２００６年诺贝尔化学奖成果简介

摘要 简要介绍了2006诺贝尔化学奖的成果，获奖者美国科学家罗杰•科恩伯格在该成果的主要贡献在于对真核转录过程的分子研究，对于人们理解转录过程具有深远的意义。目前，基因转录的过程广泛应用在基因研究的实验室中。

关键词 2006年诺贝尔化学奖　转录过程　应用

瑞典皇家科学院诺贝尔奖评委会将2006年诺贝尔化学奖授予美国科学家罗杰•科恩伯格，以奖励他在“真核转录的分子基础”研究领域作出的贡献。科恩伯格成为第一个成功地将脱氧核糖核酸（DNA）的复制过程捕捉下来的科学家，评委会称他的获奖真正体现了诺贝尔遗言中所说的“授予一项非常重要的化学发现”。

科恩伯格在分子水平上研究了储存在细胞核基因中的信息如何被复制、转送到细胞的其他地方，用以制造蛋白质，这个过程被称为转录，他首次在真核细胞生物中拍摄到了生命中这个动态过程的真实照片。

基因中遗传信息的转录和复制是地球上所有生物生存和发展必然经过的过程。科恩伯格是首位在分子水平上揭示真核生物转录过程如何进行的科学家，使了解基因的转录过程成为可能。这一过程具有医学上的“基础性”作用，因为人类的多种疾病如癌症、心脏病等都与这一过程发生紊乱有关。理解这一过程有助于人们寻找治疗上述疾病的方法。目前，基因转录的过程广泛应用在基因研究的实验室中。

此外，理解转录过程也有助于人们理解干细胞如何发展成不同的特定细胞。干细胞，特别是胚胎干细胞，能分化成不同种类的体细胞。科学家相信，将来可以利用人类胚胎干细胞修补人体受损的组织和器官，治疗多种疾病。

1基因的复制与转录

1.1DNA复制^［1］

DNA借助于由多酶复合体所组成的复制机构，在每次细胞分裂时，首先要精确地进行复制。在整个复制过程中有两个基本需要：首先DNA链上的核苷酸必须为自由状态的核苷酸所识别；其次DNA双螺旋必须打开，暴露彼此的氢键进行碱基配对，然后把排列起来的核苷酸在多聚化酶的催化下连接成为一条新的核苷酸链。1957年，发现了第一个核苷酸多聚化酶——DNA多聚酶^［2］。

在DNA复制中，事实上是在两条打开的单链上各合成一条新链，因此每一条新合成的DNA双螺旋是由新、旧各一条组成，称为半保留复制。

1.2转录过程——RNA合成

游离的RNA聚合酶（又叫转录酶）随机地碰撞染色体，只与多数的DNA微弱接触。当它与启动子的序列接触时就与之紧密结合，并从启动子内的起点开始转录。此后，转录酶沿DNA移动并逐步地打开DNA双链，以其中的一条为模板，不断合成RNA，直到它碰到终止信号序列为止^［3］。

按理说DNA双螺旋的任何区域均可转录出两条序列相反的RNA链。但事实上，在一定区域（或一个转录单位）内只有一条链作为转录的模板^［4］。至于在某转录区域到底以哪一条链作为转录模板，则决定于每一个将要转录的基因的启动子。这是因为启动子的序列是定向的，它规定了转录方向，也就是RNA转录酶的走向。

1.3RNA聚合酶

一般是指DNA依存性RNA聚合酶^［5］。是催化以DNA为模板、三磷酸核糖核苷为底物、通过磷酸二酯键而聚合的合成RNA的酶。因为在细胞内与基因DNA的遗传信息转录为RNA有关，所以也称转录酶。反应以下式示：

n₁-n₄表示各个模板的DNA链的胸腺嘧啶、胞嘧啶、鸟嘧啶、腺嘌呤的碱基数。通过特异的碱基配对的形成，合成具有与模板DNA链完全互补的碱基排列的RNA。反应是由（1）DNA与酶的结合；（2）构成RNA的5′末端的底物（ATP或GTP）与第二个底物间磷酸二酯键的形成；（3）RNA链从5′端向3′端延长反应；（4）RNA合成的停止等基本反应组成的。酶一般是分子量为十万的大蛋白质、由复数的亚单位所组成。大肠杆菌的酶具有2α（分子量约4万），β（分子量约15万5千），β′（分子量约16万），σ（分子量约9万）的亚单位。称α2ββ′为核心酶，α2ββ′σ为全酶。RNA合成的起始，延长反应的活性中心在β亚单位，DNA间的结合与β′有关。σ亚单位对于在DNA的正确位置的起始反应是必要的。在动物细胞中具有与大肠杆菌类似的亚单位组成的酶，在核内有几种（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型等），其中Ⅰ型位于核仁，参与核糖体RNA的合成，Ⅱ型位于核质，催化mRNA的合成。Ⅲ型位于核质，催化 tRNA和55rRNA的合成^［3］。

2基因的表达

持续转录DNA中的遗传信息是所有生命的中心过程。因为DNA分子位于细胞核中，它所携带的遗传信息必须复制到信息RNA分子，再由它带到细胞生产蛋白质的地方，蛋白质构建了生命的器官和功能。

如果转录过程被干扰，那么细胞中蛋白质的生产就会停止，生命就会死亡。比如，一种形状如伞的毒菌有死亡之帽之称，因为伞帽上的毒素会抑制在转录过程中起核心作用的RNA聚合酶的功能，几天后，当毒素从肠扩散到肝和肾时，它们就被损害了。而且，包括癌症、心脏病和各种不同炎症的发生也与转录过程出现问题有关。

身体中所有的细胞都含有相同的遗传信息，但为什么不同的细胞总是各负其职呢？比如皮肤细胞负责皮肤细胞的更新、肝脏细胞负责肝脏的更新，原因是这些器官中遗传信息的转录方式不同。要了解干细胞为何能分化成不同的细胞，必须深刻认识遗传信息的转录过程是如何被调控的，这也有助于在医学上实现干细胞的全部潜能。

DNA分子有4个基本的构件，即碱基G、C、A、T，碱基对是由氢键连结的一对互相匹配的碱基。RNA也是由相应的碱基构成。隐藏在这些分子中的遗传信息是由这些碱基的排列方式决定的。因此，遗传密码仅仅由4个字母组成^［3］。

DNA分子是由碱基对连结起来的双螺旋分子链。当DNA双螺旋分开成单链并以此创建RNA链的模板时，转录过程便开始了。一个基本的问题是，究竟是什么样的机制保证RNA的碱基对按对应于DNA单链的正确序列结合在一起？答案隐藏在一个控制这个过程的特定酶中：RNA聚合酶。解开这个谜的人是科恩伯格。

3科恩伯格的贡献

2001年，科恩伯格创建了第一张RNA聚合酶的全动态照片（如图1）。在这幅图片中，如丝带般杂乱的分子是RNA聚合酶，它们支撑着单链DNA分子。这些聚合酶分子在保持DNA链处于正确位置时也创建了一个极小的“空穴”，这个空穴只允许与DNA链上的碱基配对的碱基进入RNA链，这样，通过一个个的碱基配对，RNA链就像拼凑七巧板一样形成了。诺贝尔奖的公告中称：“这张照片真正革命性的地方是科恩伯格抓住了转录的过程。我们在这张照片中看到了RNA链的形成过程，DNA分子、聚合酶和RNA在这个过程中的精确位置。”

这张图片是怎么创建的呢？科恩伯格采用了一个绝妙的方法。在RNA链的形成过程中，他从溶液中取走其中一个必需的碱基对，导致RNA链在需要这个碱基对的插入时因找不到它而将转录过程停止，然后创建出这些分子的晶体，再用X射线拍照，利用这种照片，计算机计算出分子中原子的真正位置，这张图片就是由一台计算机这样制作出来的。今天，为了描述一个生物分子而将它们制作成晶体并不是一件难事，然而，要在晶体中抓住一个化学反应的瞬间却异常困难，仅仅拥有良好的晶体学技术是不够的。剑桥大学的转录专家S teve Jackson赞美科恩伯格的全才风格，他对《自然》杂志说：“罗杰采用的方法结合了生物化学、结构生物学和分子遗传学和功能研究。”

科学家们曾经相信真核生物与细菌的转录过程非常类似，然而，经验证明真核生物的转录过程复杂得多，第一个RNA聚合酶就是从哺乳动物的肝脏中提取的，但研究这类分子极为困难。因此，细菌成为第一个用于转录过程研究的生物。1965年诺贝尔生理学或医学奖授予雅克、莫诺和洛夫，以表彰他们对细菌转录过程的详细描述。除RNA聚合酶外，还有一个名为西格马因子的分子在细菌转录过程开始时是必要的，它附着在RNA聚合酶上，通过识别DNA链上的特别密码来告诉RNA聚合酶遗传信息的起点和终点。但科学家们在真核生物中没有发现相应的西格马因子。原来，真核生物中的西格马因子是5个不同的分子复合体，它们统称为普通转录因子，然而，寻找并提取这5个转录因子是一件辛苦的工作。

科恩伯格在这一阶段的贡献是发展了用于实验室研究的全新细胞体系。像人类一样是真核生物，但它比其他真核生物更容易操作，尽管如此，科恩伯格小组用了10年的时间才培育出适合用于转录过程研究的细胞系统，功夫不负有心人，这个系统让他得以提取出充足的RNA聚合酶和其他转录因子，并将它们制作成晶体。

在这个细胞系统中，科恩伯格还发现了控制转录过程开关的另一种分子复合体——调节器，它指挥特定遗传密码的开或闭，从而只转录特定的信息，如生成肝脏或肾脏的信号。诺贝尔奖公告称调节器的发现是“认识转录过程的一个真正里程碑”。

科恩伯格独享诺贝尔化学奖表明他所揭示的结构信息的重要性，有人认为科恩伯格的这项研究也应该获得生理学或医学奖，但英国癌症研究中心的基因转录专家Jesper Svejs trup说：“在根本上，这是化学。”

参考文献

［1］Baker T A, Wickner S H. Ann. Rev. Gene t., 1992， (26):447-477

［2］Young M C,Reddy M K, von Hippel P H. Biochemis try,1992，31(37):8675-8690

［3］李振刚.分子遗传学.北京:科学出版社,2004:166-167

［4］McClain W H.FASEB J.,1993，7(1):72-78

［5］Kerppola T K, Kane C M. FASEB J.,1991，(5):2833-2842

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