分子生物學近期新發(fā)展.doc

分子生物學近期新發(fā)展摘要：生命科學在20 世紀取得了巨大的研究進展。正是由于數(shù)學、物理、化學等學科廣泛而又深刻地滲入生物學領域, 才可能取得這樣空前的發(fā)展。分子生物學正是在這些相關學科發(fā)展的前提條件下才得以形成。分子生物學研究的是生命現(xiàn)象的本質的內容。它把在各個層次的生命活動有機地聯(lián)系起來, 從而更有效地揭示了生命的奧秘。發(fā)展至當代的分子生物學已滲入到生命科學的各個研究領域, 全面地改變了生命科學的面貌。本文將對分子生物學進行簡要介紹并讓讀者了解分子生物學的近期前沿發(fā)展。正文：分子生物學是在分子水平上研究生命現(xiàn)象的科學。通過研究生物大分子(核酸、蛋白質)的結構、功能和生物合成等方面來闡明各種生命現(xiàn)象的本質。研究內容包括各種生命過程。比如光合作用、發(fā)育的分子機制、神經(jīng)活動的機理、癌的發(fā)生等。如神經(jīng)生理學和細胞學均已相繼進入分子水平, 成為生命科學領域新的生長點。它們已經(jīng)不是原來的經(jīng)典學科, 而是以分子水平研究為基礎的面貌全新的神經(jīng)生物學和細胞生物學。即使最古老的生物分類學和生物進化論也因為運用了分子生物學的最新研究成果而煥發(fā)了青春。生物大分子，特別是蛋白質和核酸結構功能的研究，是分子生物學的基礎?，F(xiàn)代化學和物理學理論、技術和方法的應用推動了生物大分子結構功能的研究，從而出現(xiàn)了近30年來分子生物學的蓬勃發(fā)展。分子生物學和生物化學及生物物理學關系十分密切，它們之間的主要區(qū)別在于：生物化學和生物物理學是用化學的和物理學的方法研究在分子水平，細胞水平，整體水平乃至群體水平等不同層次上的生物學問題。而分子生物學則著重在分子（包括多分子體系）水平上研究生命活動的普遍規(guī)律；在分子水平上，分子生物學著重研究的是大分子，主要是蛋白質，核酸，脂質體系以及部分多糖及其復合體系。而一些小分子物質在生物體內的轉化則屬生物化學的范圍；分子生物學研究的主要目的是在分子水平上闡明整個生物界所共同具有的基本特征，即生命現(xiàn)象的本質；而研究某一特定生物體或某一種生物體內的某一特定器官的物理、化學現(xiàn)象或變化，則屬于生物物理學或生物化學的范疇。結構分析和遺傳物質的研究在分子生物學的發(fā)展中作出了重要的貢獻。結構分析的中心內容是通過闡明生物分子的三維結構來解釋細胞的生理功能。僅僅30年左右的時間，分子生物學經(jīng)歷了從大膽的科學假說，到經(jīng)過大量的實驗研究，從而建立了本學科的理論基礎。進入70年代，由于重組DNA研究的突破，基因工程已經(jīng)在實際應用中開花結果，根據(jù)人的意愿改造蛋白質結構的蛋白質工程也已經(jīng)成為現(xiàn)實。自20世紀50年代以來，分子生物學是生物學的前沿與生長點，其主要研究領域包括蛋白質體系、蛋白質-核酸體系 (中心是分子遺傳學)和蛋白質-脂質體系（即生物膜）。蛋白質體系 蛋白質的結構單位是-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。蛋白質核酸體系 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構成。簡單的病毒，如噬菌體的基因組是由 46000個核苷酸按一定順序組成的一條雙股DNA（由于是雙股DNA，通常以堿基對計算其長度）。細菌，如大腸桿菌的基因組，含4106堿基對。人體細胞染色體上所含DNA為3109堿基對。蛋白質脂質體系 生物體內普遍存在的膜結構，統(tǒng)稱為生物膜。它包括細胞外周膜和細胞內具有各種特定功能的細胞器膜。從化學組成看，生物膜是由脂質和蛋白質通過非共價鍵構成的體系。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普渡大學的研究人員已確定一個長期以來參與癌細胞形成和對化療產(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)新的藥物靶標和開發(fā)出新的療法。人基因p68長期被視為一種癌基因，但是它的功能仍然是未知的。普渡大學生化學者Elizabeth Tran發(fā)現(xiàn)錯誤調控p68將導致RNA形成和排列方面的問題，從而可能導致染色體畸形。Tran利用面包酵母中一個基因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的結構和排列，其中在RNA獲得來自表達蛋白的指令之前，它必須從DNA分離開來。在這項研究中，Tran證實遭受錯誤調節(jié)的Dbp2和p68導致DNA產(chǎn)生缺陷，這最可能是由于RNA從DNA上不正確分離導致的。不能正確折疊的DNA很容易發(fā)生染色體斷裂或融合，從而導致一系列疾病。盡管這項研究并沒有解決p68與癌癥之間的關聯(lián)問題，但是它為未來的研究奠定基礎。2.科學家發(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，是掌握許多生理功能的關鍵，包括睡眠和新陳代謝?；羧A德休斯醫(yī)學院研究人員、得克薩斯大學西北醫(yī)學中心的約瑟夫塔卡哈斯在上世紀90年代發(fā)現(xiàn)了節(jié)律基因及其蛋白質產(chǎn)物，他和其他研究人員確定了該基因為CLOCK，并發(fā)現(xiàn)其他兩種蛋白BMAL1和NPAS2，能在白天與基因結合激活它們，另外4個節(jié)律調控因子是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)調配合，共同維持身體24小時生理節(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錄合成蛋白質)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)動是整個基因組周期節(jié)律的開始。隨著整體RNA聚合酶和轉錄的調控，全體染色質的狀態(tài)都受節(jié)律生物鐘的調控。組蛋白也隨著整個基因組的節(jié)律被廣泛修改，而組蛋白是維持DNA完整性的關鍵。這表明每個基因都可能按照生理節(jié)律的周期被修改。”此外，他們還做出了許多重要發(fā)現(xiàn)。首先是節(jié)律調控因子能在許多基因組位點和標靶基因結合。他們研究了小鼠肝臟細胞的基因組，發(fā)現(xiàn)超過2萬個位點能與1個或多個調控因子結合；其中超過1千個位點能與所有7種調控因子結合，還有許多位點只能與激活或抑制因子二者之一結合。塔卡哈斯說：“我們以前還以為，它們都只與同一位點結合。”其次，他們研究了肝細胞所有基因每天的表達方式，發(fā)現(xiàn)在轉錄過程中，基因表達并非都控制在轉錄層次。他們還發(fā)現(xiàn)，在一天中RNA聚合酶與基因的結合比基因轉錄更早發(fā)生。周期開始時，轉錄激活因子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。結果RNA聚合酶不得不“暫停”幾個小時，暫停解除后才開始轉錄。所以，生理節(jié)奏不僅與RNA聚合酶有關，還和“暫停”狀態(tài)的解除有關。這些節(jié)律基因的標靶，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)為研究短期轉錄動力學、生理周期、聚合酶和一般轉錄提供了新途徑。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某些基因在一天里的特定時間暫停，以及其他RNA分子在轉錄之后是如何被調控的。3.開發(fā)新方法來解析蛋白結構利用同步加速器X射線光束來解析蛋白和其他生物大分子的結構在醫(yī)學上取得很大進步?？茖W家們獲得的技術進步能夠導致他們取得更加激動人心的進步。最近，來自美國國家同步幅射光源和、紐約結構生物學中心和哥倫比亞大學的研究人員發(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構。他們的研究發(fā)表在科學期刊上。利用大分子X射線晶體學確定蛋白結構的過程必須要首先培養(yǎng)純的分子晶體。當靶分子擁有相似的結構類似物時，這種過程更加容易。但是當靶分子沒有結構類似物時，科學家們面臨著“相位問題”，即缺乏描述入射X射線光波“相位”的關鍵性信息。當一個檢測器記錄X射線衍射圖時，它能夠檢測強度，但是不能檢測相位，但是沒有相位時，分子結構就不能被完全解析出。當存在不相關的結構時，有兩種其他的方法來評估相位。這些方法當中有兩種方法都是屬關于X射線晶體技術的：多波長異常衍射，它利用多種波長的X射線；單波長異常衍射，它只利用一個波長的X射線。這兩種技術通常都涉及加入硒到晶格(通過氨基酸衍生物硒代蛋氨酸，它容易整合進蛋白)之中，和掃描硒原子整個邊上的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)，科學家們能夠確定相位。在這項新研究中，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應用到幾個晶體(對研究的每個蛋白而言，是5到13個晶體)，然后將相對弱的衍射信號結合在一起。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(每個分子擁有3到28個硫位點)。他們成功地解析出每個蛋白的結構提示著他們的研究為在大分子晶體學取得潛在大量的新發(fā)現(xiàn)打開新的大門。分子生物學當然還在不斷地向相關學科滲透, 人類要徹底認識生命、理解生命, 必然要從基因、核酸、核酶、蛋白質等分子水平上去理解有機體的構造、功能與生命的關系。同時, 分子生物學也對醫(yī)學、農(nóng)業(yè)科學及其應用產(chǎn)生了巨大的影響。作為生命活動最高形式的神經(jīng)活動, 以及作為生命活動基本單位的細胞是現(xiàn)代生命科學研究最活躍的領域。這兩門有代表性的學科, 由于采用了分子生物學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。分子生物學、神經(jīng)生理學和分子生物學已成為當代生命科學研究的三大熱點。該三大熱點領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用, 特別是生物大分子基因在同種的不同個體, 甚至不同屬的生物種之間的轉移, 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, 實踐已經(jīng)證明了這一點。這對于農(nóng)業(yè)增產(chǎn)以及控制和改造整個地球上的生物界展現(xiàn)出了廣闊的前景; 為增進人類健康、長壽提供了現(xiàn)實的可行性; 分子生