解读生命密码

解读生命密码

一、生命遗传密码的破译

1953年夏,在美国冷泉港学术讨论会上,沃森和克里克作关于DNA的结构及其遗传含意的报告。围绕着DNA碱基顺序和蛋白质的氨基酸顺序之间的关系,与会的学者们展开了热烈讨论。讨论的心是:4种不同的碱基是怎样排列组合的,才能使进行编码表达出20种不同的氨基酸。

俄国出生的美国物理学家伽莫夫,第一个提出具体设想。1953年,DNA双螺旋结构模型发表后,伽莫夫在同年2月提出了一个假想:在DNA分子中,4种核苷酸可以分解形成各种不同的组合。而每一种组合就是一种氨基酸的符号。在美国,伽莫夫的设想立即招到了抨击。伽莫夫通过丹麦的一家科学杂志发表了这一设想。没想到这一设想得到了很多物理学家的关注。1955年,这些物理学家提出了三个核苷酸组合在一起决定着一个氨基酸的设想:不同组合的碱基可以决定氨基酸,利用排列组合计算,两个碱基组成密码太少,只有4²=16种;四个碱基组成密码又太多,有4⁴=256种,如果是三个碱基,那么组成密码有4³=64种。这似乎是相对最合适的了。进一步推论:一种氨基酸可能有不止一个密码。

DNA三种主要构象

1961年,克里克和布伦纳等人用噬菌体突变体实验研究密码的比例和翻译的机制。实验证实了密码确是以三联体核苷酸的形式代表着20种不同的氨基酸,而且是由一个固定点开始,朝着一个方向一个接一个地读下去,如果中间有一个核苷酸发生了增或减的差误,以下的密码都会发生变化。他还提出,很可能密码有同义语。不过不只一个密码代表着一个氨基酸。这就为原来数学推论的种种可能性提供了实验的根据。

德裔美国生物化学家尼伦贝格是第一个用实验给遗传密码以确切解答的人。1961年,他和美国科学家马太人工合成了由许多"尿嘧啶核苷酸"连结成的长链。他们在长链上加入了含有多种氨基酸、酶、核糖体和一些合成蛋白质所必需的溶液。不久,溶液中形成了一条只有苯丙氨酸连接而成的多肽链。西班牙裔美籍生物化学家奥乔亚和尼伦贝格分别测定了各种氨基酸的遗传密码。截止到1963年,氨基酸的遗传密码都被测出来了。在20世纪60年代,巴基斯坦裔美国生物化学家霍拉纳用化学的方法合成了64种可能的遗传密码。并且他还测试了这些遗传密码的活性。1969年64种遗传密码全部被破译出来。从此,"遗传密码辞典"问世了,利用它可以找到各种氨基酸和它所对应的遗传密码。

用遗传密码字典查阅时,先取左边的一个字母,再取上面的一个字母,最后,再取右边的一个字母,合起来就是一个氨基酸。例如GAG代表谷氨酸,AAU代表天冬酚胺等。密码里的句号表示氨基酸连成了一个段落。从遗传密码字典中可以找到从细菌到人类的所有生物的遗传密码。

遗传密码字典

遗传密码的破译作为20世纪生命科学中最令人激动的巨大成就之一,它对生物工程的意义相当于元素周期表对化学意义。这等于编著了一本生命科学的辞典,而这本辞典适应于从细菌到人类的一切生物。这些生物都是按照这本辞典翻译转录自己的蛋白质并营造和传递着生命。

二、解读生命

美国病毒学家R。杜尔贝科1986年3月7日在美国《科学》杂志上发表了一篇题为《癌症研究的转折点——人类基因组的全序列分析》的文章,他指出:"人类DNA序列是人类的真谛,这个世界上发生的一切事情,都与这一序列息息相关。"该文后来被称为"人类基因组计划"的"标书"。

杜尔贝科与人类基因组计划

1989年,美国国立卫生研究院成立了以沃森任主任人的人类染色体研究中心。1990年,美国启动了"人类基因组计划"。这一计划由多国科学家参加,被称为"生命科学阿波罗计划"。

"人类基因组计划"的主要任务包括:找出人类DNA上的所有基因,确定30亿个碱基对的排列顺序;建立相应的数据库,进行数据分析,并分析此计划可能带来的人种、伦理及社会问题;对一些动物的遗传组成进行研究,包括大肠杆菌,果蝇和小白鼠等。

基因组,是指生物体内包括基因的所有DNA。人类基因组计划要测定的是人体23对染色体中的所有DNA的序列,它由31。647亿个碱基对组成,共有3万至3。5万个基因。换句话说,生命天书是由30多亿个字写成的,如果将这30多亿字排版到一张报纸上,那么大约需要20万页纸才能排完这部巨著。由此可以看出,读取这部巨著所要耗费的时间将是如何的惊人。如果没有先进技术方法作后盾,要想完整阅读这部书是很难想象的。

在"人类基因组计划"开始启动时,预计要用15年完成测序。但由于技术的发展,整个计划完成的时间一再提前。2001年2月12日,中、美、日、德、法、英等国科学家和美国塞莱拉公司联合公布了人类基因组图谱和初步分析结果。

"从小他就是一个思想很活跃的孩子,他常把各种东西混到一起。3岁时,他把鸡蛋打碎搅成油漆把房子刷成了黄色。他收集昆虫和蛆。我想当时对他很不理解。现在我才明白这是因为他的思维太活跃了。"这是PCR的发明者、美国生物化学家穆利斯的母亲在得知儿子获诺贝尔奖之后说的话。正如他母亲所说的,穆利斯是一个从小就思想异常活跃的人。

PCR仪

PCR是聚合酶链反应的简称,它能在短时间内使DNA大量扩增。1983年,穆利斯回乡下度假途中的一个突发奇想:如果找到一种办法操纵分子复制技术这个环节的话,那么目标DNA不就可以以指数形式扩增了吗?穆利斯这一想法使分子生物学实验操作程序大为简化,将大量的人力、精力和时间从繁琐的重复性劳动中解放了出来。PCR因此被称为"DNA分子的拷贝机"。

如今,PCR技术应用已不再局限于分子生物学领域,它在基础医学、临床医学、人类基因组测序及法医学等领域都作出了巨大的贡献。

"人类基因组计划"中另一项发挥重要作用的测序技术就是"霰弹法"。这一技术是先将DNA从细胞核中分离出来,然后利用声波将每条染色体分为极小的片段,一共6000万片,再把每一片插入一台机器人控制的机器,由它进行高速解码,破译的结果传送给超级计算机,由超级计算机把每一片段重新组装成人体的23对染色体。换句话说,霰弹法好比拼图游戏,把拼图打乱重新组装起来。

1991年,美国科学家兼企业家文特尔开发了这项技术。1998年,文特尔组建了塞莱拉公司,他自己担任公司总裁和首席科技官。文特尔宣称他的将在3年内完成由"人类基因组计划"的研究工作!此后,"人类基因组计划"领导人科林斯与文特尔展开了科学竞赛,后来,美国总统克林顿出面调解,才使得两人合起手来。2000年6月26日,他们联合宣布成功绘制出人类基因组草图,而文特尔领导的塞莱拉公司仅用了两年时间就完成了这一工作!

文特尔

文特尔从小就得了一种罕见的疾病,缺乏视觉记忆功能。他勉强获得了高中毕业的文凭。参加越南战争回国后,他进入加利福尼亚大学圣地亚哥分校刻苦攻读生物化学。毕业后他获得了生理学和药理学博士学位,从此走上科研之路。文特尔敢于和实力雄厚的"人类基因组计划"竞争,一方面和他永不服输的性格有莫大的关系,另一方面也是因为他掌握着了强有力的测序技术——霰弹法。

生物芯片技术中发展最成熟和实现商品化的产品就是基因芯片。除了基因芯片之外,生物芯片还包括蛋白质芯片、芯片实验室等。基因芯片又称DNA芯片或DNA微阵列。它与我们计算机芯片相似,只不过它的材料不是半导体管,而是核酸分子。所谓探针,只是一段碱基序列,在探针上连接上一些可检测的物质,根据碱基互补的原理,利用但测到基因混合物中的特定基因。

基因芯片与传统的基因序列测定技术相比较,它的破译和检测基因速度非常快。目前,这一技术主要在基因表达检测、突变检测、基因组多态性分析和基因文库作图以及杂交测序等方面广泛应用。它给分子生物学、细胞生物学及医学领域带来新的革命,成为后基因时代最重要的基因功能分析技术之一。

三、首先解读的第22号染色体

1999年12月1日,国际人类基因组计划联合研究小组宣布人体第22对染色体的遗传密码已经被完整破译出了。在1999年12月2日的《自然》杂志上刊登解读结果。英国桑格中心伊安。坦哈姆博士的研究小组、日本庆应大学医学院清水信义的研究小组、美国奥克拉荷马大学与华盛顿大学的研究小组共同完成了22号染色体的解读工作。

基因芯片点阵图

染色体的号码是依照染色体由长到短而定的。但在当时染色技术不是很完善,21染色体看起来比22号染色体要长。但事实上21号染色体要比22号染色体短。22号染色体由大约5000万个碱基对组成是次短的染色体。染色体包括长臂、短臂及它们之间的着丝点3部分构成,22号染色体的长臂约有3400万个碱基对,短臂约1500万个碱基对。分析结果共发现545个基因,134个假基因。研究中还初步断定出了22号染色体上与遗传病有关的一些基因。

科学家介绍说,每个人基因组不是完全相同的。这一现象叫基因组的多态性,它表现在DNA序列上。据统计:任意两人之间的DNA核苷酸差异约占基因组的1/10000。就是这基因组的1/10000的差异,决定了人类的遗传多样性,如有的人容易生病,而有的人却对疾病的免疫力特别高,有些药物,有人用了就灵验,有人就不灵验。只有从不同个体DNA序列的差异上阐明人类基因组的多态性,才能真正了解与疾病特别是多基因疾病有关的遗传机制。这样才能深入准确地了解人类起源、进化和迁徙过程中的DNA序列变化。

四、人类基因组图谱

1543年,比利时解剖学家A。维萨里发表了他著名的著作《人体的构造》。这本书开创了人体解剖学,使人们从宏观角度了解了自己。"人类基因组计划"建立的人类基因组图,从微观上使人类了解自己。

2000年6月26日,美国总统克林顿和英国首相布莱尔联合宣布:人类的第一个基因组草图已经完成。2001年2月12日,中、美、日、德、法、英等6国科学家和美国塞莱拉公司联合公布人类基因组图谱及初步分析结果。

2003年4月15日,在DNA双螺旋结构模型发表五十周年前夕,中、美、日、英、法、德六国元首或政府首脑签署文件,六国科学家联合宣布:人类基因组序列图完成。

寻找人类基因组微小的结构变异

人类基因组图谱的绘制成功,是人类探索自身奥秘史上的一个重要里程碑。它被认为是生物技术世纪诞生的标志。21世纪是生物技术占主宰地位的世纪。

五、水稻基因组计划

水稻是重要的粮食作物,全世界人口中一半多人以水稻为主食。1997年9月,在新加坡举行了水稻基因组测序国际联盟的植物分子学大会。1998年2月,中、日、美、英、韩五国代表制定了"国际水稻基因组测序计划"并预计2008年完成这一目标。这是继"人类基因组计划"后,又一重大国际合作的基因组研究项目。

水　稻

2000年5月11日,中科院遗传与发育研究所和国家杂交水稻工程技术研究中心合作参加的"中国超级杂交水稻基因组计划"正式启动。它是由中国科学院基因组信息学中心暨北京华大基因研究中心发起。并且在这项计划中将采用"霰弹法"测定籼稻基因组序列。

2002年4月5日,美国著名的《科学》杂志中国科学家《水稻(籼稻)基因组的工作框架序列图》一文。同年11月21日,英国著名的《自然》杂志的封面以"水稻基因染色体一号和四号冲破了终点线"为封面要目,发表了中国科学家完成的第四号染色体精确测序和日本科学家完成的第一号染色体精确测序的论文。《自然》杂志认为这两篇论文"是紧接着水稻基因组草图完成后水稻基因组测序项目里程碑性的事件"。

我国科学家完成的水稻基因组"精细图",覆盖了染色体全长序列的98%,共鉴定了4658个基因,并注释在染色体的准确位置上,覆盖基因组94%染色体定位序列的单碱基的准确性达到了99。99%。它不仅将为科学家提供急需的数据,而且为全面阐明水稻的生长、发育、抗病、抗逆和高产规律,同时推动了遗传育种研究产生影响。

2002年12月12日,中国科学院、国家科技部、国家发展计划委员会和国家自然基金会联合宣布中国水稻(籼稻)基因组已经完成"精细图"。

从DNA双螺旋结构模型诞生到人类基因组计划全面完成,恰好用了半个世纪。这半个世纪里,科学家们逐步破解了生命的奥秘。这其中,饱含了科学家们的聪明智慧和他们为追求真理而不懈探索的崇高精神。

奇妙的生命螺旋

遗传密码的破译和基因组成功测序,给人类了解生命并进而改造生命提供了可能。但是,目前人们测定的生物的基因组毕竟是少数,还有千百万种的生物的基因等待我们去测定。而且就在这些少数已测定的基因组中,健康、疾病、遗传特性与相应基因的关系还不是很清楚,有很多生命奥秘等待着我们去探索。