分子生物學(xué)近期新發(fā)展.doc

分子生物學(xué)近期新發(fā)展摘要：生命科學(xué)在20 世紀(jì)取得了巨大的研究進(jìn)展。正是由于數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等學(xué)科廣泛而又深刻地滲入生物學(xué)領(lǐng)域, 才可能取得這樣空前的發(fā)展。分子生物學(xué)正是在這些相關(guān)學(xué)科發(fā)展的前提條件下才得以形成。分子生物學(xué)研究的是生命現(xiàn)象的本質(zhì)的內(nèi)容。它把在各個(gè)層次的生命活動(dòng)有機(jī)地聯(lián)系起來, 從而更有效地揭示了生命的奧秘。發(fā)展至當(dāng)代的分子生物學(xué)已滲入到生命科學(xué)的各個(gè)研究領(lǐng)域, 全面地改變了生命科學(xué)的面貌。本文將對(duì)分子生物學(xué)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹并讓讀者了解分子生物學(xué)的近期前沿發(fā)展。正文：分子生物學(xué)是在分子水平上研究生命現(xiàn)象的科學(xué)。通過研究生物大分子(核酸、蛋白質(zhì))的結(jié)構(gòu)、功能和生物合成等方面來闡明各種生命現(xiàn)象的本質(zhì)。研究?jī)?nèi)容包括各種生命過程。比如光合作用、發(fā)育的分子機(jī)制、神經(jīng)活動(dòng)的機(jī)理、癌的發(fā)生等。如神經(jīng)生理學(xué)和細(xì)胞學(xué)均已相繼進(jìn)入分子水平, 成為生命科學(xué)領(lǐng)域新的生長(zhǎng)點(diǎn)。它們已經(jīng)不是原來的經(jīng)典學(xué)科, 而是以分子水平研究為基礎(chǔ)的面貌全新的神經(jīng)生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)。即使最古老的生物分類學(xué)和生物進(jìn)化論也因?yàn)檫\(yùn)用了分子生物學(xué)的最新研究成果而煥發(fā)了青春。生物大分子，特別是蛋白質(zhì)和核酸結(jié)構(gòu)功能的研究，是分子生物學(xué)的基礎(chǔ)?，F(xiàn)代化學(xué)和物理學(xué)理論、技術(shù)和方法的應(yīng)用推動(dòng)了生物大分子結(jié)構(gòu)功能的研究，從而出現(xiàn)了近30年來分子生物學(xué)的蓬勃發(fā)展。分子生物學(xué)和生物化學(xué)及生物物理學(xué)關(guān)系十分密切，它們之間的主要區(qū)別在于：生物化學(xué)和生物物理學(xué)是用化學(xué)的和物理學(xué)的方法研究在分子水平，細(xì)胞水平，整體水平乃至群體水平等不同層次上的生物學(xué)問題。而分子生物學(xué)則著重在分子（包括多分子體系）水平上研究生命活動(dòng)的普遍規(guī)律；在分子水平上，分子生物學(xué)著重研究的是大分子，主要是蛋白質(zhì)，核酸，脂質(zhì)體系以及部分多糖及其復(fù)合體系。而一些小分子物質(zhì)在生物體內(nèi)的轉(zhuǎn)化則屬生物化學(xué)的范圍；分子生物學(xué)研究的主要目的是在分子水平上闡明整個(gè)生物界所共同具有的基本特征，即生命現(xiàn)象的本質(zhì)；而研究某一特定生物體或某一種生物體內(nèi)的某一特定器官的物理、化學(xué)現(xiàn)象或變化，則屬于生物物理學(xué)或生物化學(xué)的范疇。結(jié)構(gòu)分析和遺傳物質(zhì)的研究在分子生物學(xué)的發(fā)展中作出了重要的貢獻(xiàn)。結(jié)構(gòu)分析的中心內(nèi)容是通過闡明生物分子的三維結(jié)構(gòu)來解釋細(xì)胞的生理功能。僅僅30年左右的時(shí)間，分子生物學(xué)經(jīng)歷了從大膽的科學(xué)假說，到經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)研究，從而建立了本學(xué)科的理論基礎(chǔ)。進(jìn)入70年代，由于重組DNA研究的突破，基因工程已經(jīng)在實(shí)際應(yīng)用中開花結(jié)果，根據(jù)人的意愿改造蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)工程也已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。自20世紀(jì)50年代以來，分子生物學(xué)是生物學(xué)的前沿與生長(zhǎng)點(diǎn)，其主要研究領(lǐng)域包括蛋白質(zhì)體系、蛋白質(zhì)-核酸體系 (中心是分子遺傳學(xué))和蛋白質(zhì)-脂質(zhì)體系（即生物膜）。蛋白質(zhì)體系 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)單位是-氨基酸。常見的氨基酸共20種。它們以不同的順序排列可以為生命世界提供天文數(shù)字的各種各樣的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)核酸體系 生物體的遺傳特征主要由核酸決定。絕大多數(shù)生物的基因都由 DNA構(gòu)成。簡(jiǎn)單的病毒，如噬菌體的基因組是由 46000個(gè)核苷酸按一定順序組成的一條雙股DNA（由于是雙股DNA，通常以堿基對(duì)計(jì)算其長(zhǎng)度）。細(xì)菌，如大腸桿菌的基因組，含4106堿基對(duì)。人體細(xì)胞染色體上所含DNA為3109堿基對(duì)。蛋白質(zhì)脂質(zhì)體系 生物體內(nèi)普遍存在的膜結(jié)構(gòu)，統(tǒng)稱為生物膜。它包括細(xì)胞外周膜和細(xì)胞內(nèi)具有各種特定功能的細(xì)胞器膜。從化學(xué)組成看，生物膜是由脂質(zhì)和蛋白質(zhì)通過非共價(jià)鍵構(gòu)成的體系。很多膜還含少量糖類，以糖蛋白或糖脂形式存在。分子生物學(xué)新的研究成果依然在不斷出現(xiàn)。1.揭示RNA解旋酶Dbp2功能有助開發(fā)出抗癌藥物來自美國(guó)普渡大學(xué)的研究人員已確定一個(gè)長(zhǎng)期以來參與癌細(xì)胞形成和對(duì)化療產(chǎn)生耐藥性的基因，也在RNA的正確產(chǎn)生中發(fā)揮著關(guān)鍵性作用。這一發(fā)現(xiàn)可能有朝一日讓人們發(fā)現(xiàn)新的藥物靶標(biāo)和開發(fā)出新的療法。人基因p68長(zhǎng)期被視為一種癌基因，但是它的功能仍然是未知的。普渡大學(xué)生化學(xué)者Elizabeth Tran發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤調(diào)控p68將導(dǎo)致RNA形成和排列方面的問題，從而可能導(dǎo)致染色體畸形。Tran利用面包酵母中一個(gè)基因Dbp2作為模型來理解p68的功能。Tran發(fā)現(xiàn)Dbp2在RNA形成過程中發(fā)揮著關(guān)鍵性作用。Dbp2和p68都編碼一種被稱作RNA解旋酶的蛋白。這種酶控制RNA的結(jié)構(gòu)和排列，其中在RNA獲得來自表達(dá)蛋白的指令之前，它必須從DNA分離開來。在這項(xiàng)研究中，Tran證實(shí)遭受錯(cuò)誤調(diào)節(jié)的Dbp2和p68導(dǎo)致DNA產(chǎn)生缺陷，這最可能是由于RNA從DNA上不正確分離導(dǎo)致的。不能正確折疊的DNA很容易發(fā)生染色體斷裂或融合，從而導(dǎo)致一系列疾病。盡管這項(xiàng)研究并沒有解決p68與癌癥之間的關(guān)聯(lián)問題，但是它為未來的研究奠定基礎(chǔ)。2.科學(xué)家發(fā)現(xiàn)基因可能普遍存在“生理周期”了解基因在一天中如何周期性地開關(guān)，是掌握許多生理功能的關(guān)鍵，包括睡眠和新陳代謝。霍華德休斯醫(yī)學(xué)院研究人員、得克薩斯大學(xué)西北醫(yī)學(xué)中心的約瑟夫塔卡哈斯在上世紀(jì)90年代發(fā)現(xiàn)了節(jié)律基因及其蛋白質(zhì)產(chǎn)物，他和其他研究人員確定了該基因?yàn)镃LOCK，并發(fā)現(xiàn)其他兩種蛋白BMAL1和NPAS2，能在白天與基因結(jié)合激活它們，另外4個(gè)節(jié)律調(diào)控因子是PER1、PER2、CRY1和CRY2，能在夜晚抑制基因。新研究旨在全面理解激活因子和抑制因子是怎樣協(xié)調(diào)配合，共同維持身體24小時(shí)生理節(jié)奏的。新研究的核心發(fā)現(xiàn)是，RNA聚合酶(有了這種酶基因才能轉(zhuǎn)錄合成蛋白質(zhì))的功能隨著生理節(jié)律而變化。塔卡哈斯說：“RNA聚合酶的發(fā)動(dòng)是整個(gè)基因組周期節(jié)律的開始。隨著整體RNA聚合酶和轉(zhuǎn)錄的調(diào)控，全體染色質(zhì)的狀態(tài)都受節(jié)律生物鐘的調(diào)控。組蛋白也隨著整個(gè)基因組的節(jié)律被廣泛修改，而組蛋白是維持DNA完整性的關(guān)鍵。這表明每個(gè)基因都可能按照生理節(jié)律的周期被修改?！贝送猓麄冞€做出了許多重要發(fā)現(xiàn)。首先是節(jié)律調(diào)控因子能在許多基因組位點(diǎn)和標(biāo)靶基因結(jié)合。他們研究了小鼠肝臟細(xì)胞的基因組，發(fā)現(xiàn)超過2萬個(gè)位點(diǎn)能與1個(gè)或多個(gè)調(diào)控因子結(jié)合；其中超過1千個(gè)位點(diǎn)能與所有7種調(diào)控因子結(jié)合，還有許多位點(diǎn)只能與激活或抑制因子二者之一結(jié)合。塔卡哈斯說：“我們以前還以為，它們都只與同一位點(diǎn)結(jié)合?！逼浯?，他們研究了肝細(xì)胞所有基因每天的表達(dá)方式，發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)錄過程中，基因表達(dá)并非都控制在轉(zhuǎn)錄層次。他們還發(fā)現(xiàn)，在一天中RNA聚合酶與基因的結(jié)合比基因轉(zhuǎn)錄更早發(fā)生。周期開始時(shí)，轉(zhuǎn)錄激活因子CLOCK和BMAL1招來了RNA聚合酶，但被隨后出現(xiàn)的抑制因子CRY1給抑制了。結(jié)果RNA聚合酶不得不“暫?！睅讉€(gè)小時(shí)，暫停解除后才開始轉(zhuǎn)錄。所以，生理節(jié)奏不僅與RNA聚合酶有關(guān)，還和“暫?！睜顟B(tài)的解除有關(guān)。這些節(jié)律基因的標(biāo)靶，最高類別的就是新陳代謝路徑，所以說生物鐘秘密地控制著每天的新陳代謝。這些發(fā)現(xiàn)為研究短期轉(zhuǎn)錄動(dòng)力學(xué)、生理周期、聚合酶和一般轉(zhuǎn)錄提供了新途徑。下一步是研究RNA聚合酶在一天的節(jié)律中是怎樣受控的，是什么原因讓聚合酶對(duì)某些基因在一天里的特定時(shí)間暫停，以及其他RNA分子在轉(zhuǎn)錄之后是如何被調(diào)控的。3.開發(fā)新方法來解析蛋白結(jié)構(gòu)利用同步加速器X射線光束來解析蛋白和其他生物大分子的結(jié)構(gòu)在醫(yī)學(xué)上取得很大進(jìn)步?？茖W(xué)家們獲得的技術(shù)進(jìn)步能夠?qū)е滤麄內(nèi)〉酶蛹?dòng)人心的進(jìn)步。最近，來自美國(guó)國(guó)家同步幅射光源和、紐約結(jié)構(gòu)生物學(xué)中心和哥倫比亞大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)一種新方法來確定通過其他方法很難或者不可能解析的分子結(jié)構(gòu)。他們的研究發(fā)表在科學(xué)期刊上。利用大分子X射線晶體學(xué)確定蛋白結(jié)構(gòu)的過程必須要首先培養(yǎng)純的分子晶體。當(dāng)靶分子擁有相似的結(jié)構(gòu)類似物時(shí)，這種過程更加容易。但是當(dāng)靶分子沒有結(jié)構(gòu)類似物時(shí)，科學(xué)家們面臨著“相位問題”，即缺乏描述入射X射線光波“相位”的關(guān)鍵性信息。當(dāng)一個(gè)檢測(cè)器記錄X射線衍射圖時(shí)，它能夠檢測(cè)強(qiáng)度，但是不能檢測(cè)相位，但是沒有相位時(shí)，分子結(jié)構(gòu)就不能被完全解析出。當(dāng)存在不相關(guān)的結(jié)構(gòu)時(shí)，有兩種其他的方法來評(píng)估相位。這些方法當(dāng)中有兩種方法都是屬關(guān)于X射線晶體技術(shù)的：多波長(zhǎng)異常衍射，它利用多種波長(zhǎng)的X射線；單波長(zhǎng)異常衍射，它只利用一個(gè)波長(zhǎng)的X射線。這兩種技術(shù)通常都涉及加入硒到晶格(通過氨基酸衍生物硒代蛋氨酸，它容易整合進(jìn)蛋白)之中，和掃描硒原子整個(gè)邊上的X射線光束。硒是一種比在蛋白中通常發(fā)現(xiàn)的那些原子-比如碳、氮和氧-都要重，它吸收X射線，而且通過元素特異性共振再次發(fā)射X射線。根據(jù)這種共振衍射數(shù)據(jù)，科學(xué)家們能夠確定相位。在這項(xiàng)新研究中，研究人員開發(fā)一種方法來解決相位問題，而不用加入一種重元素到晶體之中，從而能夠利用處于自然狀態(tài)的蛋白開展研究。他們使用來自蛋白自己的硫原子的非共振散射，其中硫原子要比硒原子薄弱得多，但是也足夠強(qiáng)大而能夠發(fā)揮作用。他們利用低于正常的X射線能量而將SAD應(yīng)用到幾個(gè)晶體(對(duì)研究的每個(gè)蛋白而言，是5到13個(gè)晶體)，然后將相對(duì)弱的衍射信號(hào)結(jié)合在一起。他們解析的4種蛋白在大小上存在差異，而且和它們含有不同的硫含量(每個(gè)分子擁有3到28個(gè)硫位點(diǎn))。他們成功地解析出每個(gè)蛋白的結(jié)構(gòu)提示著他們的研究為在大分子晶體學(xué)取得潛在大量的新發(fā)現(xiàn)打開新的大門。分子生物學(xué)當(dāng)然還在不斷地向相關(guān)學(xué)科滲透, 人類要徹底認(rèn)識(shí)生命、理解生命, 必然要從基因、核酸、核酶、蛋白質(zhì)等分子水平上去理解有機(jī)體的構(gòu)造、功能與生命的關(guān)系。同時(shí), 分子生物學(xué)也對(duì)醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)科學(xué)及其應(yīng)用產(chǎn)生了巨大的影響。作為生命活動(dòng)最高形式的神經(jīng)活動(dòng), 以及作為生命活動(dòng)基本單位的細(xì)胞是現(xiàn)代生命科學(xué)研究最活躍的領(lǐng)域。這兩門有代表性的學(xué)科, 由于采用了分子生物學(xué)的原理和手段獲得了新的生命力。這些理論研究成果最終都將成為我們生活的一部分，為我們更美好的生活服務(wù)。分子生物學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)和分子生物學(xué)已成為當(dāng)代生命科學(xué)研究的三大熱點(diǎn)。該三大熱點(diǎn)領(lǐng)域的研究成果已在工業(yè)、農(nóng)業(yè)及醫(yī)藥衛(wèi)生等方面有了重要應(yīng)用, 特別是生物大分子基因在同種的不同個(gè)體, 甚至不同屬的生物種之間的轉(zhuǎn)移, 為新品種的快速培育和某些遺傳病的治療等提供了可能性, 實(shí)踐已經(jīng)證明了這一點(diǎn)。這對(duì)于農(nóng)業(yè)增產(chǎn)以及控制和改造整個(gè)地球上的生物界展現(xiàn)出了廣闊的前景; 為增進(jìn)人類健康、長(zhǎng)壽提供了現(xiàn)實(shí)的可行性; 分子生