21世纪分子生物学发展的趋向

21世纪分子生物学的展望

(李振刚)

一．分子生物学的发展

20世纪是分子生物学发生发展的世纪。

1．分子生物学的诞生：1952年DNA双螺旋结构的发现（基因自决）

1958年中心法则的提出（从基因到性状）

1968年遗传密码的破译（从碱基到氨基酸）

2．DNA重组技术的发展：使人类社会中出现了一类新的巨无霸产业——生物技术与基因工程。从此，DNA重组技术、DNA分析技术应用到生物学的每一角落（分类、进化、考古、法医…）。

3．分子信息生物学的诞生：DNA序列分析技术的发展，毛细管电泳技术与机器人操作相结合，大大加快了序列分析的速度。人类基因组计划将很快完成，并带动其他基因组的进行。一门崭新的学科——《分子信息学》，将在21世纪诞生。以人类基因组计划为契机，将逐步阐明各种代表性生物的DNA序列。并企图以此为基础来说明生命活动的机制。

二．分子生物学的现状

但是，一个学科在知识上的普及和应用上的深入，只是意味着它的成熟，并不一定意味着它的本质的持续发展。21世纪是否还是分子生物学的世纪？这个问题值得思考。目前的情况是：

1．基因（遗传物质）的泛化与移位

大家知道，分子生物学是从DNA双螺旋模型的建立而兴起的。因为它解决了“基因是DNA”、“DNA能自我复制”（基因自决）等问题而使近代遗传学家（基因论者）欣喜若狂。他们感到遗传学终于找到了分子水平的科学依据。这种遗传学与分子生物学的统一，使当时的遗传学家以生物学界的“龙头”自居。特别在我国的60-70年代中，前苏联的李森科-米丘林学派的垮台，近代遗传学家从重压下解放出来，大都以《基因论》的捍卫者自傲。对于与基因论略有相左的观点，往往不能容忍，群起而攻之。在当时看来，基因（核酸）就是门德尔因子，是排列在染色体上的成对的要素，细胞核是唯一的遗传器官。

近代遗传学是以孟德尔定律与摩尔根基因论为基础的。近代遗传学的基因是严格地限制在染色体之上的。摩尔根在《基因论》中斩钉截铁地说：“基因论认为个体上的种种性状都起源于生殖质内的成对的要素（基因），这些基因互相联合，组成一定数目的连锁群；认为生殖细胞成熟时，每一对的二个基因依孟得尔第一定律而彼此分离……”。但是，由于基因已彻底地分子化为DNA，遗传学的发展就不得不依附于分子生物学的发展。遗传学家们在以此为荣不久，就不得不为此作出牺牲。因为不仅细胞核里有DNA，细胞质里也有DNA。基因的DNA化，导致了基因的移位与泛化。基因已不再仅仅是位于染色体上的成对的要素；存在于细胞质中并不依孟德尔定律分配的那些DNA分子也就顺理成章地称为基因。

基因工程实际上是基因移位与泛化的成功应用。它往往是把高等动物的染色体基因（如胰岛素基因；细胞核遗传），通过与质粒（plasmid）的重组，转化为低等生物（大肠杆菌、枯草杆菌、酵母等）的细胞质遗传。这对于依靠DNA来捍卫基因论的学者来说，是一个绝大的讽刺。因此，近代遗传学以染色体为遗传核心的基因论从理论与实践上被淡化了。随着逆转录酶、RNA编辑、朊病毒的发现，细胞质物质（RNA，蛋白质）在遗传上的作用却愈来愈重要了。

2．技术上，分子生物学已达顶峰

离不开DNA重组（基因工程）、点突变（蛋白质工程）与序列分析。没有新技术的突破。大量的工作已进入利用上述技术进行资料积累的阶段。分子生物学技术的杰作：

（1）转基因食品已受到限制；

（2）工程浩大，耗资已超过300亿美元的基因组计划，得到的将是一本DNA的天书。

（3）基因工程对高等生物（特别是动物）来说并不能创造新种，只能改良品种。它遏制不了物种的加速绝灭。到2000年，地球上的15-20%（45-100万个物种）已经绝灭。就植物来说，目前由于人类的活动，平均每6个小时就有一种植物从地球上消失，地球上30-70%的植物将在今后100年内消失。21世纪人类面对的严酷任务是挽救生态环境。这是基因工程所无能为力的。相反，DNA污染（免疫病——基因重组病、基因武器…）将使濒危的生态环境雪上加霜。

3．理论上，分子生物学已经完全成熟

自DNA双螺旋结构学说及中心法则建立以来，已不见进一步的深化及发展。DNA双螺旋结构学说解决了基因自我复制（即基因自决）的难题，而中心法则的提出，则认为是解决了基因通过蛋白质决定生物性状的问题。但是，自七十年代以来分子生物学只是忙于维护本身理论的完整及应付愈来愈多的质疑和挑战。如：反转录酶的发现、intron的发现、alternative splicing mRNA的发现、RNA编辑、朊病毒的发现等，都是Crick和Watson 所始料不及而仓促应战。

三．分子生物学的展望（从理论到实践）

1．21世纪的生物学之谜

在21世纪，生物学的一些重大问题（癌、爱滋病、遗传病激增〈从400种到4000种〉、物种的绝灭等），并没有因为分子生物学的发展而获得解决，有的问题更趋严重。到头来却出现了分子生物学的两个黑箱问题：

（1）自我意识：你为什么就意识到你是张三？他为什么就意识到他是李四？无论多么高级的电子计算机，它意识不到它本身的存在。而人及某些高级动物却能意识到自身的存在，并把自身与身外的客体清楚地分开。从生物学的角度来说，‘自我意识’是神经系统的一种功能，是一种遗传性状。它的分子机制是什么？

（2）细胞的完整性：100年前R．V irchow曾断言“细胞只能来自细胞”。在DNA决定细胞一切特性的今天，一个被粉碎了的细胞，即使它的DNA在结构与功能上是完整的细胞却无法恢复。这与DNA含有全部遗传信息的分子生物学明显相左。

如何从分子生物学的概念来回答上述两个问题是目前人类所拥有的物理与化学知识很难解决的，甚至无法接近的。这两个问题的提出与解决，生物学家必须挣脱分子生物学的还原论，在整体的生物学概念上有所突破才行。这要求某些概念要重新考虑。分子生物学不能把自已看成是‘DNA 的生物学’，‘核酸的生物学’，而应该研究细胞中所有的分子事件（多糖、蛋白质、膜、细胞器）才能成为名副其实的分子生物学。

2．基因生态

对转基因食品的限制，以及对转基因动植树技术的审慎，意味着人类已经意识到，DNA重组技术是对人类和其他生物的基因组即遗传内环境的破坏。这与世界的科技进步对整个地球大环境的破坏一样：我们在获得现实利益的同时，可能要承受未来无法预料的灾难。因此，在进行基因工程的同时，必须考虑到维持体内基因环境的平衡。这是21世纪的一个新课题。对基因的‘裁剪’必须以维持细胞功能与结构的完整为前提。

3．一门新的克隆技术与理论的兴起

基因克隆将与细胞克隆相结合而形成一门新的技术学科。‘克隆羊’的轰动以及克隆技术在21世纪的不可遏制，说明人们已经意识到：细胞的克隆比DNA的克隆要更有意义，要更困难。因为人类虽然已能合成基因，但还根本不能合成一个细胞，一个心脏或一个肾！转基因在创造着无数的生物新特性、新品种，但对物种的迅速地从地球上绝灭束手无策。

“克隆羊”技术是以完整的细胞的概念来考虑问题的，虽然它还不是真正的体细胞克隆。它在21世纪的发展是不可遏制的。也许一个‘克隆’的科学界集团将悄悄地在21世纪兴起，“克隆羊”与“试管婴儿”的合流，克隆技术与DNA重组技术的结合是21世纪意料中的事情。

DNA分子的纯化及元件化，必将在电脑及信息科学中发挥重大作用。在严禁对人进行克隆，以及克隆人对人类的巨大诱惑的双重压力下，动物克隆甚至人的克隆有着与机器人的制造相结合的趋势。未来的机器人也许会具有真的人的肌肤与毛发，以及用DNA芯片分子元件构成的大脑。

4．朊病毒与蛋白质遗传

朊病毒是一种能够迅速繁殖、传染的蛋白质病原体。它只含蛋白质，不含核酸。人的Kuru病、CKD、GSS病，羊瘙痒病（scrapi e），疯牛症（mad cow disease）等无药可治的极厉害的传染病都是它引起的。朊病毒——PrP以其本身为模板，把细胞中具有正常功能的PrP转变为病原体PrP。这二种蛋白质分子的一级结构是相同的，也就是说，它们被同一基因所编码。但它们的立体构象不同，PrPsc比PrPc具有高得多的折叠结构。可是PrPsc 能作为模板，把PrPsc转换为PrPc，而PrPc却不能作为模板把PrPsc转换为PrPc！所以PrPsc是不折不扣的、外来的、细胞质中的遗传模板。它能把来自细胞核基因的蛋白质改造为细胞质的遗传模板。

疯牛病使世人对朊病毒认真起来，Prusiner, S. B.也荣获诺贝尔奖。随着在酵母中各种prion的发现，也发现了在酵母中执行正常生理功能的prion。这说明prion不仅是一种具有感染能力的蛋白质病毒，而且也是一种具有复制自身能力的蛋白质。在20世纪末，21世纪初，许多论述蛋白质是遗传物质，蛋白质是基因的论文正在不断地出现，并愈来愈引起生物学界的重视。早在1967年Griff ith, J. S. 在给《Nature》的信中就曾说过：“用不着惊慌，一种蛋白质的感染因子的存在将会砸烂分子生物学的整个理论框架”（J. S. Grif f ith, Nature, 215, 1043-1044, 1967.）。

蛋白质将作为一种遗传物质和分子模板向DNA作为唯一遗传物质的统治理论提出挑战。在21世纪，分子生物学的遗传理论必将在分子模板多元化的形势下发生巨变。

21世纪分子生物学发展的趋向

原定2005年完成人类基因组DNA测序的计划，已提前5年完成。当前，人类基因组研究的重点正在由“结构”向功能转移，一个以基因组功能研究为主要研究内容的“后基因组”(post-genomics)时代已经到来。它的主要任务是研究细胞全部基因的表达图式和全部蛋白图式，或者说“从基因组到蛋白质组”。于是，分子生物学研究的重点似乎又将回到蛋白质上来，生物信息学也应运而生。随着新世纪的到来，生命科学又将进入这样一个新时代。

一、功能基因组学

遗传学最近的定义是，对生物遗传的研究和对基因的研究。功能基因组学(f unctionalgenomics) 是依附于对DNA序列的了解，应用基因组学的知识和工具去了解影响发育和整个生物体的特定序列表达谱。以酿酒酵母(S. cervisiae)为例，它的16条染色体的全部序列已于1996年完成，基因组全长12086 kb，含有5885个可能编码蛋白质的基因，140个编码rRNA基因，40个编码snRNA基因和275个tRNA基因，共计6340个基因。功能基因组学是进一步研究这6000多个基因，在一定条件下，譬如酵母孢子形成期，同时有多少基因协同表达才能完成这一发育过程，这就需要适应这一时期的全套基因表达谱(gene expression pattern)。要解决如此复杂的问题就必须在方法学上有重大的突破，创造出高效快速地同时测定基因组成千