说实话,生命解码和基因编辑
2024-10-31 21:09:10 | 作者: 匿名
说实话在如须|基因是如何组成的?书中提到,1953年詹姆斯·沃森(James Watson,1928-)和弗朗西斯·哈里·克里克(Francis Harry Crick,1916-2004)发现了DNA的结构。但这仅仅是开始。下一步是找出遗传密码。显然,谁第一个发现了代码,谁就会被永远记住。一时间,全世界的科学家都争先恐后。
乔治·伽莫夫
俄裔美国科学家乔治·伽莫夫(George Gamow,1904-1968)首先提出基因由一组三个密码子组成。伽莫夫是一位物理学家,以其“大爆炸”理论而闻名。但他并不精通生物学。
1953年,他参加了一个会议,听说了DNA、氨基酸、蛋白质、遗传和基因。他认为氨基酸有20多种,DNA对必须以三个为一组排列才能对应,因此提出了三密码子假说。他写信给沃森和克里克,他们回信表示感谢并指出了一些错误。
三密码子假说是合乎逻辑的,很快就被科学家们接受。然而,还没有得到实验证明,科学家们也不知道密码子是如何对应氨基酸的。
伽莫夫也是著名的科普作家。其代表作《从一到无穷大》(英文名《一、二、三……无限》)和《物理世界奇遇记》(汤普金斯先生的新世界)受到爱因斯坦的称赞。受到赞誉推荐,它已被翻译成数十种语言,至今仍是畅销书。这也是我年轻时最喜欢的书之一。
图1. 乔治·伽莫夫和他的科普作品
当时,国际上有几个团队在基因解码领域处于领先地位,包括剑桥大学克里克团队、哈佛大学沃森团队、法国巴斯德研究所团队、加州理工学院团队等。
1954年,法国研究小组发现了RNA(RiboNucleic Acid,简称RNA)。 RNA 与DNA 的不同之处在于它通常是单链的。其次,它的四种核苷酸分别是胸腺嘧啶(Thymine,简称T)、尿嘧啶(Uracil,简称U)、腺嘌呤(Adenine,简称A)和鸟嘌呤(Cytosine,简称G),即T ,U,A,C,而DNA是T,G,A,C(参见Ruxu Tell It Like It Is | 基因是如何组成的?)。此外,它的主链是核糖,而不是脱氧核糖。由于RNA的作用是转录DNA信息来指导蛋白质合成,因此蛋白质合成完成后就会消失。科学家们花费了大量的精力才发现它。
马歇尔·尼伦伯格
1961年,美国科学家马歇尔·尼伦伯格(Marshall Nirenberg,1927-2010)异军突起,率先解决了DNA碱基配对的秘密(图2)。
尼伦伯格毕业于我的母校密歇根大学。密歇根大学成立于1837年,曾产生26名诺贝尔奖获得者。
图2,马歇尔·尼伦伯格
尼伦伯格提出了一种并行实验的方法,可以同时进行多种实验组合。
1961 年的一个深夜,尼伦伯格和他的一名博士后将尿嘧啶(U) 添加到20 个装有不同材料的试管中,发现其中一个含有苯丙氨酸,一种氨基酸。 )的试管产生了不寻常的反应:一种由苯丙氨酸构成的蛋白质继续生长。两人立即意识到这是因为尿嘧啶(U)作为信使RNA指导蛋白质合成。很快他们在一个国际会议的小组会议上发表了这个结果,与会的40 多名科学家面面相觑,想知道为什么。当天,尼伦伯格向主持会议的沃森讲述了他们的结果,沃森立即要求他们在第二天的会议上做报告。他们通宵工作,使报告更加清晰。第二天的报告结束,全场起立鼓掌,祝贺他们找到了破解生命科学的钥匙。
在接下来的几年里,尼伦伯格和他的团队利用这把钥匙和多次组合实验破译了整个遗传密码。他们确定了对应于各种氨基酸的三个密码子。如图3所示,由于RNA含有4种碱基,因此共有3个密码子,20个氨基酸。还有“停止”和“开始”信号,有时是三密码子代码。密码子对应一种氨基酸(例如UGG对应色氨酸(Trp),在图中轮子的3点钟位置),有时也有几个三个密码子对应同一个氨基酸(如UUU和UUC对应到上面提到的苯丙氨酸(简称“Phe”,位于图中轮子的12点位置)。
1968年,尼伦伯格与罗伯特·W·霍利(Robert W. Holley,1922-1993)和哈尔·戈宾德·科拉纳(Har Gobind Khorana,1922-2011)一起获得诺贝尔生理学或医学奖。 Hawley 发现了转移RNA (TRNA),Horana 发现了构建RNA 的酶。
图3、三个密码子编码轮生成各种氨基酸
至此,DNA 如何编码氨基酸作为基因来构建蛋白质,然后构建细胞已经很清楚了。人体有3万亿个细胞,每个细胞有数千万个蛋白质,每个蛋白质又有数千个氨基酸,都是这样构造的。
说实话在如须|基因是如何组成的?书中提到,人类大约有2万个基因。组成这些基因的DNA按照一定的顺序排列。我们如何衡量这个顺序?
弗雷德里克·桑格
DNA测序技术是英国科学家、双诺贝尔奖获得者弗雷德里克·桑格(Frederick Sanger,1918-2013)的非凡杰作。桑格的父亲是一名医生,曾来中国行医。
1939年,桑格毕业后留在剑桥大学工作。
1940年,他与同学玛格丽特·琼·豪结婚。两人已经是72 年的朋友,并育有三个孩子。桑格总是把他的成就归功于他的妻子和同事。
1943年,桑格获得博士学位。当时,第二次世界大战正在激烈进行。然而,由于他没有持有武器的宗教信仰,他没有参军。他在研究胰岛素时发现了一个好方法:将胰岛素分成多个片段并一一标记,然后根据这些片段的氨基酸组成推导出整个胰岛素的结构。这项开创性的工作破译了胰岛素复杂分子的结构。此外,他的方法为分析激素和酶等其他大分子的结构铺平了道路。为此,他独立获得了1958年诺贝尔生理学和医学奖。
图4.桑格发现了胰岛素的分子结构,并独立获得1958年诺贝尔生理学和医学奖。
然后他开始钻研DNA测序。他发明的方法被称为“双脱氧链终止法”。如图5所示,该方法分为七个步骤:
将待测DNA片段加热分解为单链DNA;
在这些单链DNA的一端添加提供DNA合成起点的引物(Primer);
将这些片段添加到四种DNA 聚合酶溶液中。每个溶液含有DNA的四个碱基(用四种颜色表示)和放射性标记,但只有一个终止碱基;
合成一条DNA长链,长链会停在终止碱基处(所以这种方法称为终止法);
对合成的双链DNA进行整形,得到一系列不同长度的DNA片段;
利用凝胶电泳分析这些DNA片段,读取并推导待测DNA序列。
该方法简单、可靠、高效。 DNA测序的难题一举解决。因此,桑格于1980年再次获得诺贝尔生理学医学奖。获得该奖的还有美国科学家沃尔特·吉尔伯特(Walter Gilbert,1932-)和保罗·伯格(Paul Berg,1926-2023)。吉尔伯特开发了一种类似于桑格方法的DNA测序方法。 Berg 开发了重组DNA 技术。
图5. Sanger 的DNA 测序方法
桑格也是人类基因组计划的创始人之一。 1977年,他首先完成了简单病毒(5,386个碱基对)的测序,1982年完成了复杂病毒(48,502个碱基对)的测序。
1993年,威康基金会成立了以他的名字命名的韦尔康桑格研究所。在那里,他领导了破译人类基因组的重要部分的工作。
桑格以直率着称。在后来的生活中,他被问及他早期的宗教信仰和上帝,他回答说上帝的存在尚未得到证明(图6)。
图6:晚年的桑格
进入21世纪,桑格的DNA测序方法逐渐让位于更快、更便宜的技术。全自动DAN测序仪可直接读取待测DNA序列。它不仅可以检测人类个体的基因组,还可以检测肿瘤细胞的基因组。它是癌症治疗的有力工具。
这里我们也说说上面提到的凝胶电泳法。这种方法俗称“跑胶”。通过将分子放入凝胶中并施加电压,带电分子就会向正极迁移。分子越小,迁移速度越快。
奥利弗·史密斯
在DNA测序过程中,DNA序列在序列上终止于不同的碱基,因此凝胶上会留下放射性标记标记(图5中的黑条)。由此可以读取DNA 的序列。这项技术是由英美科学家奥利弗·史密斯(Oliver Smithies)(1925-2017)发明的。
史密斯也是基因敲除技术的发明者之一(图7)。
DNA发现后,科学家们想到利用DNA编辑技术来预防衰老、治疗疾病、改良物种……改变生物体的基因最好从头开始。
生命起源于受精卵,受精卵分化为干细胞。
干细胞是最原始的细胞,具有多向分化潜能、自我更新能力、分化成各种特定组织的能力。
英国科学家马丁·约翰·埃文斯(Martin John Evans,1941-)首先发明了干细胞处理技术。史密斯随后与美国科学家马里奥·卡佩奇(Mario Capecchi,1937-)合作,利用埃文斯的技术在实验室培养转基因干细胞。
然后,他们在小鼠身上进行了实验,将这些转基因干细胞注射到小鼠胚胎中,以培育出某些基因被敲除的小鼠(“基因敲除小鼠”)。这些小鼠可以经过培育产生转基因后代。这项技术难度很大。小鼠有23,000 个基因。如何保证修改后的基因插入到正确的位置呢?
他们针对X染色体上的一个基因,进行了大量的实验,终于成功了。
图7,Smith教授2012年在国内做讲座,题为《GelGene》
2007年,史密斯、卡佩基和埃文斯共同获得诺贝尔生理学或医学奖。
如今,干细胞已成为生命科学最热门的领域之一。科学家们开发了多种提取干细胞的方法,各种干细胞疗法也应运而生。
我们怎样才能轻松地编辑任何基因?
科学家们已经发明了多种方法,但最好的方法必须是CRISPR。
CRISPR的全称是“Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats”,中文称为“Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats”。这种方法的发现有一个引人入胜的故事。
在亿万年的生物进化过程中,病毒不断地攻击宿主。例如,我们人类已经被攻击过无数次(Covid-19是最新的一次),我们DNA中大约8%的基因来自病毒。其中一些被搁置,一些被用于其他目的。
面对病毒的攻击,细菌也进化出了一种保护自己的方式。它们的DNA 通常包含重复出现的短核苷酸序列,称为规则间隔的簇状短回文重复序列。空间中的DNA序列来自攻击细菌的病毒。当受到相同或相似病毒攻击时,间隔DNA,即病毒DNA,会被转录成crRNA(CRISPR衍生的RNA)。
细菌细胞有一种叫做Cas9 的酶,它充当分子剪刀。在crRNA的指导下,Cas9可以切割病毒RNA或DNA并使其失活。
同时,也确保只切割病毒的DNA或DNA,而不损害其他。这种机制为细菌提供了有效的保护,使其免受病毒的攻击。
1989年,一个日本团队在研究大肠杆菌时首次发现了间隔DNA,但他们没有发现crRNA,也没有想到可以用它做什么。
詹妮弗·多德纳
2012年,美国科学家Jennifer Doudna(1964-)率先取得突破。
唐纳的学术生涯一帆风顺。她在哈佛大学的博士生导师是杰克·W·绍斯塔克(Jack W. Szostak,1952年—,因研究端粒而于2009年获得诺贝尔奖),在耶鲁大学的博士后导师是托马斯·托马斯·罗伯特·切赫(Thomas·Robert Cech,1947年—,因研究端粒而于1989年获得诺贝尔奖)研究RNA的分子力学),完成博士后工作后,他来到加州大学伯克利分校任教。
同年,法国科学家Emmanuelle Charpentier(1968-)也取得了突破。与杜德纳相比,卡彭蒂埃的学术生涯充满了艰辛。
她毕业于巴黎第六大学。这所学校最初以居里夫妇的名字命名。 1968年改组为巴黎第六大学。 2018年重组为索邦大学。它是法国排名前三的大学之一。博士毕业后的二十年里,她换了9个工作单位,跨越了5个国家。在她45岁之前(2013年),她连聘请技术员的资金都没有。但她并没有气馁,克服困难,勇敢前行。
2014 年,Dowdner 和Charpentier 共同撰写了一篇文章,详细介绍了他们的CRISPR 技术。
如图8所示,首先将Cas9蛋白添加到目标DNA(Target DNA)中。 Cas9蛋白会自动寻找间隔DNA(Target序列),并根据引导RNA(Guide RNA)找到需要切割的精确位置,然后进行切割。 (分裂)。该位置由靶DNA 中的原型间隔子相邻基序(PAM) 确定。然后将预先准备好的DNA(PreDesigned DNA)植入体内,细胞会自动修复DNA。这样,DNA的编辑就完成了。
图8. CRISPR 的工作原理
唐德纳和卡彭蒂埃的技术可以敲除并插入任何基因片段,立即引起了巨大轰动。 2015年,CRISPR技术被评选为未来最有价值的技术。 2020年,两人共同荣获诺贝尔生理学医学奖(图9)。
图9,Charpentier(左)和Daedard(右)
相关视频
-
室外篮球哪个牌子好耐打(篮球爱好者必备的室外球品牌推荐)(室外篮球哪个牌子好用)
2023-09-07
-
NA2012季后赛热火对凯尔特人(2012热火vs凯尔特人揭幕战)
2023-09-07
-
世预赛积分榜2021(世预赛积分榜亚洲出现要求)
2023-09-07
-
坎特雷拉公主攻略(坎特雷拉故事)
2023-09-07
-
谢尔盖米林科维奇萨维奇
2023-09-07
-
最新黎巴嫩球联赛排名及球队析(黎巴嫩篮球联赛比分)
2023-09-07
-
郎平的事迹介绍及其他名人的成功经历(郎平的名人故事)
2023-09-07
用户评论
说实话,最近对生命解码和基因编辑的事情挺感兴趣的,但是一想到可能带来的伦理问题就有点害怕。
有20位网友表示赞同!
生命解码听起来好高大上,但是基因编辑这东西,真的能掌控在人类手中吗?有点担心啊。
有10位网友表示赞同!
说实话,我对基因编辑技术很感兴趣,但是我不确定它是否真的能让我们的生活变得更美好。
有20位网友表示赞同!
生命解码和基因编辑,听起来好未来感十足,但是想想会不会破坏我们原有的基因多样性呢?
有10位网友表示赞同!
说实话,我觉得生命解码和基因编辑是科技进步的一大步,但是这步子迈得太大,会不会引起社会的不安呢?
有15位网友表示赞同!
生命解码和基因编辑,这个话题真是复杂啊。一边觉得是医学的福音,一边又担心伦理问题。
有18位网友表示赞同!
说实话,我对基因编辑技术保持开放态度,但是我希望它在应用之前,能有严格的伦理审查。
有18位网友表示赞同!
生命解码听起来很神奇,但是基因编辑的风险真的能被控制好吗?这个问题让我挺担忧的。
有18位网友表示赞同!
说实话,我觉得生命解码和基因编辑是个双刃剑,用得好能造福人类,用不好可能会带来灾难。
有6位网友表示赞同!
基因编辑技术太前沿了,说实话我有点看不懂,但是我还是希望它能为医学带来突破。
有12位网友表示赞同!
生命解码和基因编辑,这个话题太大了,涉及到太多伦理和道德问题,说实话我有点迷茫。
有10位网友表示赞同!
说实话,我对基因编辑技术保持关注,但同时也担心它会不会被滥用。
有18位网友表示赞同!
生命解码和基因编辑,这个技术太先进了,说实话我有点好奇,但是又担心它会不会改变我们的本质。
有17位网友表示赞同!
基因编辑是个敏感话题,说实话我既期待它的应用,又害怕它带来的潜在风险。
有10位网友表示赞同!
生命解码和基因编辑,这个技术如果能用在治疗疾病上,那该有多好啊,说实话我真的很期待。
有11位网友表示赞同!
说实话,我觉得生命解码和基因编辑的研究很有必要,但是如何平衡科技发展与伦理道德,这是个难题。
有13位网友表示赞同!
基因编辑技术让我看到了生命的无限可能,但是说实话,我对它的发展方向还是有点担心。
有5位网友表示赞同!
生命解码和基因编辑,这个话题真的很引人深思,说实话我希望能有更多的讨论和规范。
有9位网友表示赞同!
说实话,我对基因编辑技术保持敬畏之心,毕竟它涉及到生命的奥秘,不能不慎重。
有6位网友表示赞同!