基因的科技論文范文3000字數(shù)(2)
基因的科技論文范文3000字數(shù)
基因的科技論文范文3000字數(shù)篇二
從基因到生命
2000年6月，美國總統(tǒng)克林頓和英國首相布萊爾在白宮聯(lián)合召開新聞發(fā)布會，克林頓稱這項成果讓人類“終于學會了上帝造人時使用的語言”，布萊爾則宣布“癌癥即將成為過去”。2001年2月15日，《自然》和《科學》雜志同時宣布人類基因組計劃完成后，很少有人注意到，2001年2月21日，美國《商業(yè)周刊》刊登了一幅漫畫，標題叫做《尋找生命中真正重要的東西》。漫畫中，一個圓胖子把代表DNA雙螺旋的瘦高個一把推開，自己站在了聚光燈下。圓胖子下面標注著一個英文單詞――Protein(蛋白質(zhì))。
“我對這幅漫畫印象很深，它告訴我們，人類基因組計劃的完成只是一個階段性勝利，我們距離揭開生命奧秘還早著呢。”美國密歇根大學生物信息學教授、前美國科學促進會(AAAS)主席吉爾・奧曼(Gil Omenn)教授對大家說，“從基因組到疾病，中間還隔著很長的距離，誰能來填補這個空白呢?”
今年溫哥華AAAS年會，奧曼教授負責主持一個關于人類基因組研究的講座。主講人克里斯・奧弗洛(Chris Overall)是一位來自加拿大英屬哥倫比亞大學(University of British Columbia)的生物化學教授，他先用幾個數(shù)據(jù)說明基因組為什么不能解釋所有的問題：“人類一共有20244個基因，果蠅有15016個基因，線蟲有20470個基因，光憑基因數(shù)量，很難想象這三種動物在進化樹上的地位差得如此之遠。”
眾所周知，基因的功能是編碼蛋白質(zhì)，而蛋白質(zhì)是所有生命活動的基礎，無論是身體結(jié)構(gòu)還是生命功能都是由蛋白質(zhì)來實現(xiàn)的。人、果蠅和線蟲無論是體積還是復雜程度都有著天壤之別，為什么在基因數(shù)量上沒有體現(xiàn)出這種差異呢?答案就在于基因和蛋白質(zhì)之間并不是一一對應的關系，它們之間還隔著好幾步呢。
從科學上講，蛋白質(zhì)的生產(chǎn)過程需要經(jīng)歷三個步驟，每一步都可以改變最終結(jié)果。首先，DNA被“轉(zhuǎn)錄”成相應順序的RNA，后者是蛋白質(zhì)合成的直接模板，這個過程可以發(fā)生剪切和重組等諸多變化。其次，RNA被“翻譯”成蛋白質(zhì)，這個過程也不簡單，RNA和蛋白質(zhì)之間并不是正比關系，尤其是豐度較低的蛋白質(zhì)更是如此。第三，“翻譯”后的蛋白質(zhì)還要經(jīng)過進一步“修飾”過程才能被派上用場，從某種程度上說，這個修飾過程是最重要的，存在著大量調(diào)控的空間。
換一種通俗說法，如果把基因看做建筑圖紙，建筑商先要組建一系列包工隊，分別負責建造墻壁、房梁和屋頂，再由裝修工人負責做最后的潤色，每個工人都有權(quán)對圖紙做出修改，如果不了解修改的過程，僅憑那張原始建筑圖是無法確定最后出來的結(jié)果到底是什么樣的。
加拿大英屬哥倫比亞大學的麥克・海頓(Michael Hayden)教授用一個案例說明光靠基因組完全無法解釋生命的復雜性：“2008年《自然雜志遺傳學分冊》(Nature Genetics)上有篇文章，通過對1.6萬人的基因組進行研究，找到了12個與身高有關的基因。但是經(jīng)過仔細分析，科學家發(fā)現(xiàn)這12個基因加起來對一個人身高的影響也只有2%左右，也就是說，假設一個人幸運地擁有了全部這12個基因，他也只能比平均值高1英寸。”
正因為上述原因，在人類基因組計劃完成之前，科學家就已經(jīng)開始未雨綢繆，著手研究從基因到生命之間的那幾個步驟了。他們的研究方法和基因組一樣，都是窮盡法，即把所有的可能性都找出來，再從中尋找規(guī)律。
從轉(zhuǎn)錄組學到蛋白質(zhì)組學
既然DNA需要先轉(zhuǎn)錄成RNA才能起作用，那就干脆把所有的RNA順序全部測出來好了，這個領域叫做轉(zhuǎn)錄組學(Transcriptomics)，這個詞是模仿基因組學(Genomics)而生造出來的。美國伊利諾伊大學的威廉・貝克(William Beck)教授在本次AAAS大會上向聽眾介紹了轉(zhuǎn)錄組學已經(jīng)取得的成就，按照他的估計，人類一共有大約10萬個轉(zhuǎn)錄子(蛋白質(zhì)合成的最小單元)，是基因數(shù)量的5倍。換句話說，平均每張建筑圖紙可以通過剪切和拼接等辦法，變成5張不同的新圖紙。
科學家在研究RNA的過程中發(fā)現(xiàn)，人體細胞中還存在大量不直接生產(chǎn)蛋白質(zhì)的siRNA，這種小分子單鏈RNA通常由20～25個字母組成，它們能夠和相應的DNA或者RNA結(jié)合，從而影響基因的表達。這個發(fā)現(xiàn)曾經(jīng)掀起過一陣風暴，引來很多大制藥廠參與豪賭，試圖用siRNA來生產(chǎn)新藥。比如，2007年默克制藥公司花了11億美元將“斯納醫(yī)療”(Sirna Therapeutics)公司買下，用于開發(fā)siRNA藥物。同年，羅氏制藥公司(Roche)和武田制藥公司(Takeda)則花費4.31億美元買下了阿爾尼拉姆(Alnylam)公司，以此方式進入這個領域。諾華制藥公司也通過收購股權(quán)的方式和阿爾尼拉姆公司有過合作。但是，由于siRNA分子極不穩(wěn)定，很難將其運送到指定地點，這次豪賭慘遭失敗，到2010年時包括諾華、羅氏和輝瑞在內(nèi)的許多大制藥公司紛紛撤銷了siRNA部門，基本上退出了這一領域，大筆前期投資也因此而打了水漂。
這件事從一個側(cè)面說明，新藥研發(fā)是一項風險極大的行當。
轉(zhuǎn)錄組學研究的是蛋白質(zhì)生產(chǎn)過程的中間步驟，為什么不干脆跳過這一步，直接研究蛋白質(zhì)組學(Proteomics)呢?事實上，科學家很早就明白這件事早晚非做不可，Proteomics這個詞早在1997年就被造出來了。但是，蛋白質(zhì)組學遠比基因組學要困難得多，原因在于一個人的基因組在每個細胞里基本上都是一樣的，可蛋白質(zhì)的組成情況在每個器官、每個組織、每個細胞，甚至同一個細胞的不同時間段內(nèi)都不一樣，蛋白質(zhì)圖譜必須按照采樣地點和時間的不同分別繪制，蛋白質(zhì)研究者所面臨的是一個無比艱巨的任務。
來自加拿大英屬哥倫比亞大學的蛋白學家克里斯・歐福羅(Chris Overall)教授向聽眾解釋了問題的復雜性：“蛋白質(zhì)是由氨基酸首尾相連組成的，蛋白酶可以在這條氨基酸鏈上的任意位置切一刀，將其變成兩個功能完全不同的新蛋白質(zhì)。也可以從一端開始，依次移除若干個氨基酸，整個蛋白質(zhì)的性質(zhì)就會發(fā)生天翻地覆的變化。事實上，很多癌癥就是這么來的。”
根據(jù)瑞士生物信息學院(Swiss Insti-tute of Bioinformatics)的統(tǒng)計，人體內(nèi)至少存在500萬種不同的蛋白質(zhì)，這就相當于每個新合成的蛋白質(zhì)可以有50～100種不同的修飾方式。換句話說，每幢房子可以有50～100種不同的裝修設計，最后出來的結(jié)果全都不一樣。
來自加拿大多倫多大學的科學家安德魯・艾米利(Andrew Emili)教授用一個例子向聽眾解釋了蛋白質(zhì)組學的存在意義：“人和黑猩猩之間的差別遠大于小鼠和大鼠之間的差別，這說明人和黑猩猩蛋白質(zhì)的差別比小鼠和大鼠蛋白質(zhì)的差別要大。但是，如果只比較基因組，人和黑猩猩之間的差別比小鼠和大鼠之間的差別居然還要小上10倍，可見光靠基因組分析是遠遠不夠的。”
“要想全面了解蛋白質(zhì)的功能，僅僅繪制出蛋白質(zhì)圖譜也是遠遠不夠的。”艾米利教授補充道，“蛋白質(zhì)之間存在各種相互作用，信息就是通過這些相互作用在蛋白質(zhì)之間傳遞的，所以蛋白質(zhì)組學的研究范圍比基因組學更廣，除了要研究蛋白質(zhì)的種類、數(shù)量、轉(zhuǎn)換率(蛋白質(zhì)合成和分解的速率之比)、運輸路徑、翻譯后修飾等性質(zhì)之外，還要研究蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)之間的關系、蛋白復合體的功能屬性，甚至蛋白質(zhì)和藥物之間的化學反應特性。”
艾米利教授為聽眾展示了一張反映酵母細胞蛋白質(zhì)互相作用情況的“聯(lián)絡圖”，密密麻麻的點和線看得人眼花繚亂。
那么，如此復雜的蛋白質(zhì)組學什么時候才能繪制完成呢?或者換個問法：人類什么時候才能體驗到蛋白質(zhì)組學帶來的好處呢?答案出乎所有人的預料。
從預防醫(yī)學到治未病
間皮瘤(Mesothelioma)是一種較為罕見的肺部惡性腫瘤，絕大部分間皮瘤是由于病人吸入石棉而引起的。這種癌癥的潛伏期很長，有沒有辦法預測出哪一位石棉工人將會得這種癌呢?
科學家尚未搞清間皮瘤的發(fā)病機理，暫時還不能從分子水平上對間皮瘤做出可靠的預診。但是，美國科羅拉多大學的科學家拉里・格德(Larry Gold)博士決定運用蛋白質(zhì)組學的思路，在未搞清發(fā)病機理的前提下實現(xiàn)這一目標。他找來357個間皮瘤樣本，與接觸了石棉但沒有發(fā)病的樣本做對比，分析兩者在蛋白質(zhì)層面的差別，希望從中發(fā)現(xiàn)規(guī)律。
這個對比不是用常見的抗體法做的，因為單克隆抗體的專一性還是不夠高，不能滿足這個實驗的要求。格德教授發(fā)明了一種“低解離率修飾的配體”(Slow Off-rate Modified Aptamers，簡稱SOMAmer)，用來代替抗體的功能。簡單說，這個SOMAmer就是一種寡核苷酸，本身帶有DNA和蛋白質(zhì)的雙重性能，既可以和蛋白質(zhì)發(fā)生特異性結(jié)合，又可以采用已經(jīng)成型的DNA序列分析法，準確而又快速地做出鑒定。更可貴的是，SOMAmer和蛋白質(zhì)之間的結(jié)合特異性極高，每一個SOMAmer只和一種蛋白質(zhì)相結(jié)合，目前尚未發(fā)現(xiàn)例外。
有了這個新工具，格德教授就可以實現(xiàn)自己的理想了。他對比了間皮瘤和石棉接觸者的血清樣本，分別繪制出了兩種樣本的蛋白質(zhì)圖譜，找出兩者的區(qū)別，再用這個區(qū)別為標準，對陌生的血清樣本做鑒定，準確率和特異性都達到了驚人的98%。
格德教授還用類似的方法對非小細胞肺癌(Non-Small Cell Lung Cancer)、胰腺癌、腎癌、阿爾茲海默氏病、帕金森氏病、心臟病和糖尿病等常見疾病做了對比，希望能找出一種診斷方法，能夠提早預測出疾病的發(fā)生，這樣做的好處是顯而易見的，如果能進一步提高準確性和靈敏度的話，其商業(yè)前景一片光明。
格德教授成立了一家名為SomaLogic的生物技術(shù)公司，正在進行臨床試驗，爭取早日獲得FDA批準，將這項技術(shù)商業(yè)化。他的近期理想是運用這項技術(shù)預測疾病的發(fā)生，為個人化治療(Personalized Medicine)出把力。他的遠期理想是擴大應用范圍，將這項技術(shù)用于個人化健康(Personalized Wellness)領域，真正做到“治未病”。
必須再次強調(diào)，這項技術(shù)的核心不是生物學，而是信息科學。格德教授不需要知道每一種病的發(fā)病機理，他只要通過這項技術(shù)獲得海量的數(shù)據(jù)，然后用計算機分析這些數(shù)據(jù)，從中發(fā)現(xiàn)規(guī)律就可以了。也就是說，這項技術(shù)背后的思路和基因組學、轉(zhuǎn)錄組學完全一樣，都是對傳統(tǒng)生物學研究方法的一次革命。
結(jié)語
生命科學發(fā)展到今天，雖然取得了無數(shù)令人驚訝的成就，但在某些疾病的治療方面應該說是不盡如人意的，與同時起家的信息科學相比，差異更加明顯。新一代生物學家決定另辟蹊徑，與計算機科學聯(lián)起手來，建立了生命信息科學(Bioinformatics)這門新學科，基因組學、轉(zhuǎn)錄組學和蛋白質(zhì)組學屬于生命信息科學旗下的三個分支。這個結(jié)合的意義極為深遠，它徹底改變了生物學的研究思路和方法，讓我們有理由期待下一場新技術(shù)革命的爆發(fā)。
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