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美國加州斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院，結(jié)構(gòu)生物學(xué)系

因“真核轉(zhuǎn)錄的分子基礎(chǔ)所作的研究”獲2006年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)

于茗騫

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在過去的50年中，我致力于研究生物學(xué)的基礎(chǔ)問題。這些問題關(guān)乎于生命的基礎(chǔ)運(yùn)轉(zhuǎn)，例如，“有著同樣遺傳信息的細(xì)胞如何分化成人體中200多種不同的細(xì)胞？”又比如，“細(xì)胞如何因應(yīng)環(huán)境信息作出自我調(diào)控？”

在這篇文章中，我將帶你踏上我的研究之路。我會(huì)講述RNA聚合酶II的精巧機(jī)制——在其作用下，DNA如何轉(zhuǎn)錄成mRNA？最終，mRNA會(huì)被翻譯成蛋白質(zhì)。而蛋白質(zhì)在機(jī)體內(nèi)扮演一系列重要的角色——包括構(gòu)建細(xì)胞，響應(yīng)外部刺激，加速化學(xué)反應(yīng)，以及在距離很遠(yuǎn)的組織之間傳遞信號(hào)。最后，我會(huì)分享當(dāng)前我們還在探索的問題，以及給你們這些未來科學(xué)家們的一些建議做結(jié)。

我的父親是一名生物化學(xué)家，他在1959年因?qū)NA復(fù)制的研究獲得諾貝爾獎(jiǎng)。對(duì)于自己的研究，他抱有極大的熱情，十分愿意與感興趣的人分享。我在大學(xué)里學(xué)過數(shù)學(xué)，物理和化學(xué)，讀博士期間研究的是膜的動(dòng)力學(xué)（圖1，左）。膜對(duì)于生物體起著至關(guān)重要的作用，因?yàn)檎沁@層圍繞著活細(xì)胞的薄膜定義了細(xì)胞的存在，而細(xì)胞是所有生命的基本的組成單位。

關(guān)于膜的研究將要告一段落之時(shí)，我知道我還想繼續(xù)研究與生命科學(xué)相關(guān)的物理和化學(xué)。當(dāng)時(shí)，研究細(xì)胞的組成結(jié)構(gòu)和功能的結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域正在快速發(fā)展。新技術(shù)的產(chǎn)生使得簡單蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)得以破解（見圖1）。我逐漸意識(shí)到，染色體的結(jié)構(gòu)會(huì)是個(gè)很有趣的問題。

在細(xì)胞中，我們的遺傳物質(zhì)DNA存在于染色體這一結(jié)構(gòu)上。結(jié)構(gòu)生物學(xué)家對(duì)染色體的結(jié)構(gòu)很著迷，因?yàn)樽鳛榛A(chǔ)生物大分子，DNA的功能很重要，不過它本身的結(jié)構(gòu)卻很簡單。我們已經(jīng)知道染色體是由DNA和等量的四種非常小的蛋白質(zhì)組成。我們需要弄清楚的就是，DNA和這四種蛋白質(zhì)是如何排列在一起形成染色體結(jié)構(gòu)的。

圖1：細(xì)胞膜以及含有 DNA 的細(xì)胞核

細(xì)胞是生命的基本單位。細(xì)胞核是細(xì)胞的信息中心，包含染色體。

每條染色體都是一個(gè)“X”形結(jié)構(gòu)（紅色圓圈），其中包含一部分DNA。圖片來源：維基百科（https://en.wikipedia.org/wiki/Chromosome）

事實(shí)上，想要弄清楚這個(gè)問題一點(diǎn)都不簡單。從數(shù)百篇關(guān)于染色體結(jié)構(gòu)的研究論文中，我找到了與之相關(guān)的幾篇。這些論文幫助我找到了解決方案。我進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，把拼圖般的碎片拼湊起來，闡明了染色體的結(jié)構(gòu)。后來，一種名為X射線晶體學(xué)的技術(shù)證明了結(jié)論的正確。

在解決了染色體的結(jié)構(gòu)之后，下一步自然是研究這種結(jié)構(gòu)對(duì)生物學(xué)，以及生命本身的影響。在染色體內(nèi)，以這種形式存在的DNA如何參與遺傳信息的表達(dá)？基因表達(dá)始于“轉(zhuǎn)錄”這一過程，在該過程中，由DNA轉(zhuǎn)錄成信使 RNA (mRNA) 分子。 

mRNA分子類似于DNA分子，但它具有不同的結(jié)構(gòu)和功能。與DNA復(fù)制所需的兩條鏈不同（圖1，右圖），mRNA分子由一條較短的單鏈組成，它是DNA序列特定片段的副本。mRNA作為中間體，將DNA中編碼的遺傳信息與最終根據(jù)這些信息合成的蛋白質(zhì)連接在一起。為了研究染色體在基因表達(dá)中的作用，我首先研究了參與轉(zhuǎn)錄的三種酶之一，這種酶即是RNA聚合酶II [1]。

RNA聚合酶II的轉(zhuǎn)錄機(jī)制是為了制造mRNA。正如我前面提到的，mRNA是遺傳密碼及由此編碼產(chǎn)生出的蛋白質(zhì)之間的鏈接。而RNA聚合酶II的轉(zhuǎn)錄機(jī)制由近60種不同的蛋白質(zhì)組成！我將在此講下三種主要成分[2]：RNA 聚合酶II 、一組被稱為通用轉(zhuǎn)錄因子（general transcription factors）的蛋白質(zhì)，以及被稱為中介體（Mediator）的蛋白質(zhì)復(fù)合物。

轉(zhuǎn)錄過程發(fā)生在RNA聚合酶II這一結(jié)構(gòu)之中（圖2A）。也就是說， DNA從一個(gè)方向進(jìn)入該酶，而mRNA產(chǎn)物從另一個(gè)方向退出。我們所做的大部分工作都圍繞著厘清這種酶的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。在解決這種酶本身的結(jié)構(gòu)后，我們還弄清了在轉(zhuǎn)錄過程中，DNA和RNA同時(shí)在場(chǎng)時(shí)它的結(jié)構(gòu)（圖2B）。

RNA聚合酶II由12種不同的蛋白質(zhì)組成，由圖2A中的不同顏色表示，并且由近3萬個(gè)原子構(gòu)成。RNA聚合酶II具有通向鎂離子的中央通道。中央通道就是轉(zhuǎn)錄發(fā)生的地方。雙鏈DNA進(jìn)入中央通道，然后兩條DNA鏈分開（圖2B）。一條鏈在靠近酶中心的鎂離子的地方彎折。就在這個(gè)被稱為活性中心的位置，mRNA按照DNA鏈彎曲部分的模板進(jìn)行合成。最后，DNA-mRNA雜合結(jié)構(gòu)以相對(duì)于進(jìn)入酶的DNA約90°的角度離開酶。

圖2：轉(zhuǎn)錄前和轉(zhuǎn)錄過程中RNA聚合酶II的結(jié)構(gòu)

A. RNA聚合酶II由12個(gè)亞基（用不同顏色表示）和數(shù)萬個(gè)原子組成。其中有一個(gè)通向鎂離子（粉紅色點(diǎn)）的中央通道（白色箭頭）。鎂離子所在的區(qū)域稱為活性中心，因?yàn)檫@是由DNA 合成mRNA的區(qū)域。

B. 一條雙鏈DNA（藍(lán)色和綠色鏈）通過RNA聚合酶II的中央通道（水平白色箭頭），在酶的中心分開。負(fù)責(zé)mRNA合成的鏈（藍(lán)色）在活性中心附近向上翻轉(zhuǎn)90o（向上指的白色箭頭），并按此合成一條短mRNA鏈（中間的紅色短鏈）。這種DNA-mRNA雜合物以垂直于 DNA最初進(jìn)入的方向離開酶。圖片來源：羅杰·科恩伯格教授。

轉(zhuǎn)錄的開端最為重要，我們稱這一過程為“起始”（initiation）。當(dāng)DNA轉(zhuǎn)錄成mRNA時(shí)，不是全部都會(huì)被轉(zhuǎn)錄。為了特定的目的，只有其中的特定部分會(huì)被轉(zhuǎn)錄。這部分DNA被稱為基因。每個(gè)基因都含有生產(chǎn)我們體內(nèi)特定蛋白質(zhì)所需的信息。

為了識(shí)別特定基因并決定是否轉(zhuǎn)錄它，RNA聚合酶II采用了5個(gè)額外的分子，這些即是被稱為通用轉(zhuǎn)錄因子 (GTFs) 的蛋白質(zhì)，它們?cè)谵D(zhuǎn)錄過程中與RNA聚合酶II接觸（圖3中底部的灰色球體）。從廣義上講，在轉(zhuǎn)錄過程中，這些GTFs決定著“開啟”或“停止”轉(zhuǎn)錄特定基因。

正如我們之前在圖2B中看到的，當(dāng)DNA在RNA聚合酶II內(nèi)部移動(dòng)時(shí)，需要彎折才能轉(zhuǎn)錄成mRNA。然而，正常情況下的DNA非常硬，不易彎曲。想要彎曲的話，它需要被分成單鏈——這種形式才完全靈活并且可以自由彎曲。這便是GTFs的用武之地：在GTFs找到DNA分子中基因的開端后，它們接著打開DNA，并將其彎折到RNA聚合酶II中轉(zhuǎn)錄的活性位點(diǎn)附近。通過這種方式，GTFs開啟了轉(zhuǎn)錄過程。

在DNA轉(zhuǎn)錄的過程中，有一些關(guān)鍵的問題需要被決定：轉(zhuǎn)錄哪個(gè)基因，在身體的什么位置以及何時(shí)進(jìn)行。這些決定和行動(dòng)被稱為基因表達(dá)調(diào)控，這對(duì)于我們機(jī)體的正常運(yùn)行至關(guān)重要。我們?cè)?990年發(fā)現(xiàn)了一組在基因調(diào)控機(jī)制中扮演著重要角色的蛋白質(zhì)[3]，那就是中介體：它們能夠處理所有的調(diào)控信息并將其傳遞給RNA聚合酶，來把關(guān)是否轉(zhuǎn)錄某個(gè)特定基因。

圖3示意了中介體在轉(zhuǎn)錄過程中的功能：中介體（粉紅色）連接著RNA聚合酶II（藍(lán)色）和一種被稱為激活劑（activator）的蛋白質(zhì)（紅色）。激活劑影響著基因轉(zhuǎn)錄的“啟動(dòng)”。換句話說，中介體充當(dāng)“中間人”，將有關(guān)基因表達(dá)的調(diào)控信息傳遞給RNA聚合酶。

圖3：RNA 聚合酶II轉(zhuǎn)錄機(jī)制

底部：通用轉(zhuǎn)錄因子（GTFs，灰色）與RNA聚合酶 II （pol II，藍(lán)色）相互作用以啟動(dòng)酶內(nèi)的DNA轉(zhuǎn)錄。中介體（粉紅色）作為連接紐帶，將細(xì)胞內(nèi)外的基因調(diào)控信息傳遞給 pol II 酶。此圖中所示的是，中介體從激活蛋白（紅色）處傳遞一個(gè)特定基因的激活以進(jìn)行轉(zhuǎn)錄的信息。圖片來源：羅杰·科恩伯格教授。

為了激發(fā)你的好奇心，我想再簡要提及與前面內(nèi)容相關(guān)的兩個(gè)尚待解決的問題。這些問題也是當(dāng)今生物化學(xué)領(lǐng)域的研究前沿，也是我們實(shí)驗(yàn)室中目前正在研究的兩個(gè)課題。

第一個(gè)問題與染色體的結(jié)構(gòu)有關(guān)。在細(xì)胞分裂的某個(gè)階段，DNA會(huì)被壓縮1萬倍，這樣，原來占據(jù)整個(gè)細(xì)胞核的DNA就會(huì)被壓縮成染色體的形狀。但是，以我們對(duì)染色體結(jié)構(gòu)的確切了解，只能解釋DNA長度可以縮短5倍，而不是1萬倍。那么，懸而未決的問題是：對(duì)于染色體中的DNA來說，那額外2000倍是如何進(jìn)行壓縮的？

第二個(gè)問題與中介體和基因表達(dá)的調(diào)控有關(guān)。正如我們?cè)趫D3中看到的，中介體將調(diào)節(jié)信息傳遞給RNA聚合酶II。但是，中介體是如何處理調(diào)控信息的呢？這些信息究竟是如何傳遞給聚合酶的？中介體是如何幫助打開DNA雙鏈，以允許其被轉(zhuǎn)錄的？對(duì)于這些過程和方式我們已經(jīng)有了一些初步的想法，但仍然是我們?cè)诶^續(xù)探究的問題。

前面我講的這些問題，在很大程度上也引領(lǐng)著我開啟了自己的學(xué)術(shù)生涯。你們可能已經(jīng)知道，很多科學(xué)問題都很復(fù)雜，需要很多年的努力才能完全解釋清楚。科學(xué)很有挑戰(zhàn)性，需要付出辛苦，還時(shí)常讓人灰心喪氣，感到困難重重。但對(duì)我來說，偶爾的回報(bào)就完全值得這一切。

如果你熱愛科學(xué)并想以此為職業(yè)，那么我的第一個(gè)建議是，在科研的本身中發(fā)現(xiàn)樂趣，享受科研工作的日常，享受那些基礎(chǔ)“小”事。例如，對(duì)我而言，我喜歡這些實(shí)驗(yàn)性的工作——混合、溶解各種材料，為我的實(shí)驗(yàn)制作試劑——我享受這些流程的每一步。我喜歡呆在實(shí)驗(yàn)室。

另一個(gè)重要的建議是，學(xué)會(huì)將失敗當(dāng)作一種刺激、一種挑戰(zhàn)——學(xué)會(huì)用對(duì)成功同樣的期待做出再次嘗試。研究過程中時(shí)不時(shí)會(huì)發(fā)生一些令人驚訝和新鮮的事。不過，優(yōu)秀的科學(xué)家不會(huì)立刻就選擇相信。

首先，你必須確保這不是一個(gè)錯(cuò)誤，所以你需要想辦法證明你是錯(cuò)誤的。一個(gè)真正優(yōu)秀的科學(xué)家會(huì)想出極其復(fù)雜的方法來證明他們是錯(cuò)誤的。如果即便是巧妙的實(shí)驗(yàn)也無法證明他們是錯(cuò)的時(shí)候，那就意味著新發(fā)現(xiàn)了。而這些，對(duì)于一個(gè)科學(xué)家來說，是職業(yè)生涯中獨(dú)特而難忘的時(shí)刻，此前的辛苦工作與此相比，也就根本算不上什么了。

致謝：

訪談人及合著者：畢業(yè)于以色列理工學(xué)院的Noa Segev（Grand Technion Energy Program, Technion, Israel Institute of Technology, Haifa, Israel）。

小小審稿人：

Natan Alterman Ort中學(xué)學(xué)生，年齡：13-15歲。

“Beit Chinuch”的技術(shù)科學(xué)課程吸引了科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的優(yōu)秀學(xué)生。學(xué)生們對(duì)與科學(xué)有關(guān)的一切都充滿好奇，總是不斷地發(fā)問，想要更好地理解身邊的世界。

參考文獻(xiàn)：