结构生物学家有望翻开可视化大分子结构的新篇章

结构生物学家有望翻开可视化大分子结构的新篇章

2016年08月24日讯 结构生物学家一直希望能可视化大分子结构，从而探索其功能。但这需要整合多种技术，十分复杂。与其他结构生物学家一样，加利福尼亚大学（University of California）的Eva Nogales碰上了好时代。Nogales现在可以利用工具解决几年前根本无法解答的分子机器相关问题。

Nogales和Jennifer Doudna--是的，就是大名鼎鼎的CRISPR-Cas9发明人--最近在合作的一个项目就是在探索这样的问题。很多情况下，在DNA被CRISPR-Cas9剪切前，细胞内会形成一个由核苷酸构成的R环，Doudna和Nogales都对这个R环非常感兴趣。Nogales等人对化脓性链球菌（Streptococcus pyogenes）中的R环进行了成像，得到了近原子分辨率的结构图像，提示了在特定位点Cas9酶如何打开DNA。

这项工作最突出的两个亮点是：1，科学家们快速地将功能与结构联系了起来；2，他们把成像方法结合了起来。一个多世纪以来，结构生物学的首选方法一直是X射线晶体衍射法。但有些生物分子太大或太小，难以结晶，因此不能采用X射线法。一些分子在发挥功能时，会发生形态或朝向的变化，而结晶法无法捕捉这些动态变化。

现在，科学家们有一个庞大的成像工具库作为晶体法的补充。一些方法，如低温电子显微镜（cryo-EM）或化学家的核磁共振（nuclear magnetic resonance， NMR）成像，都能在不结晶的情况下，获得接近原子分辨率的结构图像，揭示分子的形状、大小和方向。但并非所有的方法对细胞内所有蛋白质、核酸都有用。

经验证明，没有一个单一的方法足以探讨在细胞中发生的动态行为和复杂的相互作用。最好的解决办法是整合来自多个方法的图像。

这种方法得到了诸多研究者的支持。加利福尼亚斯坦福大学（Stanford University）的结构生物学家Roger Kornberg指出，每个[方法]都能提供一些重要信息，结合起来，能实现1+1>2的效果。Kornberg由于在揭示基因转录的机制方面的杰出贡献于2006获得了诺贝尔化学奖。对于这一突破性的研究，他使用的是X射线晶体衍射法。现在，和其他的晶体学家一样，他开始使用多种方法的结合。

Kornberg继续分析RNA聚合酶II，但现在他把冷冻电镜和晶体学结合起来。冷冻电镜可用于不易结晶的分子，并且可用于解析较大的分子，但目前分辨率还比不上晶体学。Kornberg的实验室还使用化学交联和质谱来揭示邻近蛋白质之间的关系，以及利用已知蛋白质的信息进行同源性建模。

Nogales和Doudna的团队也使用混合方法来研究R环。Nogales表示，高分辨率的X射线晶体法无法解析完整的R环结构，所以他们用低分辨率的冷冻电镜对完整的环结构进行解析。只有把两者结合起来，研究者们才能真正揭示CRISPR-Cas9系统中R环的作用。

这种混合或综合性方法有助于研究人员深入研究基础科学问题，对药物开发者也非常有用。细胞膜上发现的大蛋白质往往是治疗靶标，高分辨率混合方法能揭示药物与受体相互作用的原子细节。同样，通过展示艾滋病毒、埃博拉病毒和其它病原体的包装蛋白与免疫细胞相互作用的机制，诱导保护性反应，混合方法可能能够帮助疫苗的发展。纳什维尔范德堡大学（Vanderbilt University）的结构生物学家Jens Meiler表示，这些结构对于人们理解免疫系统的工作机制非常重要。

Noglaes总结到：这是混合方法的黄金时代。

梦想成真

欧洲分子生物学实验室（European Molecular Biology Laboratory， EMBL）细胞生物和生物物理部负责人Jan Ellenberg表示，这个时代对很多生命科学家来说，是梦想成真的时代。这个梦想是从原子层面无缝衔接到细胞层面。这样深入的理解自然能解答结构生物学的首要问题：一个分子的结构是怎么和其功能联系在一起的？

结构生物学家工具箱中的每一种技术都提供了不同的视角。生物学家相信，使用混合方法构建的模型可以准确地反映分子或复合体在细胞中的行为。Meiler认为，你需要把这些技术结合起来，才能得到全面的答案。

X射线晶体长期以来一直是确定蛋白质原子结构的标准方法。成立于1971年的蛋白质数据银行（Protein Data Bank， PDB）拥有的大约120000个模型中，约有90%来自晶体学研究。

但X射线晶体虽然分辨率高，但也具有局限性。首先，样品要高度纯化，以产生有序的晶体。科学家通过分析原子如何散射光来确定原子排布，从而确定分子结构。该技术需要有足够的原子，以产生可测量的衍射图案。并且每一个晶体必须是静态的。因此，该方法不能揭示一个分子是如何运动的，以及如何起作用的，也不能揭示它是如何与其它系统互动的。

德国复杂系统研究所（Institute of Complex Systems）计算结构生物学小组组长Gunnar Schr？der指出，蛋白质不仅仅是一个单一的静态结构，通常情况下，你想看到的是蛋白质的整个功能。Schr？der使用混合方法来理解蛋白的行为和与其它蛋白的互动。晶体能提供蛋白在脱离正常环境时的一个构象的快照。他还表示，结构生物学家需要其它方法来补充晶体结构的信息，并提高他们对蛋白质的形态和功能的理解。

许多蛋白质，如细胞膜上的药物靶点，是灵活而不稳定的。为了让这些蛋白质形成晶体，研究人员经常要在某种程度上改变它们。Meiler指出，改变样本可能无法准确反映分子的原生状态以及其在细胞内的排布方式。他把实验和计算的方法混合，从而更好地理解分子结构。他继续表示，对于很多生物系统来说，晶体法是很好的初始方法，但这个方法不足以提供功能方面的信息。

生物学家现在正在利用一系列的工具来建立更丰富、更精确的生物结构模型。混合方法得到的信息远比单一方法丰富。冷冻电镜和晶体法的结合就非常强大。虽然冷冻电镜于20世纪80年代就问世了，但直到最近几年才取得了分辨率上的突破，达到了2.2埃的分辨率，非常接近X射线结晶学的平均分辨率2埃。它可以产生蛋白质和其它大分子两个或三个维度的图像，这是其他方法无法实现的。

冷冻电镜生产商FEI公司的首席科学家Jeffrey Lengyel表示，冷冻电镜让人激动的一点是，你可以启动一个生化反应，然后把处于各个状态的样本冷冻起来。这样，你可以确定多个构象的结构。

研究人员还可利用冷冻电镜图像，分析分子的运动。在加拿大多伦多儿童医院（Hospital for Sick Children）的John Rubinstein于2015年5月发表了一项成果。他把10万张冷冻电镜图像做成视频，展示了真核V-ATP酶（细胞膜上转运蛋白的酶）结构随时间的变化。在今年早些时候发表的论文中，Nogales等人利用冷冻电镜与同源模型，揭示了TFIID（一个大的、马蹄形的、启动基因转录的蛋白复合体）的结构。

一点点进步

Nogales等人使用的混合策略达到了10埃的整体分辨率，相比于以往分析TFIID的30埃分辨率是非常大的进步。分辨率的提高意味着科学家们能探索更多的问题：正如Nogales所说，“我们可以看到氨基酸与DNA相互作用。”

但冷冻电镜要求标本被冰冻。这是不理想的生物样品，因为冷冻的样本远远脱离了自身动态、天然的状态。核磁共振光谱（NMR）可以帮忙解决这个问题。Schr？der表示，核磁共振有一个很大的优势--可以得到蛋白在正常状态下的动态信息。他的实验室通过整合NMR、冷冻电镜和晶体学数据，得到分子模型。

NMR于20世纪40年代被首次应用到实验中。研究人员通过在外加磁场中激发原子得到大分子结构。当原子回到静息状态时，它们内部磁场的变化可以被检测到，从而反映出分子的原子结构。然而，核磁共振光谱只适用于相对较小的大分子或复合体。

结构生物学家也使用混合方法来解析超大复合体--这是过去无法完成的任务。Kornberg最新的成果（尚未发表）进一步拓展了他对RNA聚合酶II的研究，并使用混合方法描述了一个由50多个蛋白质和转录因子组成的巨大复合体。他表示，通过多个方法的结合，他们首次看到了整个复合体。每个方法都做出了同样大的贡献。

另一个超大型的目标是核孔复合体。这个膜蛋白复合体负责控制细胞核信息和分子的通过。2015年，Ellenberg等人使用一种混合方法来研究这种大型复合体。在过去，研究人员用晶体法和电子显微镜研究它，但他们无法获得整个复合体的分子分辨率图像，其整体结构在很大程度上仍然是一个谜。

Ellenberg的团队第一次利用超高分辨率荧光显微镜对核孔复合体进行了成像。他指出，超分辨率荧光显微镜的分辨率可以达到30纳米。为了提高分辨率，他们使用了一种名为单粒子平均的图像处理技术，把分辨率提升到了10埃。冷冻电镜的实验证实了他们的结果。他们得到了核孔复合体的结构图像。Nogales评价说，这样的模型在以前是无法想象的。

同样，多伦多大学（University of Toronto）的Rubinstein和Lewis Kay使用了混合方法打破了一些不可能。通过冷冻电镜和核磁共振光谱的结合，他们解析了VAT酶（一种在降解蛋白中发挥重要作用的酶）的构象变化。他们通过借助冷冻电镜解释结构，以及核磁共振揭示动态变化，二者结合，完美展示了VAT酶工作时的情景。

仍有缺点

虽然混合方法能带来更多的信息，但混合也会造成错误的叠加。因此，混合方法一个潜在的问题是，多个错误来源造成的误差增加。正如Meiler所说，结构生物学家关注的一个核心问题是，如何在整合方法的同时，减小误差，保证得到的模型具有准确性、精度和可靠性。

另一个障碍是多类数据集的共享和利用。任何一个技术都能得到丰富的信息，因此信息的共享非常麻烦。

Lengyel表示，每天都能生成百万兆字节的数据。他希望，结构生物学领域可以向高通量的遗传生物学领域学习处理数据超载的方法。虽然有能灵活地结合高分辨率晶体结构数据和冷冻电镜图的软件，但其它方法得到的数据无法简单地混合。例如，电子顺磁共振光谱测量高分子的距离和方向，而冷冻电镜产生密度图。虽然这两种数据结合在一起非常有用，但这两种数据语言并不相同。Meiler提出疑问，这些数据如何整合？如何分享？

为了探讨数据组织、共享和使用的最佳方式，几十名结构生物学家于2014年10月齐聚英国欧洲生物信息研究所（European Bioinformatics Institute）。该会议由全球蛋白数据银行（Worldwide Protein Data Bank）组织，是首个此类会议。

Schroder表示，目前，PDB存储单个蛋白结构的数据。他认为，PDB应该增加蛋白各个构象的数据。细节越丰富，越有助于全面解析蛋白和大分子功能。

学界已经做出了一些努力：目前已建立二维电子显微镜模型的档案库（Electron Microscopy Pilot Image Archive）和三维（EMDataBank）。这些档案库由EMBL等机构提供资金，其中包含的数据可以共享、归档和分发。

另一个可能阻碍该领域的威胁是专业知识。Meiler指出，技术需要投资，但投资在教育科学家上也非常重要。他建议，结构生物学领域的学生都去学习每一种方法的优缺点，并至少精通一种方法。他还表示，我们需要培养新一代的科学家，这些科学家需要理解如何整合这些不同的技术。

最后，结构生物学家必须学会提问题，提新的、复杂的、以前被认为不可能的生物问题。Ellenberg还表示，有了混合方法，很多5年前他甚至以为直到他退休都没法探索的问题都可以解决了。

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抽象的价值
　　
　　——数学与当代生命科学
　　
　　吴家睿
　　
　　
　　
　　20世纪中期，随着蛋白质空间结构的解析和DNA双螺旋的发现，形成了以遗传信息载体核酸和生命功能执行者蛋白质为主要研究对象的分子生物学时代。分子生物学的诞生使传统的生物学研究转变为现代实验科学。但是，在生命科学领域的实验科学与其它实验科学如实验物理学相比，更多地是注重经验，而非抽象的理论或概念。此外，这些生物学家们大多关注定性的研究，以发现新基因或新蛋白质为主要目标，对于定量的研究，如分子动力学过程等没有给予足够的重视。尽管如此，现代生命科学在20世纪的下半叶还是取得了丰盛的成果。正如美国科学院院长分子生物学家阿尔伯特(B. Albert)所说，“在一个基因克隆占主要地位的时代，当今许多优秀的科学家在不具备任何定量研究的能力下仍然取得了巨大的成绩”。但是，随着后基因组时代的到来，生物学研究者的定量研究能力和知识已不再是可有可无的了。
　　
　　
　　
　　大势所趋
　　
　　英国生物学家保罗?纳斯(Paul Nurse) 因细胞周期方面的卓越研究成为了2001年度诺贝尔生理学或医学奖的得主。他曾在一篇回顾20世纪细胞周期研究的综述文章中以这样的文字结束：“我们需要进入一个更为抽象的陌生世界，一个不同于我们日常所想象的细胞活动的、能根据数学有效地进行分析的世界。”
　　
　　也许基于同样的考虑，2000年10月美国国家科学基金会（NSF）的主任科勒威尔(R. Colwell)在向国会提交的报告中，称数学是当前所有新兴学科和研究领域的基础，要求下一年度对数学的资助要增加3倍以上，达到1.21亿元美金。在这些增加的预算中，有很大的一部分被用来支持数学与其它学科的交叉研究，尤其是数学与生物学的交叉研究项目。
　　
　　尽管数学一直在现代生命科学中扮演着一定的角色，如数量遗传学、生物数学等。但真正体会到数学重要性的还是20世纪90年代生物学家。基因组学是这种趋势的主要催化剂。随着DNA序列测定技术的快速发展，20世纪90年代后期每年测定的DNA碱基序列以惊人的速度迅速增长。以美国的基因数据库（GenBank）为例，1997年拥有的碱基序列为1x109，次年就翻了一番，为2x109；到2000年GenBank已拥有近8x109个碱基序列。同样，在蛋白质组研究和转录组研究等快速推进的过程中，各种数据也在迅猛的增加。据估计，现在生物数据量可以达到每年1015字节。如何管理这些“海量”数据，以及如何从它们中提取有用的知识成为了对当前生物学家、数学家、计算机专家等的巨大挑战。由此引出了一门新兴学科：生物信息学(Bioinformatics)。此外，对细胞和神经等复杂系统和网络的研究导致了数学生物学(Mathematical Biology)的诞生。美国国家科学基金委员会为此专门启动了一项“定量的环境与整合生物学”的项目，以鼓励生物学家把数学应用到生物学研究中去。几乎在同一个时间，美国国立卫生研究院也设立了一项“计算生物学”的重大项目。
　　
　　
　　
　　理解生命的新工具：模型
　　
　　上面的论述也许会造成这样一种印象，数学在现代生命科学中的应用主要是在“海量”数据的处理方面。可以这样说，今天的确是有许多生物学家是从“计算”的角度来看待数学对生命科学的作用。然而，对于理解生命现象来说，计算是远远不够的。当我们把通过基因芯片获得的成千上万的实验数据喂进一台计算机，让计算机根据一定的运行程序吐出一堆堆的结论时，我们是否可以认为，我们已经理解了所要研究的生物学问题？不仅如此，我们也许还需要警惕，不要让计算机代替我们的思考。
　　
　　对于今天的生命科学工作者，数学的价值应该体现在“模型化”(Modelling)方面。通过模型的构建，那些看上去杂乱无章的实验数据将被整理成有序可循的数学问题；通过模型的构建，所要研究的问题的本质将被清晰地抽象出来；通过模型的构建，研究者们的实验不再是一种随意的探索，而是通过“假设驱动”（Hypothesis-driven approach）的理性实验，就如同物理学家们的工作一样。
　　
　　上个世纪的实验生物学家把生命视为一个线性的系统，力图以一种简单的因果关系来解释生命活动。通常在那些寻找新基因的研究者的内心深处，大多拥有一个“基因决定论”的愿望：一旦找到了某一种基因，就能解答一个生物学问题。癌症有“癌基因”，长寿有“长寿基因”，聪明有“聪明基因”，甚至犯罪都是由一种“犯罪基因”所造成。但是，几十年的研究轨迹，划出的却是一幅幅越来越复杂的图案。以人类发现的第一个肿瘤抑制基因p53来说，自1979年发现至今，已有近2万5千篇文章涉及到它；直接与p53相互作用的蛋白质多达数十种，新的还在发现之中。现在人们看到的p53已经是一个相当复杂的调控网络。显然，没有数学模型的帮助，要理解和分析p53的功能将不是一件容易的事。不久前，发现p53的生物学家之一莱文尔(A. J. Levine)和数学家一起，建立了一个解释p53调控线路的数学模型[1]。
　　
　　数学不仅能帮助我们从已有的生物学实验和数据中抽象出模型和进行解释，它还可以用于设计和建造生物学模型，也许这些生物学模型在自然的状态下是不存在的。在这种意义上说，基于数学模型和假设进行的生物学实验将更接近我们所熟知的物理学和化学实验，更多的依赖于抽象和理性，不再是一门经验科学。
　　
　　新世纪伊始，数学指导实验已成为了现实。不久前，美国的科学家在《自然》（Nature）杂志上报道了他们人工设计的生物模型。普林斯顿大学科学家设计了一个自然界不存在的控制基因表达的网络。这个网络可以周期性的调控大肠杆菌内一个外源基因的表达[2]。在同一期杂志上，波士顿大学的生物学家也报告了他们相类似的工作[3]。这两个工作的共同特点是，首先应用某种微分方程（两个实验室采用了不同的微分方程）进行推导和设计，然后再根据其设计去进行生物科学实验，如构造基因表达质粒，进行检测基因表达情况等。这些科学家认为：“这种‘网络的理性设计’可以导致新型的细胞工程和促进人们对自然界存在的调控网络的理解。”[2]
　　
　　
　　
　　“万物皆数也”
　　
　　数学常常被人视为工具。它的确也是非常有用的工具。但是，只要是作为工具，就具有可替换性。“条条道路通罗马”。工具就是道路，可以选择途径A，也可以选择途径B，只要能达到目的地就行。当然，有的可能是捷径，有的可能是弯路。但它们毕竟都不是唯一的。就如同过去的生命科学研究，没有数学也取得了不错的成绩。数学的应用显然会对现在和今后的生物学研究有帮助，但生物学家不用数学行不行呢？
　　
　　人类对自然和生命的关注，通常体现在两个方面的问题：构成世间万物的本质是什么以及如何去认识和探寻这种本质。前一类问题是属于本体论，后一类问题则属于认识论。如果采用这样假设：生命的本质最终是体现在数学规律的构成上。那么，没有数学显然我们就不能真正和彻底地揭示出生命的本质。
　　
　　DNA和蛋白质是两类最重要的生物大分子。它们通常都是由众多的基本元件（碱基、氨基酸）相互联结而成的长链分子。但是，它们的空间形状并非是一条平直的线条，而是一个规则的“螺旋管”。尽管在20世纪中叶人们就发现了DNA双螺旋和蛋白质α螺旋结构，但至今为止，人们还是难以解释，为什么大自然要选择“螺旋形”作为这些生物大分子的结构基础。
　　
　　不久前，美国和意大利的一组科学家，利用离散几何的方法研究了致密线条的“最大包装”(Optimal Packing)问题，得到的答案是，在一个体积一定的容器里，能够容纳的最长的线条的形状是螺旋形 [4]。研究者们意识到，“天然形成的蛋白质正是这样的几何形状”[4]。显然由此我们能够窥见生命选择了螺旋作为其空间结构基础的数学原因：在最小空间内容纳最长的分子。凡是熟悉分子生物学和细胞生物学的人都知道，生物大分子的包装是生命的一个必要过程。作为遗传物质载体的DNA，其线性长度远远大于容纳它的细胞核的直径。例如构成一条人染色体的DNA的长度是其细胞核的数千倍。因此通常都要对DNA链进行多次的折叠和包扎，使长约5厘米的DNA双螺旋链变成大约5微米的致密的染色体。由此我们可以认为，生命遵循“最大包装”的数学原理来构造自己的生物大分子。
　　
　　细胞是生命的基本组成单元和功能单元。而细胞分裂（又称为细胞增殖）是细胞最基本和最重要的活动。完成一次细胞分裂的活动称为细胞周期。不同物种的细胞周期的时间长短是不一样的，有着严格的调控。那么，是什么构成了细胞周期的“时钟”？最近的研究表明，对于酵母细胞而言，一种细胞周期调控蛋白的磷酸化程度有可能被用作细胞周期运行的“时钟”。这种被称为Sicl的蛋白质上有9个位置可以被蛋白激酶CDK进行磷酸化。当它被加上第1个磷酸基因至第5个磷酸基团的时候，其分子的行为没有出现变化。但是，一旦被加上第6个磷酸基团时，它就可以和一种称为Cdc4的蛋白发生相互作用，然后被蛋白酶降解，从而导致细胞进入DNA合成期（S期），最后完成细胞分裂。研究者详尽而深入的工作揭示出，Sicl蛋白的每一次磷酸化都有助于与Cdc4的相互作用，但只有到第6次或6次以上，其结合力才达到与Cdc4稳固的结合。此外，如果给Sicl蛋白人为装上一段外源氨基酸肽段，一次磷酸化就能使Sicl与Cdc4结合并导致其降解，这时Sicl控制细胞周期时间的功能就会丧失[5]。这个研究成果很典型地揭示了细胞是如何通过数量的控制来实现其生命活动。
　　
　　古希腊著名的数学家毕达哥拉斯(Pythagoras)曾给后人留下过这样一个观点：“万物皆数也”。如果他的观点是正确的，作为大自然的杰作——生命，一定也是按照数学方式设计而成的。因此，数学不仅仅能够提升生命科学研究，使生命科学成为抽象的和定量的科学，而且是揭示生命奥秘的必由之路。

如何认识生物学的研究成果与发展方向

1925年摩尔根“基因论”的发表，确立了基因是遗传的基本单位，它存在于细胞的染色体上，决定着生物体的性状。但关于基因的化学本质是什么，它通过什么方式影响生物体的遗传性状，仍然不清楚。揭示基因的本质及其作用方式就成了当时生物学研究的核心问题。对这个问题的研究，开创了分子生物学这门新学科。分子生物学的建立和发展是生物学中信息学派、结构学派和生化遗传学派研究成果结合的产物，是科学史上一次成功的由学科交叉融合而引起的科学革命。发现DNA双螺旋的故事已为人们广为传颂，并作为生物学史上最具传奇色彩的伟大发现而载入生命科学史册

1．信息学派：信息学派主要是由一群对遗传信息世代传递感兴趣的物理学家组成，其代表人物是德尔布吕克（Max Delbrück）。德尔布吕克德国物理学家，1930年在美国洛克菲勒基金资助下，到丹麦哥本哈根理论物理研究所，跟随著名物理学家玻尔（Niels Bohr）作博士后研究。1932年，玻尔在哥本哈根举行的国际光治疗大会上作了“光与生命”的演讲。演讲中玻尔提出了认识生命的新思路，认为对生命现象的研究有可能发现一些新的物理学定律。德尔布吕克深受玻尔思想的影响，决定转入生物学研究。他认为，研究遗传信息的世代传递的机制，基因是最好的切入口。德尔布吕克离开哥本哈根回到柏林后，与遗传学家列索夫斯基（Nikola?. Vladimirovich. Timofeeff-Ressovsky）、生物物理学家齐默尔（Karl. G. Zimmer）合作，从量子理论的角度研究辐射与基因突变的关系，并于1935年出版了《关于基因突变和基因结构的本质》的小册子。书中，他们用量子理论分析讨论了辐射诱导的基因突变的规律，并给出了“基因的量子力学模型”。此模型认为，基因如同分子一样，具有几个不同的，稳定的能级状态。突变被解释为基因分子从一个能级稳态向另一个能级稳态的转变。文章还根据计算，推断了基因的大小。这就是著名的“三人论文”。“三人论文”是一篇完全用物理学的理论和方法对基因进行研究的文章。这篇文章的意义不在于其结论的正确与否，而在于它使许多年轻物理学家们相信，基因是可以通过物理学方法来进行研究的，从而推动了一大批杰出物理学家投入生物学研究。“三人论文”后来成为薛定锷（Erwin. Schr?dinger）“生命是什么”一书讨论的基础。

1937年，在洛氏基金的资助下，德尔布吕克来到加州理工大学摩尔根实验室进行遗传学研究。在那儿他发现噬菌体是一种比果蝇更适合进行基因研究的材料，并与埃利斯（Emory. Ellis）合作，研究噬菌体的增殖、复制规律，建立了噬菌体的定量测定方法。1940年底，在费城召开的一个物理学年会上，德尔布吕克与刚来美国不久的意大利生物学家卢里亚（Salvador. Edward. Luria）认识了。卢里亚读过“三人论文”，对德尔布吕克极为景仰。当时他刚获得洛氏基金资助，在哥伦比亚大学准备开展X-射线诱导噬菌体突变的研究。共同的兴趣使他们很快建立了合作关系。当时在美国还有一个进行噬菌体研究的科学家是华盛顿大学的赫尔希（Alfred. Hershey）。1943年，德尔布吕克约他在自己实验室见面，并讨论了合作研究计划。这样，一个以德尔布吕克—卢里亚—赫尔希为核心的“噬菌体小组”就形成了。

噬菌体小组的研究成果主要有：德尔布吕克与卢里亚合作进行的细菌突变规律的研究开辟了细菌遗传学的新领域；1945年卢里亚和赫尔希分别独立发现噬菌体的突变特性；1946年德尔布吕克与赫尔希又分别独立发现，同时感染一个细菌的二种噬菌体可以发生基因重组，证明了，从最简单的生命到人类的遗传物质都遵循着相同的机制。噬菌体小组最值得夸耀的成果是50年代初证明了基因的化学本质是DNA。1944年艾弗里（Oswald. T. Avery）已经通过肺炎球菌转化试验发现，DNA是遗传物质，但一直未获承认。赫尔希和蔡斯（Martha. Chase）分别用35S（与蛋白结合）和32P（结合在DNA上）标记噬菌体，然后用它感染细菌，结果发现噬菌体只有其核酸部分进入细菌，而其蛋白外壳是不进入细菌的。表现为在感染噬菌体的细菌体内复制产生的后代噬菌体主要含有32P标记，而35S的含量低于1%。这清楚地证明，在噬菌体感染的细菌体内，与复制有关的是噬菌体的DNA，而不是蛋白质。1952年，这个结果发表后立刻被广泛接受，对促进沃森（James Watson）和克里克（Francis Crick）确定DNA双螺旋结构的突破，具有重要的意义。

噬菌体小组除了在研究遗传信息的传递机制外，还从1941年起，每年都在纽约长岛的冷泉港举行研讨会，并从1945年起每年暑期都举办“噬菌体研究学习班”。学习班课程主要为那些有志于投身生物学研究的物理学家们开设的。通过冷泉港学习班，扩大了噬菌体研究网络，形成并巩固了以德尔布吕克—卢里亚—赫尔希为核心的噬菌体小组在遗传学研究领域的地位，到50年代初，噬菌体小组已成了一个影响很大的遗传学派。

噬菌体小组早期的研究工作引起著名物理学家薛定锷的注意，并引起了他对生命的思考。1943年，他在爱尔兰的都柏林三一学院作了一系列演讲，阐述了他对生命的思考。1944年，他将这些演讲整理汇编成书出版，这就是被认为是分子生物学的“汤姆叔叔的小屋”的划时代著作《生命是什么》。在此书中，薛定锷讨论了以噬菌体小组为主的信息学派的研究成果，尤其对德尔布吕克的“基因的量子力学模型”最为推崇。在讨论这些研究成果的同时，薛定锷认为“在有机体的生命周期里展开的事件，显示了一种美妙的规律和秩序。我们以前碰到过的任何一种无生命物质都无法与之相比。”“我们必须准备去发现在生命活体中占支配地位的，新的物理学定律”。

《生命是什么》一书对生物学研究产生的影响是震撼性的。著名分子生物学家斯坦特（Gunther. Stent）指出：“在这本书里，薛定锷向他的同行物理学家们预告了一个生物学研究的新纪元即将开始”，“不少物理学家受到这样一个可以通过遗传学研究来发现‘其它物理学定律’的浪漫思想的启发，就离开了他们原来训练有素的职业岗位，转而去致力于基因本质的研究”。分子生物学的历史表明，1950年代那些发动分子生物学革命的科学家，包括DNA双螺旋结构的发现者沃森和克里克都是受薛定锷此书的影响，而转而进行基因的结构与功能研究的。

2．结构学派：20世纪30年代起，在生物学领域还有一群物理学家开始从事生物大分子的结构研究，这就是被称为“结构学派”的物理学家。结构学派是由英国卡文迪许实验室的布拉格父子，亨利·布拉格（William. Henry. Bragg）和劳伦斯·布拉格（William. Lawrence. Bragg）创立的。20世纪初，他们发现用X-射线照射结晶体可以在背景上获得不同的衍射图像。通过对衍射图像的分析，就可以推出晶体的结构。他们用这个方法成功地确定了一些盐类（如氯化钾）等的分子结构。1915年，布拉格父子同时获得诺贝尔物理学奖。1938年，劳伦斯·布拉格出任卡文迪许教授，开始将X-射线衍射技术推广应用到对生物大分子（蛋白质、核酸）的三维结构研究。50年代初，当时在卡文迪许实验室的佩鲁兹（Max Peruts）领导下，正在进行二种蛋白质的结构分析。一是他自己领导的研究小组，进行血红蛋白的结构研究；另一个是肯德鲁（John Kendrew）领导的研究小组，进行肌红蛋白的结构分析。此外，在伦敦的国王学院（King’s College）的威尔金斯（Maurice Wilkins）和富兰克林（Rosalind Franklin）的研究小组正在进行用X-射线衍射的方法研究核酸的结构，并取得了很多有意义的成果。结构学派的生物学家们主要对生物大分子的结构感兴趣，对功能研究则较少涉及。

3．生化遗传学派：自从1900年孟德尔定律被重新发现之后，“基因是怎样控制特定的性状”的问题就成了遗传学研究的主要问题之一。1902年，英国医生伽罗德（Archibald Garrod）发现一些病孩患尿黑酸症，病人的尿一接触空气就变成黑色。很快这种尿变黑的化学物质就被鉴定出来，即是由酪氨酸转变而成的一种物质。伽罗德对患黑尿病患者的家谱分析发现，此病按孟德尔规则的方式遗传。在进行一系列研究后，1909年伽罗德出版了《新陈代谢的先天缺陷》一书，指出黑尿病患者代谢紊乱是因为酪氨酸分解代谢的第一阶段，即苯环断裂这一步无法进行。因而伽罗德认为，苯环断裂是在某种酶的作用下发生的，病人缺乏这种酶，所以出现黑尿症状。这样就把一种遗传性状（黑尿）与酶（蛋白质）联系起来了。但对遗传因子与酶的这种预测性的设想，却无法得到实验证实。

1940年，比德尔和塔特姆（E.L.Tatum）开始用红色链孢菌研究基因与酶的关系。他们用X-射线照射诱导产生链孢菌的突变体，发现了几种不同的失去合成能力的链孢菌。他们通过对这些突变体杂交后代的遗传学分析表明，每一种突变体都是单个基因突变的产物，并认为每一个基因的功能相当于一个酶的作用。由此，于1941年他们提出了“一个基因一个酶”的假说。按照这个假说，基因决定酶的形成，而酶又控制生化反应，从而控制代谢过程。1948年，米歇尔（F. Mitchell）和雷恩（J. Lein）发现，红色链孢菌的一些突变体缺乏色氨酸合成酶，从而为“一个基因一个酶”的理论提供了第一个直接的证据。蛋白质是有机体基因型产生的最直接的表现型，决定了生物性状的表现形式。因此“一个基因一个酶”（后改为一个基因一个蛋白质）的理论为以后DNA→RNA→蛋白质的“中心法则”提供了理论基础，对认识基因控制遗传性状的机制具有重要意义。1958年，伽罗德和塔特姆获得诺贝尔奖。

DNA双螺旋结构的确立

1951年，沃森在意大利参加了一个生物大分子结构的学术会议，会上听了英国国王大学威尔金斯关于DNA的X-射线晶体学的研究结果的报告十分兴奋。沃森是噬菌体小组领袖人物卢里亚的研究生。博士毕业后，被卢里亚送到丹麦哥本哈根的克卡尔（Herman Kacker）实验室做有关核酸的生物化学方面的研究。这使他迅速熟悉了核酸方面的知识，并确认基因的本质是DNA。他认识到，要解开基因的功能之谜，必需首先弄清DNA的结构。威尔金斯的工作给了他极大的启示，在卢里亚的支持下，他来到了当时世界生物大分子结构研究的中心——剑桥的卡文迪许实验室。在这里，他与弗朗西斯·克里克（Francis Crick）相遇。克里克毕业于伦敦科里基大学物理系，二战期间在军队从事过磁铁矿方面的研究。战后在薛定锷《生命是什么》一书的影响下，转向生物学研究。当时作为一名博士研究生正在佩鲁兹研究小组参加血红蛋白结构的研究。沃森的到来，使他了解了DNA研究的新进展。他们一致认为，搞清楚DNA的结构是揭示基因奥秘的关键所在。伦敦国王学院的威尔金斯是克里克的朋友，这使他们很容易地获得威尔金斯小组对核酸研究的新成果。沃森和克里克的合作，可以看成是生物学研究中，信息学派和结构学派结合。这个结合最终导致DNA双螺旋结构的发现。

在沃森—克里克开始着手研究DNA结构之时，对DNA结构的资料还是比较零散的。当时已知：1。DNA是由腺嘌呤（A），鸟嘌呤（G），胸腺嘧啶（T），胞嘧啶（C）4种核苷酸组成；2。每个核苷酸的糖基因以共价键的方式与另一个核苷酸的磷酸基因结合，形成糖—磷酸骨架；3。这些核苷酸长链具有规则的螺旋状结构，每3.4埃重复一次。但DNA分子究竟是由几条核苷酸链组成，以及链与链之间通过什么方式组成螺旋状分子，则仍然不清楚。1951年沃森—克里克曾提出一个三螺旋模型，1952年，鲍林也提出了一个三链模型，但随即被否定，因与已知的DNA X-射线衍射结果不相符。DNA双螺旋结构的确立主要由于以下的研究成果：1。1952年，沃森在威尔金斯那儿看到了富兰克林在1951年拍摄的一张水合DNA的X-线衍射图，图片上的强烈的反射交叉清楚地显示了DNA是双链结构。这张图给沃森印象极为深刻，决定建立DNA的双链模型；2。1952年数学家格里菲斯（J. Griffith）通过对碱基间的结合力计算，表明A和T与G和C之间相互吸引的证据。同时从查伽夫（F. Chargaff）早先已确定的，DNA分子中，嘌呤碱与嘧啶碱之比为1:1的当量定律，也排除了碱基同型配对的可能性。此外，多诺休（J. Donohue）指出了碱基的互变异构现象。这些结果都肯定了DNA的二条核苷链中，A-T，G-C的碱基配对原则；3。1952年，富兰克林DNA的X-线衍射结果已经准确地推测出，双链分子糖—磷酸骨架在外侧，碱基在内侧的结论。富兰克林还推测出配对碱基的距离为20埃，旋距为3.4埃。

根据上述资料，1953年沃森—克里克提出了一个DNA双螺旋模型。这个结构符合已知的有关DNA的实验资料，弃提示了DNA分子复制的可能方式，因而立即受到科学界的重视并很快被接受。DNA双螺旋结构的发现，标志着分子生物学的诞生。此后的15年间，分子生物学取得迅速发展，其中具有重要意义的进展有：

1， 1968年克里克在他的《论蛋白质的作用》一文中，提出了遗传信息的流向是DNA-RNA-蛋白质的著名的“中心法则”。1970年蒂明（Howard Temin）和巴尔的摩（David Baltimore）分别在RNA肿瘤病毒颗粒中发现“依赖RNA的DNA转录酶”（逆转录酶），证明了遗传信息也可以从RNA流向DNA，从而完善了中心法则的内容。1975年，蒂明和巴尔的摩获诺贝尔生理学或医学奖。

2，1954年伽莫夫第一次把决定一个氨基酸的核苷酸组合称之为遗传密码，并提出了“重叠式三联密码”假说。他通过计算给出了64种可能的三联密码。伽莫夫的假说的问题是：1，重叠密码是错误的；2，认为DNA直接指导蛋白质合成是错误的。1961年克里克和布伦纳（S.Brenner）通过实验和统计分析否定了遗传密码的重叠问题，提出了“非重叠式三联密码”的假说，并通过实验获得证实。同年，尼伦伯格（M.W.Nirenberg）用生物化学的方法及体外无细胞合成体系，首次成功地确定了三联尿嘧啶UUU.是苯丙氨酸的密码子，揭开了破译三联密码的序幕。到1966年就完成了所有20种氨基酸的密码表1968年，尼伦伯格获诺贝尔生理学或医学奖。

3，.基因表达调控的“操纵子学说”的提出。1960年法国科学家莫诺（J. Monod）和雅各布（F.Jacob）发表了“蛋白质合成的遗传调控机制”一文。在文章中他们正式提出了基因表达的操纵子学说。他们用大肠杆菌乳糖代谢调控系统为模型，揭示了半乳糖苷酶产生的基因调控机制，提出了结构基因、调节基因和操纵基因的概念，并证明了半乳糖苷酶（蛋白质）的产生正是这些基因相互作用的结果。操纵子学说的提出使对基因的研究从结构研究向功能研究的转变，为深入揭示基因控制生物性状（表型）的机制奠定了基础。1965年莫诺和雅各布获诺贝尔生理学或医学奖。操纵子理论有力地证实了美国科学家麦克林托克（B.Mclintock）1951年在研究玉米遗传特性时提出的“跳跃基因”（转座子）的概念，为真核细胞基因调控的研究开辟了道路。1983年麦克林托克获诺贝尔生理学或医学奖。

4，基因工程枝术的诞生。1962年阿尔伯（W.Arber）提出细菌体内存在一种可以破坏外来DNA的酶。1970年史密斯（H.O.Smith）获得了第一个DNA限制性内切酶。纳桑斯则用内切酶将SV40病毒的DNA切割成一些特定的片段，并获得了此病毒基因组的物理图谱。1978年阿尔伯、史密斯和纳桑斯获诺贝尔生理学或医学奖。此后又陆续发现了DNA联接酶、DNA聚合酶，这些工具酶的发现为基因工程技术的出现奠定了基础。1971年美国科学家伯格（P. Berg）用限制性内切酶和联接酶将SV40的DNA与入噬菌体的DNA片段连接在一起，形成的杂种分子在大肠杆菌中成功表达，使跨越物种的DNA重组成为现实。基因工程作为一项新技术诞生了，它不但为农业、畜牧业和医药产业的发展提供了广阔的发展空间，而且为进一步深入探索生命起源和开展人造生命（合成生物学）的研究提供了技术手段。伯格的工作为基因工程的诞生奠定了基础，1980年伯格获诺贝尔生理学或医学奖。

从1953年DNA双螺旋结构发现以来的半个多世记中，分子生物学按还原论的路径迅猛发展，取得了许多重要进展。进入21世记以来，人类基因组计划的完成，以及蛋白质组学等各种“组学”的出现，为从整体上认识遗传、变异、及个体发育等基本生物学现象开辟了新方向。早已认识到基因组完全相同的卵孪生子之间在遗传表型上可以表现明显差异，显示了基因型（Genotype）与表现型之间的复杂关系。近年来兴起的表观遗传学（Epigenetics）研究表明，基因组可以通过DNA甲基化（DNA methylation），基因印记，母体效应，基因沉默，RNA编辑等方式改变基因表达的方式。这样就为深入理解环境与遗传的关系提供了可能，从而对医学科学的发展产生深远的影响。

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