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科学家发现基因信号调控线索

来源:科技日报 作者: 2007-9-29
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摘要: 核酸可分为核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)。DNA所含的碱基为:胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶(T)、腺嘌呤(A)和鸟嘌呤(G)四种。DNA好似一个模板,能自我复制。这些机理都蕴藏在沃森和克里克的DNA双螺旋结构模型的伟大发现之中。...


        精子和卵子的结合是新生命产生的第一步。一个小的只有在显微镜下才能看到的受精卵,在40周的时间里就能发育成呱呱坠地的胎儿。像许多人一样,或许你也在考虑这个问题:在这个神奇的过程中,是什么控制着生命体的发育?  

  今天,成千上万的科学研究者正在努力工作,试图回答这个和我们人类息息相关的问题。  



  核酸———组成生命的原料  



  生命的遗传物质是核酸,核酸的基本单位是核苷酸,核苷酸又由碱基、糖和磷酸组成。许多核苷酸相结合组成长长的链子,这就叫做核酸。核酸可分为核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)。DNA所含的碱基为:胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶(T)、腺嘌呤(A)和鸟嘌呤(G)四种。DNA好似一个模板,能自我复制。遗传物质为什么能自我复制?它是怎样复制的呢?这些机理都蕴藏在沃森和克里克的DNA双螺旋结构模型的伟大发现之中。  



  DNA———奇妙的双螺旋  



  1951年,美国23岁的生物学博士詹姆斯·沃森来到英国剑桥大学卡文迪什实验室,他说服当时正在做博士论文的克里克与他一起研究DNA分子模型。他们吸收和借鉴了当时也在研究DNA分子结构的鲍林、威尔金斯和弗兰克林等人的成果,从1951年10月开始,几经尝试,终于在1953年3月获得了正确的模型。  



  这个模型阐明,DNA的分子结构是由双螺旋组成,故称双螺旋结构。其螺旋的骨架是由核苷酸的糖(脱氧核糖)和磷酸相结合而成的,从彼此反向的两根螺旋分别伸长开来的碱基相互结合而形成双螺旋。碱基的配对必须是A对着T,G对着C,也就是说A和T配对,G和C配对。  



  从大象到细菌,从变形虫到人类,所有生物都具有这种相同的双螺旋结构。只有特殊的噬菌体是个例外。这样的结构很容易解释DNA的自我复制,也就是说以DNA为模板复制出与DNA完全相同的分子。  



  1953年4月25日,《自然》杂志发表了他们不足1000字的论文《脱氧核糖核酸的结构》,这一发现被誉为20世纪最为重大的科学发现之一。1962年,沃森、克里克以及在X射线的衍射分析上做出贡献的威尔金斯共同获得了诺贝尔医学生理学奖。  



  DNA甲基化———基因表达的开关  



  然而,半个世纪前DNA的双螺旋结构的发现,仅仅是答案的第一步。生命体要远比一个DNA序列复杂。比如说,人的皮肤和眼睛由不同的细胞组成。这些细胞含有同样的遗传物质DNA,是什么导致它们形色各异、功能不同呢?如果说某些基因的开启或关闭导致细胞的差异,特定基因严格按一定时间顺序开启或关闭决定着生命体的发育,那么又是什么控制基因的开启或关闭呢?  



  非常有趣的是,控制基因开关最常用的机制之一就是修饰DNA本身。DNA甲基化(一种将化学基团添加到DNA上的生化反应)通常导致基因关闭。在人或其他哺乳动物中,该反应主要是修饰CG二核苷酸中的C碱基,由甲基转移酶催化完成。  



  印迹基因———“挑剔”的延续  



  哺乳动物,包括人类有两套基因组,一套来自父方,一套来自母方。这两套基因组的序列非常相似,按理说父方和母方对子代影响应该很相近。然而中国的古人很早就发现一个有趣的现象。如果公驴和母马交配,生下骡子。骡子个头大,像驴一样能负重,又有马的灵活性和奔跑能力,是非常好的牲口。但如果是公马和母驴交配,生下的叫驴骡。驴骡个小,没有实用价值,一般很少见到。  



  这种现象表明,子代对来自父方和母方的基因表达大不一样。对于大多数基因而言,父母亲的两个基因位点或者都表达,或者都不表达。但一小部分基因不遵从这个规则,它们好像非常聪明,似乎知道自己来自父方或者母方(尽管序列非常相似),使得子代仅表达源于特定一方的基因。这一小部分“聪明基因”叫做印迹基因,因为来自父亲或母亲一方的基因在发育过程中被修饰(DNA甲基化),导致子代体细胞中两个基因有不同的表达活性。  



  印迹基因在胚胎发育中起着至关重要的作用,调节着胚胎的生长发育以及新生儿的生长。不正常的印迹会导致多种发育异常。近年的研究还发现,印迹基因和许多癌症紧密相联。  



  甲基转移酶———生命的“装修工”  



  来自父母某一方的印迹基因被甲基转移酶选择性地标记。那么,甲基转移酶是如何从一大群基因中找到印迹基因呢?  



  由美国埃默里大学和德国雅各布斯大学的科学家们联合进行的一项最新研究表明,印迹基因的选择修饰和自身的序列模式有着紧密的联系。他们的成果发表在9月13日出版的英国《自然》杂志上。  



  甲基转移酶存在于众多的生命体中。科学家们早在1993年就解析出了第一个细菌甲基转移酶的结构,细菌甲基转移酶多以单体的形式存在。然而,人类甲基转移酶用于识别DNA的区域很小,只有很多细菌甲基转移酶的一半。此前,人们一直不理解人类甲基转移酶是怎样发挥功能的。这项最新研究报导了人类甲基转移酶的结构,指出人类甲基转移酶是以二聚体的形式存在,并可能以二聚体的形式和DNA相互作用,从而有效地增大了DNA识别区域的面积。  



  论文的第一作者贾达博士说:“人类甲基转移酶和细菌甲基转移酶相比,就如同筷子和叉子。尽管单根筷子的尖相对于叉子很小,但是两根筷子一起作用可以代替一个叉子。”  



  多数甲基转移酶是单体,而人类甲基转移酶形成二聚体,可能有着特殊的含意。受二聚体结构启发,科研人员分析了CG二核苷酸在印迹基因中的分布。他们发现印迹基因有一种特殊的重复模式:两个CG核苷酸对中间有8至10个碱基对。这个距离和人类甲基转移酶二聚体的两个活性位点之间的距离完全吻合。这种重复模式可能为人类甲基转移酶提供了信号,帮助它们选择性地修饰印迹基因。其他因素决定着来自父母某一方的基因被标记,另一方不被标记。这种研究还表明,尽管科学家已经完成了人类基因组序列图,但基因组还含有很多未知的信息等待我们去破译。  



  生命的发育存在无穷多的奥秘。探索生命发育的过程和机制,对于理解生命现象及其规律、寻找新的疾病治疗手段具有重要意义。

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