細胞修復DNA有「工具箱」

2020-11-27 人民網

原標題：細胞修復DNA有「工具箱」

託馬斯·林達爾

保羅·莫德裡奇

阿齊茲·桑賈爾

　　本報記者 劉園園

　　從一個細胞到另一個細胞，從這一代人到下一代人，決定人類生長的基因信息在我們體內流淌了千萬年。它們每天都會遭到紫外線輻射、自由基和其他致癌物質的傷害，並不斷地發生自發的變化，然而卻神奇地完好無缺。

　　這些遺傳物質之所以沒有亂成一團，是因為大量的分子系統在持續不斷地監測並修復著我們的DNA。託馬斯·林達爾、保羅·莫德裡奇和阿齊茲·桑賈爾因描繪並解釋了DNA的修復機制而榮獲2015年諾貝爾化學獎。

　　託馬斯·林達爾與鹼基切除修復機制

　　「DNA到底有多穩定？」林達爾在上世紀60年代末就發出了這樣的疑問。那個時候，科學界相信DNA分子是極其穩定的。

　　但林達爾通過開創性的實驗證明，DNA在經歷著緩慢但十分明顯的衰老。他認為，基因組每天都會遭遇成千上萬災難性的傷害，而這種傷害的頻繁程度無法解釋人類在地球上的繁衍生息，因此，我們體內肯定有修復DNA缺陷的分子機制。

　　在這種想法的指引下，林達爾開始從細菌的DNA中尋找修復酶。DNA的一種缺陷是，胞核嘧啶很容易就失去一個氨基，這會導致基因信息的改變。在DNA的雙螺旋中，胞核嘧啶和鳥嘌呤往往成對出現，但是當氨基消失時，受損的胞核嘧啶會與腺嘌呤組對，因此如果這種缺陷得以持續，DNA在進行複製時就會出現變異。林達爾意識到，細胞一定會有蛋白來抵消這一過程，後來他發現了一種可以移除受損的胞核嘧啶的細菌酶。

　　這一發現成為35年的科研工作的開始。此後，林達爾檢測了細胞「工具箱」中多種用來進行DNA修復的蛋白，並一點一點地拼出了「鹼基切除修復」機制的全景圖。1996年，林達爾成功地在試管內重現了人體內的DNA修復過程。

　　保羅·莫德裡奇與DNA錯配修復機制

　　「你應該研究一下關於DNA的東西。」1963年，詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克裡克因發現DNA雙螺旋結構而榮獲諾貝爾獎後，莫德裡奇的父親、一位生物學老師對他說。幾年後，「關於DNA的東西」成為莫德裡奇人生的核心。

　　上世紀70年代末，莫德裡奇對DAM甲基化酶發生興趣。DAM甲基化酶可以將甲基原子團連接到DNA上。他發現，這些甲基原子團扮演著「路標」的作用，幫助一種特殊的限制性內切酶在DNA鏈的正確位置劃出切口。

　　幾年後，另一位叫做馬修·梅塞爾森的科學家發現，甲基原子團可能還有另一種指示功能：當DNA出現錯配的鹼基時，甲基原子團可以幫助細胞識別在糾正錯誤時應該以哪條DNA鏈為模板。莫德裡奇與梅塞爾森的科研領域自此交匯，他們通過共同研究發現，當DNA出現鹼基錯配時，會不斷糾正沒有甲基原子團的那條鏈。他們總結，DNA錯配修復是DNA發生複製時一種自然的過程。

　　對莫德裡奇來說，這一發現開啟了大約10年的系統性研究，他研究了一個又一個參與DNA錯配修復的酶。上世紀80年代末期，莫德裡奇成功地在試管中展示了複雜的分子修復機制，並深入研究了人體內的DNA修復機制。

　　阿齊茲·桑賈爾與核苷酸切除修復機制

　　在科研生涯的早期，桑賈爾對一種現象尤其感到困惑：當細菌暴露在致命的紫外線輻射下時，如果用可見藍光照射它們，它們會突然恢復。他非常好奇：在這一神奇的效應背後，有什麼樣的化學機制？

　　1976年，桑賈爾發現了可以修復紫外線傷害的酶——光裂合酶，並讓細菌產生足夠的光裂合酶。這一研究結果呈現在他的博士論文中，然而並沒有引起人們的注意。

　　後來，其他科學家又發現了一種在黑暗環境中起作用的系統，也就是說，細菌有兩種修復紫外線傷害的機制。之後桑賈爾開始研究這種系統的分子機制，並在幾年後成功地識別出了在這種系統中起作用的uvrA、uvrB和uvrC酶。

　　桑賈爾運用開拓性的試管實驗發現，這些酶可以識別紫外線傷害並在DNA鏈上劃出兩個切口——分別位於受損部位的兩端，之後一個包括受損部位在內的12到13個核苷酸就會被移除。

　　由此，桑賈爾發現了「核苷酸切除修復」機制，這一發現完全改變了該研究領域。此後，桑賈爾對人體內的「核苷酸切除修復」機制進行了研究，並發現人體內存在與光裂合酶類似的酶來幫助我們調節生物鐘。

　　我們體內有個修復DNA錯誤的「工具箱」：有很多蛋白在不斷監測和校對這些基因，並修復它們出現的缺陷。託馬斯·林達爾、保羅·莫德裡奇和阿齊茲·桑賈爾都發現了這個「工具箱」，並分別獨立地找出了我們體內不同的DNA修復「工具」。「這三位科學家在分子水平上描繪了這些基本機制，他們的系統性研究對理解細胞的工作機製作出了決定性貢獻。與此同時，也讓我們理解了幾種遺傳性疾病的原因，以及癌症和衰老背後的機制。」瑞典皇家科學院諾貝爾獎評選委員會在解釋他們獲獎原因時評價道。

(來源:科技日報)

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