基因表達如何告別病毒（基因表達如何告別）

2023-10-07 04:32:27

【諾獎中的「基因」】

得益於義務教育的普及和科普工作的開展，提到基因、DNA、染色體等名詞時，大家不再陌生。地球上繁衍不息的生物體背後都離不開基因的調控。不同生物的性狀千差萬別，決定這些性狀的基因成千上萬，而這些基因存在於染色體上。雖然早在19世紀中期就發現了DNA，隨後1958年弗朗西斯·克裡克提出的中心法則（DNA製造RNA，RNA製造蛋白質，蛋白質反過來協助前兩項流程，並協助DNA自我複製）解釋了遺傳信息的流動方向，但是，真核生物體內的細胞如何利用基因內存儲的信息生產蛋白質的過程並不清楚，直到羅傑·大衛·科恩伯格和他的研究的出現。

科學之家

美國生物化學家羅傑·大衛·科恩伯格（Roger David Kornberg），1947年4月24日出生於美國密蘇裡州聖路易斯的一個猶太家庭。他的父親阿瑟·科恩伯格（Arthur Kornberg，1918-2007），於1959年獲得了諾貝爾生理學或醫學獎，是位傑出的生物化學家。

雖然出生於如此優秀的家庭，但是年少的羅傑和他的兩個弟弟並不清楚父親是名傑出的科學家。他的父親阿瑟·科恩伯格不想讓孩子從小就被光環和壓力籠罩而失去獨立學習和思考的能力，不過父親對身份的低調並不影響他對羅傑三兄弟耳提面命的教育以及身體力行的指導。

羅傑·科恩伯格（右）與父親阿瑟·科恩伯格（左）

得益於良好的教育和環境的薰陶，年少的羅傑痴迷於生命科學，12歲就有「在實驗室裡呆上一個星期」的「夢想」。16歲時，羅傑·大衛·科恩伯格就被哈佛大學錄取，並選擇了自己最喜歡的化學專業。經過4年的學習，他進一步認識到科學能夠對人類和社會進步做出的巨大貢獻。隨後，他用了5年的時間獲得了史丹福大學的博士學位。此外，羅傑的兩位弟弟也很出色，二弟託馬斯現為加利福尼亞大學舊金山分校的生物化學和生理學教授。三弟肯尼思·安德魯雖然是一名建築師，但其特長就是建造科學實驗室。羅傑的妻子雅莉·洛奇也是史丹福大學醫學院副教授，他的家庭是名副其實的「科學之家」。

子承父業

羅傑和他的父親都對生物的遺傳密碼「DNA」情有獨鍾。阿瑟·科恩伯格在20世紀50年代中期用實驗證明脫氧核糖核酸（DNA）的複製並分離了複製所需的蛋白酶，並獲得了諾貝爾獎。但隨後的30多年間，真核生物的細胞如何利用基因內儲存的信息指導生產和合成蛋白質一直是科學界的謎題，也是縈繞在年輕的羅傑心頭的疑問。

經過多年的研究，2001年，54歲的羅傑發表論文，首次破解了這個多年的難題，他在真核細胞生物中拍攝到了DNA信息如何指導蛋白質合成的動態過程，在一系列照片中，他向全世界展示了DNA分子、聚合酶和信息傳遞者RNA的精確位置，並描述了真核細胞轉錄的整個運轉情況，使人們更清晰地理解DNA中的遺傳信息如何轉錄並翻譯成蛋白質，以及該過程是如何控制的，使基因的表達過程告別「紙上談兵」。瑞典皇家科學院在一份聲明中有如下描述「基因轉錄過程至關重要，如果轉錄過程停止，基因信息就不會被轉移到機體的各個部位，生命體也將在數天內死亡。」

基於上述發現，羅傑教授獨享了2006年的諾貝爾化學獎。雖然獲得諾貝爾獎多天以後羅傑教授仍不敢相信，稱自己「還未緩過勁」，但他的父親似乎早有心理準備，並在史丹福大學新聞發布會上開玩笑：「我很失望，等它等了這麼久」。獲獎前後，羅傑教授曾多次訪問中國參加學術活動，為我國的生命科學發展建言獻策，他也是南京大學等學校的名譽教授。

無限潛能

科恩伯格是首位在分子水平上揭示真核生物轉錄過程如何進行的科學家，這一過程具有醫學上的「基礎性」作用。因為我們的DNA中包含大量的基因，就像一套超級百科全書，指導著我們生命活動有序進行。當生物體需要利用某一段基因時，它會將這段基因序列從整段DNA序列中「複印」出來，這個過程就是上文提到的轉錄。但正如現實生活中印表機的「複印」有可能出錯一樣，基因轉錄的過程也可能發生紊亂。人類的多種疾病，如癌症、心臟病等，就與這一過程發生紊亂有關。

理解這一過程有助於人們尋找治療上述疾病的方法。比如，日本藤田保健衛生大學綜合醫學研究所的前田明教授研究乳腺癌時發現，在癌症細胞內，從DNA中「複印」出來的信使RNA會被錯誤的切除掉一部分，從而丟失必要的遺傳信息，剩餘的遺傳信息指導合成的蛋白質也會出現異常。前田明教授指出，如果能夠理解並且找到阻止上述錯誤的辦法將能夠有效的治療和預防該癌症。

此外，深入理解轉錄過程有助於人們理解幹細胞分化過程並進行人為的控制。所謂幹細胞，是指能分化成不同種類體細胞的細胞。基於對轉錄過程的理解，科學家們可以控制和改造幹細胞，生產「器官」甚至孕育新生命。例如，中國科學院動物研究所的周琪院士通過人為的幹預小鼠細胞的基因轉錄調控，成功的將小鼠的皮膚細胞「重新編程」改造成全能幹細胞，並進一步「孕育」出活蹦亂跳的小鼠。如果社會倫理可以容忍這種細胞技術應用於人類，若干年後，這些技術將能夠輕鬆修補人體受損的組織和器官，治療多種疾病，極大的促進人類健康事業的發展。因此，如果沒有科恩伯格的發現，即便人類獲得了基因，也無法知曉其如何調控各種生命活動，上述「潛能」也將難以發生。（本文圖片來自網絡）

出品：科普中國

作者：徐樂天（湖北大學生命科學學院副教授）

監製：中國農學會 光明網科普事業部