分子生物学近期新发展

分子生物学近期新发展

摘要：生命科学在20 世纪取得了巨大的研究进展。正是由于数学、物理、化学等学科广泛而又深刻地渗入生物学领域, 才可能取得这样空前的发展。分子生物学正是在这些相关学科发展的前提条件下才得以形成。分子生物学研究的是生命现象的本质的内容。它把在各个层次的生命活动有机地联系起来, 从而更有效地揭示了生命的奥秘。发展至当代的分子生物学已渗入到生命科学的各个研究领域, 全面地改变了生命科学的面貌。本文将对分子生物学进行简要介绍并让读者了解分子生物学的近期前沿发展。

正文：

分子生物学是在分子水平上研究生命现象的科学。通过研究生物大分子(核酸、蛋白质)的结构、功能和生物合成等方面来阐明各种生命现象的本质。研究内容包括各种生命过程。比如光合作用、发育的分子机制、神经活动的机理、癌的发生等。

如神经生理学和细胞学均已相继进入分子水平, 成为生命科学领域新的生长点。它们已经不是原来的经典学科, 而是以分子水平研究为基础的面貌全新的神经

生物学和细胞生物学。即使最古老的生物分类学和生物进化论也因为运用了分子生物学的最新研究成果而焕发了青春。

生物大分子，特别是蛋白质和核酸结构功能的研究，是分子生物学的基础。现代化学和物理学理论、技术和方法的应用推动了生物大分子结构功能的研究，从而出现了近30年来分子生物学的蓬勃发展。分子生物学和生物化学及生物物理学关系十分密切，它们之间的主要区别在于：①生物化学和生物物理学是用化学的和物理学的方法研究在分子水平，细胞水平，整体水平乃至群体水平等不同层次上的生物学问题。而分子生物学则着重在分子（包括多分子体系）水平上研究生命活动的普遍规律；②在分子水平上，分子生物学着重研究的是大分子，主要是蛋白质，核酸，脂质体系以及部分多糖及其复合体系。而一些小分子物质在生物体内的转化则属生物化学的范围；③分子生物学研究的主要目的是在分子水平上阐明整个生物界所共同具有的基本特征，即生命现象的本质；而研究某一特定生物体或某一种生物体内的某一特定器官的物理、化学现象或变化，则属于生物物理学或生物化学的范畴。

结构分析和遗传物质的研究在分子生物学的发展中作出了重要的贡献。结构分析的中心内容是通过阐明生物分子的三维结构来解释细胞的生理功能。

仅仅30年左右的时间，分子生物学经历了从大胆的科学假说，到经过大量的实验研究，从而建立了本学科的理论基础。进入70年代，由于重组DNA研究的突破，基因工程已经在实际应用中开花结果，根据人的意愿改造蛋白质结构的蛋白质工程也已经成为现实。

自20世纪50年代以来，分子生物学是生物学的前沿与生长点，其主要研究领域包括蛋白质体系、蛋白质-核酸体系 (中心是分子遗传学)和蛋白质-脂质体系（即生物膜）。

蛋白质体系蛋白质的结构单位是α-氨基酸。常见的氨基酸共20种。它们以不同的顺序排列可以为生命世界提供天文数字的各种各样的蛋白质。

蛋白质－核酸体系生物体的遗传特征主要由核酸决定。绝大多数生物的基因都由 DNA构成。简单的病毒，如λ噬菌体的基因组是由 46000个核苷酸按一定顺序组成的一条双股DNA（由于是双股DNA，通常以碱基对计算其长度）。细菌，如大肠杆菌的基因组，含4×106碱基对。人体细胞染色体上所含DNA为3×109碱基对。

蛋白质－脂质体系生物体内普遍存在的膜结构，统称为生物膜。它包括细胞外周膜和细胞内具有各种特定功能的细胞器膜。从化学组成看，生物膜是由脂质和蛋白质通过非共价键构成的体系。很多膜还含少量糖类，以糖蛋白或糖脂形式存在。

分子生物学新的研究成果依然在不断出现。

1.揭示RNA解旋酶Dbp2功能有助开发出抗癌药物

来自美国普渡大学的研究人员已确定一个长期以来参与癌细胞形成和对化疗产生耐药性的基因，也在RNA的正确产生中发挥着关键性作用。这一发现可能有朝一日让人们发现新的药物靶标和开发出新的疗法。

人基因p68长期被视为一种癌基因，但是它的功能仍然是未知的。普渡大学生化学者Elizabeth Tran发现错误调控p68将导致RNA形成和排列方面的问题，从而可能导致染色体畸形。Tran利用面包酵母中一个基因Dbp2作为模型来理解p68的功能。

Tran发现Dbp2在RNA形成过程中发挥着关键性作用。Dbp2和p68都编码一种被称作RNA解旋酶的蛋白。这种酶控制RNA的结构和排列，其中在RNA获得来自表达蛋白的指令之前，它必须从DNA分离开来。

在这项研究中，Tran证实遭受错误调节的Dbp2和p68导致DNA产生缺陷，这最可能是由于RNA从DNA上不正确分离导致的。不能正确折叠的DNA很容易发生染色体断裂或融合，从而导致一系列疾病。

尽管这项研究并没有解决p68与癌症之间的关联问题，但是它为未来的研究奠定基础。

2.科学家发现基因可能普遍存在“生理周期”

了解基因在一天中如何周期性地开关，是掌握许多生理功能的关键，包括睡眠和新陈代谢。霍华德·休斯医学院研究人员、得克萨斯大学西北医学中心的约瑟夫·塔卡哈斯在上世纪90年代发现了节律基因及其蛋白质产物，他和其他研究人员确定了该基因为CLOCK，并发现其他两种蛋白BMAL1和NPAS2，能在白天与基因结合激活它们，另外4个节律调控因子是PER1、PER2、CRY1和CRY2，能在夜晚抑制基因。

新研究旨在全面理解激活因子和抑制因子是怎样协调配合，共同维持身体24小时生理节奏的。

新研究的核心发现是，RNA聚合酶(有了这种酶基因才能转录合成蛋白质)的功能随着生理节律而变化。塔卡哈斯说：“RNA聚合酶Ⅱ的发动是整个基因组周期节律的开始。随着整体RNA聚合酶Ⅱ和转录的调控，全体染色质的状态都受节律生物钟的调控。组蛋白也随着整个基因组的节律被广泛修改，而组蛋白是维持DNA

完整性的关键。这表明每个基因都可能按照生理节律的周期被修改。”

此外，他们还做出了许多重要发现。首先是节律调控因子能在许多基因组位点和标靶基因结合。他们研究了小鼠肝脏细胞的基因组，发现超过2万个位点能与1个或多个调控因子结合；其中超过1千个位点能与所有7种调控因子结合，还有许多位点只能与激活或抑制因子二者之一结合。塔卡哈斯说：“我们以前还以为，它们都只与同一位点结合。”

其次，他们研究了肝细胞所有基因每天的表达方式，发现在转录过程中，基因表达并非都控制在转录层次。他们还发现，在一天中RNA聚合酶Ⅱ与基因的结合比基因转录更早发生。周期开始时，转录激活因子CLOCK和BMAL1招来了RNA聚合酶Ⅱ，但被随后出现的抑制因子CRY1给抑制了。结果RNA聚合酶不得不“暂停”几个小时，暂停解除后才开始转录。所以，生理节奏不仅与RNA聚合酶有关，还和“暂停”状态的解除有关。

这些节律基因的标靶，最高类别的就是新陈代谢路径，所以说生物钟秘密地控制着每天的新陈代谢。这些发现为研究短期转录动力学、生理周期、聚合酶和一般转录提供了新途径。下一步是研究RNA聚合酶在一天的节律中是怎样受控的，是什么原因让聚合酶对某些基因在一天里的特定时间暂停，以及其他RNA分子在转录之后是如何被调控的。

3.开发新方法来解析蛋白结构

利用同步加速器X射线光束来解析蛋白和其他生物大分子的结构在医学上取得很大进步。科学家们获得的技术进步能够导致他们取得更加激动人心的进步。最近，来自美国国家同步幅射光源和、纽约结构生物学中心和哥伦比亚大学的研究人员发现一种新方法来确定通过其他方法很难或者不可能解析的分子结构。他们的研究发表在《科学》期刊上。