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    解读诺奖:沉默基因闪亮登场

    评审委员会的公报中称:“他们的发现澄清了许多令人迷惑和矛盾的实验结果,揭开了大自然控制遗传信息流动的一种机制,他们开创了一个崭新的研究领域。” 

      中心法则的困惑 

      生命的遗传信息储藏在细胞核中的脱氧核糖核酸(DNA)中。DNA的信息被信使核糖核酸(mRNA)复制,mRNA再将这一指令送到生产蛋白质的细胞质中。弗朗西斯·克里克(France Crick)是1962年诺贝尔生理学或医学奖获得者,他将遗传信息从DNA通过mRNA转到蛋白质的流动过程称为分子生物学的中心法则。从消化食物的酶、大脑中接受信息的受体,到防御细菌的抗体,蛋白质与生命的过程息息相关。 

      人类基因组有约3万个基因。然而,只有少部分基因在细胞中发挥作用。基因的表达主宰了蛋白质的合作,这一过程由mRNA复制DNA信息的转录机制所控制。早在40多年前,法国诺贝尔奖获得者雅各布(Francois Jacob)和莫诺(Jacques Monod)发现了基因表达的基本调控机制。今天,我们知道这一机制主宰着从细菌到人类的整个进化过程,科学家们在此基础上发展出基因技术,也就是说将DNA序列注入细胞中生产新型蛋白质。 

      上世纪90年代,分子生物学家们得到了一系列难以解释的意外结果,其中最引人注目的是,生物学家们观察到:为了增加矮牵牛花花瓣的颜色深度,他们将一种形成花朵红色的基因注入花中,结果不仅花朵的颜色没有增加,而且花儿完全退色,花瓣变成了白色。究竟是什么机制导致这种异常现象呢?科学家们为此困扰不已。 

      发现的那一刻 

      面对植物学领域出现的一系列不可思议的基因沉默实验结果,菲尔和梅洛决定研究基因的表达究竟是如何被控制的。菲尔当时在卡内基华盛顿研究所工作,他说,对实验的嗅觉将他和梅洛引入这个领域。两人对生命周期只有9天的秀丽隐杆线虫的实验研究揭开了这个谜底。 

      他们将一种编码肌肉蛋白质的mRNA注入秀丽隐杆线虫中,发现线虫的行为并没有由此产生什么变化。携带的这种遗传密码的mRNA被称为“正义mRNA”,携带反遗传密码信息的mRNA则被称为“反义mRNA”。两人又将反义mRNA注入线虫中,同样没有发生什么变化。但是,当他们将正义和反义mRNA同时注入线虫时,线虫出现了奇特的颤搐运动。类似的运动在编码这种肌肉蛋白质的基因完全缺失的小鼠中出现过。梅洛回忆说:“这是发现的那一刻,双链RNA沉默了基因!这是多么令人激动而有趣的现象。” 

      为什么会出现这种现象呢?原来,当正义和反义mRNA相遇时,它们彼此纠缠形成双链RNA。菲尔和梅洛推测:是这种双链RNA分子沉默了携带了同样遗传信息的基因吗?他们将携带另外几种线虫肌肉蛋白质遗传信息的双链RNA分子注入线虫体内。在每次实验中,携带某种遗传密码的双链RNA总能沉默含有相同密码的基因的表达,因此由这种基因编码的蛋白质就不再形成。 

      在一系列简单而出色的实验后,菲尔和梅洛认为,双链RNA能抑制含同样密码的特定基因的表达,这种RNA干扰现象可在细胞间扩散甚至能遗传。他们认为这种RNA干扰是一种催化过程。他们的研究结果发表在1998年2月19日出版的《自然》杂志上。 

      揭开谜底 

      在此之后的几年中,菲尔和梅洛开始研究单链RNA不能沉默基因的原因,他们揭开了双链RNA干扰机制的秘密。 

      双链RNA被一种名为Dicer的蛋白质识别并与之结合在一起,Dicer将双链RNA切割成碎片般的小片段。之后,小片段与另一种名为RISC的蛋白质结合在一起,RISC会去除双链RNA小片段中的一个链,只留下单链RNA与自己在一起。结果,这种RISC复合体像侦探一样探测mRNA分子,一旦mRNA与自己的RN-段所携带信息匹配,RISC复合体就将它与自己结合起来,然后把它切割片断并毁灭。对应的基因就这样被沉默了。 

      RNA干扰是生命体尤其是低等动物对付病毒的一种自然防御机制。许多病毒含有双链RNA遗传密码,当这类病毒感染细胞时,它会向细胞注入它的RNA分子,这种分子立即与Dicer结合,RISC被激活,病毒RNA因此被降解,感染的细胞得以生存。除了有这样的防御机制外,像人类这样的高等动物还发展出包括抗体、杀手细胞和干扰素这类的免疫防御系统。 

      拓展全新领域 

      菲尔和梅洛的发现打开了崭新的篇章。如今,RNA干扰技术已被用于调控人类基因的表达。我们身体中的几百个基因可编码一种名为microRNA的小RNA分子。这种小分子含有其他基因的几种密码,它能形成双链RNA结构,激活RNA干扰机制从而阻断蛋白质的合成。 

      科学家认为,RNA干扰技术不仅是研究基因功能的一种强大工具,不久的未来,这种技术也许能用来直接从源头上让致病基因“沉默”,以治疗癌症甚至艾滋病,在农业上也将大有可为,在最近的动物实验中,RNA干扰技术成功地沉默了小鼠体内导致高胆固醇的基因。前景令人兴奋,新机会还在不断涌现,但也有科学家警告RNA干扰的潜在危险,比如实验也显示它能致死小鼠。研究人员必须在临床试验中小心谨慎。 

      尽管RNA干扰的应用方兴未艾,但梅尔的兴趣仍然在基础研究上。他说:“至今我们对这种机制还有许多不了解的地方。如今,看到如此之多不同领域的人都聚集在一起研究这种机制,这是多么激动人心的事。”
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