基因的科技論文范文3000字?jǐn)?shù)(2)
基因的科技論文范文3000字?jǐn)?shù)
基因的科技論文范文3000字?jǐn)?shù)篇二
從基因到生命
2000年6月，美國(guó)總統(tǒng)克林頓和英國(guó)首相布萊爾在白宮聯(lián)合召開(kāi)新聞發(fā)布會(huì)，克林頓稱這項(xiàng)成果讓人類“終于學(xué)會(huì)了上帝造人時(shí)使用的語(yǔ)言”，布萊爾則宣布“癌癥即將成為過(guò)去”。2001年2月15日，《自然》和《科學(xué)》雜志同時(shí)宣布人類基因組計(jì)劃完成后，很少有人注意到，2001年2月21日，美國(guó)《商業(yè)周刊》刊登了一幅漫畫(huà)，標(biāo)題叫做《尋找生命中真正重要的東西》。漫畫(huà)中，一個(gè)圓胖子把代表DNA雙螺旋的瘦高個(gè)一把推開(kāi)，自己站在了聚光燈下。圓胖子下面標(biāo)注著一個(gè)英文單詞――Protein(蛋白質(zhì))。
“我對(duì)這幅漫畫(huà)印象很深，它告訴我們，人類基因組計(jì)劃的完成只是一個(gè)階段性勝利，我們距離揭開(kāi)生命奧秘還早著呢。”美國(guó)密歇根大學(xué)生物信息學(xué)教授、前美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)(AAAS)主席吉爾・奧曼(Gil Omenn)教授對(duì)大家說(shuō)，“從基因組到疾病，中間還隔著很長(zhǎng)的距離，誰(shuí)能來(lái)填補(bǔ)這個(gè)空白呢?”
今年溫哥華AAAS年會(huì)，奧曼教授負(fù)責(zé)主持一個(gè)關(guān)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(lái)自加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)(University of British Columbia)的生物化學(xué)教授，他先用幾個(gè)數(shù)據(jù)說(shuō)明基因組為什么不能解釋所有的問(wèn)題：“人類一共有20244個(gè)基因，果蠅有15016個(gè)基因，線蟲(chóng)有20470個(gè)基因，光憑基因數(shù)量，很難想象這三種動(dòng)物在進(jìn)化樹(shù)上的地位差得如此之遠(yuǎn)。”
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(dòng)的基礎(chǔ)，無(wú)論是身體結(jié)構(gòu)還是生命功能都是由蛋白質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。人、果蠅和線蟲(chóng)無(wú)論是體積還是復(fù)雜程度都有著天壤之別，為什么在基因數(shù)量上沒(méi)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(duì)應(yīng)的關(guān)系，它們之間還隔著好幾步呢。
從科學(xué)上講，蛋白質(zhì)的生產(chǎn)過(guò)程需要經(jīng)歷三個(gè)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(yīng)順序的RNA，后者是蛋白質(zhì)合成的直接模板，這個(gè)過(guò)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(gè)過(guò)程也不簡(jiǎn)單，RNA和蛋白質(zhì)之間并不是正比關(guān)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(guò)進(jìn)一步“修飾”過(guò)程才能被派上用場(chǎng)，從某種程度上說(shuō)，這個(gè)修飾過(guò)程是最重要的，存在著大量調(diào)控的空間。
換一種通俗說(shuō)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(duì)，分別負(fù)責(zé)建造墻壁、房梁和屋頂，再由裝修工人負(fù)責(zé)做最后的潤(rùn)色，每個(gè)工人都有權(quán)對(duì)圖紙做出修改，如果不了解修改的過(guò)程，僅憑那張?jiān)冀ㄖD是無(wú)法確定最后出來(lái)的結(jié)果到底是什么樣的。
加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)的麥克・海頓(Michael Hayden)教授用一個(gè)案例說(shuō)明光靠基因組完全無(wú)法解釋生命的復(fù)雜性：“2008年《自然雜志遺傳學(xué)分冊(cè)》(Nature Genetics)上有篇文章，通過(guò)對(duì)1.6萬(wàn)人的基因組進(jìn)行研究，找到了12個(gè)與身高有關(guān)的基因。但是經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)這12個(gè)基因加起來(lái)對(duì)一個(gè)人身高的影響也只有2%左右，也就是說(shuō)，假設(shè)一個(gè)人幸運(yùn)地?fù)碛辛巳窟@12個(gè)基因，他也只能比平均值高1英寸。”
正因?yàn)樯鲜鲈颍谌祟惢蚪M計(jì)劃完成之前，科學(xué)家就已經(jīng)開(kāi)始未雨綢繆，著手研究從基因到生命之間的那幾個(gè)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(lái)，再?gòu)闹袑ふ乙?guī)律。
從轉(zhuǎn)錄組學(xué)到蛋白質(zhì)組學(xué)
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(cè)出來(lái)好了，這個(gè)領(lǐng)域叫做轉(zhuǎn)錄組學(xué)(Transcriptomics)，這個(gè)詞是模仿基因組學(xué)(Genomics)而生造出來(lái)的。美國(guó)伊利諾伊大學(xué)的威廉・貝克(William Beck)教授在本次AAAS大會(huì)上向聽(tīng)眾介紹了轉(zhuǎn)錄組學(xué)已經(jīng)取得的成就，按照他的估計(jì)，人類一共有大約10萬(wàn)個(gè)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(shuō)，平均每張建筑圖紙可以通過(guò)剪切和拼接等辦法，變成5張不同的新圖紙。
科學(xué)家在研究RNA的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，人體細(xì)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(gè)字母組成，它們能夠和相應(yīng)的DNA或者RNA結(jié)合，從而影響基因的表達(dá)。這個(gè)發(fā)現(xiàn)曾經(jīng)掀起過(guò)一陣風(fēng)暴，引來(lái)很多大制藥廠參與豪賭，試圖用siRNA來(lái)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(kāi)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(fèi)4.31億美元買下了阿爾尼拉姆(Alnylam)公司，以此方式進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域。諾華制藥公司也通過(guò)收購(gòu)股權(quán)的方式和阿爾尼拉姆公司有過(guò)合作。但是，由于siRNA分子極不穩(wěn)定，很難將其運(yùn)送到指定地點(diǎn)，這次豪賭慘遭失敗，到2010年時(shí)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(lǐng)域，大筆前期投資也因此而打了水漂。
這件事從一個(gè)側(cè)面說(shuō)明，新藥研發(fā)是一項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)極大的行當(dāng)。
轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究的是蛋白質(zhì)生產(chǎn)過(guò)程的中間步驟，為什么不干脆跳過(guò)這一步，直接研究蛋白質(zhì)組學(xué)(Proteomics)呢?事實(shí)上，科學(xué)家很早就明白這件事早晚非做不可，Proteomics這個(gè)詞早在1997年就被造出來(lái)了。但是，蛋白質(zhì)組學(xué)遠(yuǎn)比基因組學(xué)要困難得多，原因在于一個(gè)人的基因組在每個(gè)細(xì)胞里基本上都是一樣的，可蛋白質(zhì)的組成情況在每個(gè)器官、每個(gè)組織、每個(gè)細(xì)胞，甚至同一個(gè)細(xì)胞的不同時(shí)間段內(nèi)都不一樣，蛋白質(zhì)圖譜必須按照采樣地點(diǎn)和時(shí)間的不同分別繪制，蛋白質(zhì)研究者所面臨的是一個(gè)無(wú)比艱巨的任務(wù)。
來(lái)自加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)的蛋白學(xué)家克里斯・歐福羅(Chris Overall)教授向聽(tīng)眾解釋了問(wèn)題的復(fù)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(gè)功能完全不同的新蛋白質(zhì)。也可以從一端開(kāi)始，依次移除若干個(gè)氨基酸，整個(gè)蛋白質(zhì)的性質(zhì)就會(huì)發(fā)生天翻地覆的變化。事實(shí)上，很多癌癥就是這么來(lái)的。”
根據(jù)瑞士生物信息學(xué)院(Swiss Insti-tute of Bioinformatics)的統(tǒng)計(jì)，人體內(nèi)至少存在500萬(wàn)種不同的蛋白質(zhì)，這就相當(dāng)于每個(gè)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(shuō)，每幢房子可以有50～100種不同的裝修設(shè)計(jì)，最后出來(lái)的結(jié)果全都不一樣。
來(lái)自加拿大多倫多大學(xué)的科學(xué)家安德魯・艾米利(Andrew Emili)教授用一個(gè)例子向聽(tīng)眾解釋了蛋白質(zhì)組學(xué)的存在意義：“人和黑猩猩之間的差別遠(yuǎn)大于小鼠和大鼠之間的差別，這說(shuō)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(jiàn)光靠基因組分析是遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。”艾米利教授補(bǔ)充道，“蛋白質(zhì)之間存在各種相互作用，信息就是通過(guò)這些相互作用在蛋白質(zhì)之間傳遞的，所以蛋白質(zhì)組學(xué)的研究范圍比基因組學(xué)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(yùn)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(guān)系、蛋白復(fù)合體的功能屬性，甚至蛋白質(zhì)和藥物之間的化學(xué)反應(yīng)特性。”
艾米利教授為聽(tīng)眾展示了一張反映酵母細(xì)胞蛋白質(zhì)互相作用情況的“聯(lián)絡(luò)圖”，密密麻麻的點(diǎn)和線看得人眼花繚亂。
那么，如此復(fù)雜的蛋白質(zhì)組學(xué)什么時(shí)候才能繪制完成呢?或者換個(gè)問(wèn)法：人類什么時(shí)候才能體驗(yàn)到蛋白質(zhì)組學(xué)帶來(lái)的好處呢?答案出乎所有人的預(yù)料。
從預(yù)防醫(yī)學(xué)到治未病
間皮瘤(Mesothelioma)是一種較為罕見(jiàn)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(zhǎng)，有沒(méi)有辦法預(yù)測(cè)出哪一位石棉工人將會(huì)得這種癌呢?
科學(xué)家尚未搞清間皮瘤的發(fā)病機(jī)理，暫時(shí)還不能從分子水平上對(duì)間皮瘤做出可靠的預(yù)診。但是，美國(guó)科羅拉多大學(xué)的科學(xué)家拉里・格德(Larry Gold)博士決定運(yùn)用蛋白質(zhì)組學(xué)的思路，在未搞清發(fā)病機(jī)理的前提下實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。他找來(lái)357個(gè)間皮瘤樣本，與接觸了石棉但沒(méi)有發(fā)病的樣本做對(duì)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(gè)對(duì)比不是用常見(jiàn)的抗體法做的，因?yàn)閱慰寺】贵w的專一性還是不夠高，不能滿足這個(gè)實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)稱SOMAmer)，用來(lái)代替抗體的功能。簡(jiǎn)單說(shuō)，這個(gè)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(zhǔn)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(gè)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(gè)新工具，格德教授就可以實(shí)現(xiàn)自己的理想了。他對(duì)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(gè)區(qū)別為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)陌生的血清樣本做鑒定，準(zhǔn)確率和特異性都達(dá)到了驚人的98%。
格德教授還用類似的方法對(duì)非小細(xì)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(jiàn)疾病做了對(duì)比，希望能找出一種診斷方法，能夠提早預(yù)測(cè)出疾病的發(fā)生，這樣做的好處是顯而易見(jiàn)的，如果能進(jìn)一步提高準(zhǔn)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(jìn)行臨床試驗(yàn)，爭(zhēng)取早日獲得FDA批準(zhǔn)，將這項(xiàng)技術(shù)商業(yè)化。他的近期理想是運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)預(yù)測(cè)疾病的發(fā)生，為個(gè)人化治療(Personalized Medicine)出把力。他的遠(yuǎn)期理想是擴(kuò)大應(yīng)用范圍，將這項(xiàng)技術(shù)用于個(gè)人化健康(Personalized Wellness)領(lǐng)域，真正做到“治未病”。
必須再次強(qiáng)調(diào)，這項(xiàng)技術(shù)的核心不是生物學(xué)，而是信息科學(xué)。格德教授不需要知道每一種病的發(fā)病機(jī)理，他只要通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)獲得海量的數(shù)據(jù)，然后用計(jì)算機(jī)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(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)背后的思路和基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)完全一樣，都是對(duì)傳統(tǒng)生物學(xué)研究方法的一次革命。
結(jié)語(yǔ)
生命科學(xué)發(fā)展到今天，雖然取得了無(wú)數(shù)令人驚訝的成就，但在某些疾病的治療方面應(yīng)該說(shuō)是不盡如人意的，與同時(shí)起家的信息科學(xué)相比，差異更加明顯。新一代生物學(xué)家決定另辟蹊徑，與計(jì)算機(jī)科學(xué)聯(lián)起手來(lái)，建立了生命信息科學(xué)(Bioinformatics)這門新學(xué)科，基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)屬于生命信息科學(xué)旗下的三個(gè)分支。這個(gè)結(jié)合的意義極為深遠(yuǎn)，它徹底改變了生物學(xué)的研究思路和方法，讓我們有理由期待下一場(chǎng)新技術(shù)革命的爆發(fā)。
看了“基因的科技論文范文3000字?jǐn)?shù)”的人還看：