胞中隔离出来的时候,DNA会非常迅速地发生衰变直至瓦解。按此衰变速率,地球上应该没有什么生物能够存在并发展下来。但事实是,地球上的生物不仅生存了下来而且生机勃勃,那么,这里就一定存在某种修复机制。通过进一步研究,托马斯·林道尔发现DNA的确会以某种方式修复自己。具体地,他发现了一种去除DNA受损细胞的细菌酶。随后,他又发现了一个利用类似的酶持续修复受损DNA的过程,即“碱基切除修复”,可以修复100多种DNA损伤。

  在林道尔工作的基础上,阿奇兹·桑卡绘制出了“核苷酸切除修复”机制。他发现,细胞正是运用此机制来修复紫外损伤这一自然界对DNA最常见的损伤。基本上,我们的细胞可以切除被紫外光损害的DNA部分,用新的DNA取代之。细胞还可利用此机制修复致突变物或其他物质引起的DNA损伤。

  与此同时,保罗·莫德里奇发现了另一种细胞自我修复机制,那就是,细胞可以通过一个叫作“错配修复”的机制来纠正复制错误,从而让DNA复制出错几率下降了一千倍。如果有人先天缺失错配修复机制,可导致癌症的发生,例如遗传性结肠癌。

  上述三项发现共同导向的结论是,细胞可以持续地修复DNA损伤。这些成果完全改变了科学共同体对细胞生物学基础和DNA的理解,并为进一步研究这些修复机制如何失败从而导致包括癌症、新陈代谢和神经紊乱等疾病以及与衰老有关的其他问题奠定了基础。目前,人们关于细胞如何工作的知识,已被用来研发新型治疗癌症的方法,例如,用于治疗晚期卵巢癌的新药奥拉帕尼。

  对此,诺贝尔化学奖评选委员会在颁奖时给予了高度评价:“每天,(这些细胞修复过程)修复了由太阳、香烟烟雾或者其他对基因有毒的物质所造成的成千上万的DNA损伤;它们持续抵御着DNA的自发变化。对于每个细胞分裂,错配修复都纠正了几千个错配。没有这些修复机制,我们的基因组就会崩溃。”在这个意义上,我们可以说,地球上之所以能够呈现“鱼翔浅底、鹰击长空、万类霜天竞自由”的盎然生机,完全仰赖于DNA的修复机制。

  虽然上述三位获奖者的工作非常重要,但是不少化学家看到瑞典皇家科学院的公告之后,难免心生疑虑:今年的化学奖获得者的成就难道不更像是生物学方面的吗?就连获奖者阿奇兹·桑卡本人也一直认为自己如果能够获诺贝尔奖,应该是生理学或医学奖。在今年的诺贝尔生理学或医学奖公布后,他本以为今年自己已无获奖希望了,以至于当他得知自己荣获2015年诺贝尔化学奖后,吃惊到语无伦次。

  这反映出了诺贝尔化学奖评选的一个有趣现象:本来诺贝尔化学奖是为了表彰前一年中在化学领域有最重要发现或发明的人,然而,获得化学奖的人常常并不来自化学领域,而往往颁发给了物理学家和生物学家。例如,1908年的诺贝尔化学奖就授予了“原子核物理学之父”欧内斯特·卢瑟福。2014年,美国的白兹格、莫尔纳尔和德国的黑尔,三个看起来像是物理学家的人,因为突破了光学显微镜的分辨率极限而分享了当年的诺贝尔化学奖。在过去十年中,诺贝尔化学奖有5次颁发给了那些似乎更像是生物学的研究。最著名的,莫过于英国生物化学家弗雷德·桑格尔。他是目前唯一一位两次斩获诺贝尔化学奖的科学家。可他两次获奖均因为他的生物学研究,一次是因为完整测定了胰岛素的氨基酸序列,证明蛋白质具有明确构造,另一次是提出了测定DNA序列的方法。事实上,有统计指出,这是100多年来,诺贝尔化学奖第51次颁发给生物化学领域的科学家了。相较而言,另外2个诺贝尔自然科学类奖项——生理学或医学奖以及物理学奖则似乎更加名副其实。如何理解这种现象呢?

  也许我们可以回溯到阿尔弗雷德·诺贝尔1895年在遗嘱中设立诺贝尔奖的时代,找到一些历史原因。彼时,生物学尚处在幼年阶段,远非今日这般成为自然科学中的显学。今日,主持诺贝尔奖评选的瑞典皇家科学院必须尊重诺贝尔本人的遗愿。于是,诺贝尔化学奖就似乎成了在遵守诺贝尔意愿的同时,表彰非医学类的最佳生物学研究的一种方式。

  但更重要的是,诺贝尔化学奖的评选昭示了当下国际化学乃至整个自然科学研究的一种趋势。随着社会需求和科学的发展,既有学科之间的界限正在模糊,新的领域正在形成。就生命科学领域而言,已经涌入了越来越多的化学家,尝试用化学的方法解决生物学的问题。其他原本间隔较大的学科之间进行交叉,也会因为本身就是一个新领域,容易做出新发现。多学科交叉已经成为科学创新的重要途径。相比之下,我国在分析化学、材料化学等“纯化学”领域发展势头迅猛,但尚未对利用多学科交叉方法原创性地解决问题引起足够重视。或许,今年诺贝尔化学奖可以为中国化学家乃至整个科学界带来一种新的研究思路。

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