2015諾貝爾化學獎揭示生命奧秘

胡明艷

2015諾貝爾化學獎揭示生命奧秘

胡明艷

諾貝爾化學獎的評選昭示了當下國際化學乃至整個自然科學研究的一種趨勢。隨著社會需求和科學的發(fā)展，既有學科之間的界限正在模糊，新的領域正在形成。

2015年諾貝爾化學獎三位得主分別是任職于英國弗蘭西斯克里克學院的瑞典人托馬斯·林道爾、任職于美國杜克大學醫(yī)學院的美國人保羅·莫德里奇和任職于北卡羅來納州大學教堂山分校的土耳其人阿奇茲·?？āＨ双@獎的原因是他們從分子水平上發(fā)現(xiàn)和闡明了生物保持遺傳信息清晰正確的機制——DNA（脫氧核糖核酸）修復機制。

眾所周知，DNA是一種具有雙螺旋結構的分子，可組成遺傳指令，引導生物發(fā)育與生命機能運作，是絕大多數(shù)生物存儲其遺傳信息并傳遞給后代的手段。對于人類來說，我們都來自一顆精子中的23條染色體和一顆卵子中的23條染色體的結合。它們形成了一個人基因的最初版本，決定了一個人所有的體貌特征。當受精卵開始分裂時，其中的DNA分子隨之開始被復制，子細胞由此獲得了一整套染色體。隨后，2個受精卵繼續(xù)分裂成4個，4個再分裂成8個。如此一周之后，一個人類胚胎就包含了128個細胞。每個細胞都攜帶了決定今天我們這幅容貌的遺傳物質。如果把其中攜帶遺傳物質的DNA分子全部展開，可以延展至300米長。在胚胎長大成人的路途中，超過數(shù)十億次的分裂還會發(fā)生，直至我們身上百萬兆個細胞中攜帶了足夠多的DNA分子。如果把這些DNA分子的長度延展開來的話，足以從地球到太陽往返250次。

地球生命的偉大在于：即便我們的遺傳物質被復制了這么多次，最近一次的復制也與受精卵所產生的原初物質極其相似。要知道，從化學的觀點看，這是不可能的。因為所有的化學過程都很容易發(fā)生隨機錯誤。而動物細胞中的基因組每天要發(fā)生數(shù)千次的自發(fā)變化。每當細胞產生分裂、DNA發(fā)生復制的時候，都會產生缺陷。這樣的事情在人體中每天都會上演數(shù)百萬次。如果所有這些錯誤未得到修正，那么，我們的遺傳物質就會同我們身體細胞中的原初染色體大相徑庭。甚至在發(fā)育成一個胚胎許久之前，生物體就會變成一場化學混亂。除此之外，每一天，動物細胞中的DNA都會在太陽的紫外輻射、自由基和其他致癌物質的作用下產生損傷。那些變異的或受損的DNA也會引發(fā)癌癥。這正是動物為何會衰老的一個原因，也是諸如囊腫性纖維化和血友病等遺傳疾病產生的原因?？勺屓藗凅@奇的是，我們體內的各種遺傳物質并沒有因此瓦解，也沒有演變成一場化學混亂，我們患癌癥的幾率也沒有那么普遍。這是怎么回事呢？

事實上，直到20世紀60年代末70年代初，科學家們都一直認為，作為生命藍圖的DNA本身不可能經常改變，否則多細胞生命形式就無法據(jù)此演化。所以，DNA是一種非常穩(wěn)定的分子。然而，當時在美國普林斯頓大學從事RNA（核糖核酸）分子研究的托馬斯·林道爾發(fā)現(xiàn)，當加熱RNA時，不可避免地會導致分子的迅速衰變。這引起了林道爾對學界共識的懷疑：如果RNA在受熱時會被迅速摧毀，那么，DNA分子真的能夠終生穩(wěn)定嗎？幾年后，林道爾來到瑞典斯德哥爾摩卡洛琳斯卡研究所從事博士后研究，通過實驗證實了自己的懷疑：當從細胞中隔離出來的時候，DNA會非常迅速地發(fā)生衰變直至瓦解。按此衰變速率，地球上應該沒有什么生物能夠存在并發(fā)展下來。但事實是，地球上的生物不僅生存了下來而且生機勃勃，那么，這里就一定存在某種修復機制。通過進一步研究，托馬斯·林道爾發(fā)現(xiàn)DNA的確會以某種方式修復自己。具體地，他發(fā)現(xiàn)了一種去除DNA受損細胞的細菌酶。隨后，他又發(fā)現(xiàn)了一個利用類似的酶持續(xù)修復受損DNA的過程，即“堿基切除修復”，可以修復100多種DNA損傷。

在林道爾工作的基礎上，阿奇茲·?？ɡL制出了“核苷酸切除修復”機制。他發(fā)現(xiàn)，細胞正是運用此機制來修復紫外損傷這一自然界對DNA最常見的損傷?；旧希覀兊募毎梢郧谐蛔贤夤鈸p害的DNA部分，用新的DNA取代之。細胞還可利用此機制修復致突變物或其他物質引起的DNA損傷。

與此同時，保羅·莫德里奇發(fā)現(xiàn)了另一種細胞自我修復機制，那就是，細胞可以通過一個叫作“錯配修復”的機制來糾正復制錯誤，從而讓DNA復制出錯幾率下降了1000倍。如果有人先天缺失錯配修復機制，可導致癌癥的發(fā)生，例如遺傳性結腸癌。

上述三項發(fā)現(xiàn)共同導向的結論是，細胞可以持續(xù)地修復DNA損傷。這些成果完全改變了科學共同體對細胞生物學基礎和DNA的理解，并為進一步研究這些修復機制如何失敗從而導致包括癌癥、新陳代謝和神經紊亂等疾病以及與衰老有關的其他問題奠定了基礎。目前，人們關于細胞如何工作的知識，已被用來研發(fā)新型治療癌癥的方法，例如，用于治療晚期卵巢癌的新藥奧拉帕尼。

對此，諾貝爾化學獎評選委員會在頒獎時給予了高度評價：“每天，（這些細胞修復過程）修復了由太陽、香煙煙霧或者其他對基因有毒的物質所造成的成千上萬的DNA損傷；它們持續(xù)抵御著DNA的自發(fā)變化。對于每個細胞分裂，錯配修復都糾正了幾千個錯配。沒有這些修復機制，我們的基因組就會崩潰?！痹谶@個意義上，我們可以說，地球上之所以能夠呈現(xiàn)“魚翔淺底、鷹擊長空、萬類霜天競自由”的盎然生機，完全仰賴于DNA的修復機制。

雖然上述三位獲獎者的工作非常重要，但是不少化學家看到瑞典皇家科學院的公告之后，難免心生疑慮：今年的化學獎獲得者的成就難道不更像是生物學方面的嗎？就連獲獎者阿奇茲·?？ū救艘惨恢闭J為自己如果能夠獲諾貝爾獎，應該是生理學或醫(yī)學獎。在今年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎公布后，他本以為今年自己已無獲獎希望了，以至于當他得知自己榮獲2015 年諾貝爾化學獎后，吃驚到語無倫次。

這反映出了諾貝爾化學獎評選的一個有趣現(xiàn)象：本來諾貝爾化學獎是為了表彰前一年中在化學領域有最重要發(fā)現(xiàn)或發(fā)明的人，然而，獲得化學獎的人常常并不來自化學領域，而往往頒發(fā)給了物理學家和生物學家。例如，1908年的諾貝爾化學獎就授予了“原子核物理學之父”歐內斯特·盧瑟福。2014年，美國的白茲格、莫爾納爾和德國的黑爾，三個看起來像是物理學家的人，因為突破了光學顯微鏡的分辨率極限而分享了當年的諾貝爾化學獎。在過去十年中，諾貝爾化學獎有5次頒發(fā)給了那些似乎更像是生物學的研究。最著名的，莫過于英國生物化學家弗雷德·桑格爾。他是目前唯一一位兩次斬獲諾貝爾化學獎的科學家?？伤麅纱潍@獎均因為他的生物學研究，一次是因為完整測定了胰島素的氨基酸序列，證明蛋白質具有明確構造，另一次是提出了測定DNA序列的方法。事實上，有統(tǒng)計指出，這是100多年來，諾貝爾化學獎第51次頒發(fā)給生物化學領域的科學家了。相較而言，另外2個諾貝爾自然科學類獎項——生理學或醫(yī)學獎以及物理學獎則似乎更加名副其實。如何理解這種現(xiàn)象呢？

也許我們可以回溯到阿爾弗雷德·諾貝爾1895年在遺囑中設立諾貝爾獎的時代，找到一些歷史原因。彼時，生物學尚處在幼年階段，遠非今日這般成為自然科學中的顯學。今日，主持諾貝爾獎評選的瑞典皇家科學院必須尊重諾貝爾本人的遺愿。于是，諾貝爾化學獎就似乎成了在遵守諾貝爾意愿的同時，表彰非醫(yī)學類的最佳生物學研究的一種方式。

但更重要的是，諾貝爾化學獎的評選昭示了當下國際化學乃至整個自然科學研究的一種趨勢。隨著社會需求和科學的發(fā)展，既有學科之間的界限正在模糊，新的領域正在形成。就生命科學領域而言，已經涌入了越來越多的化學家，嘗試用化學的方法解決生物學的問題。其他原本間隔較大的學科之間進行交叉，也會因為本身就是一個新領域，容易做出新發(fā)現(xiàn)。多學科交叉已經成為科學創(chuàng)新的重要途徑。相比之下，我國在分析化學、材料化學等“純化學”領域發(fā)展勢頭迅猛，但尚未對利用多學科交叉方法原創(chuàng)性地解決問題引起足夠重視?；蛟S，今年諾貝爾化學獎可以為中國化學家乃至整個科學界帶來一種新的研究思路。

責任編輯：吳曉麗

摘編自《學習時報》2015年11月5日第007版。