【2015诺贝尔化学奖特别报导】DNA修补─为生命提供化学的

【2015諾貝爾化學獎特別報導】DNA修補─為生命提供化學的穩定

从一个细胞到另外一个,从一个世代到另外一个,控制人类形体的基因资讯在我们的体内流传了千百年,它不断地受到来自于环境的攻击,但让人惊讶的仍能保持完整。Tomas Lindahl(林达尔)、Paul Modrich(莫瑞克)、与Aziz Sancar(桑贾尔)获得了2015年的诺贝尔化学奖,这是因为他们绘製并解释了细胞如何修补它的DNA而保护了基因的讯息。

你到底是谁的依据,是在精子里的23条染色体与卵子里的23条染色体结合时所建立的,合起来它们形成了你体内最原始版本的基因体,亦即你的基因物质。所有需要用来创造你的基因资讯都存在于那个结合,如果有人将那些DNA的分子从这第一个细胞中抽出,并将它们排列起来,将会有两公尺之长。

【2015诺贝尔化学奖特别报导】DNA修补─为生命提供化学的

当受精卵接着分裂时,那些DNA的分子会被複製,所得到的子细胞也会得到一组完整的染色体,接着细胞再度分裂;二变四,四变八。在一个星期之后你拥有了128个细胞,每一个都拥有自己的一套基因物质,你的基因总长开始接近300公尺了。

现在 – 在许多许多亿的细胞分裂之后 – 你的DNA可以一路伸展到太阳再绕回来,总共250圈,虽然你的基因物质被複製了那幺多次,那最近一次的拷贝仍然与原来在受精卵中製造出的原始版本几乎完全相同,这就是生命分子所展示的伟大之处,因为从化学的角度来看,那应该是不可能的。所有的化学程序都很容易产生随机的错误,此外,你的DNA每天都受到具有破坏性的辐射线以及高反应性分子的攻击。事实上你早在发育成胚胎之前,就应该变成一堆混乱的化学体了。

你的DNA受到一群蛋白质的监控

年复一年,我们的DNA仍令人惊讶的保持完整,那归功于一组分子修补机制的执行者:一群监控基因的蛋白质,它们持续的校对基因体并修补任何出现的损坏。2015年的诺贝尔化学桂冠颁给了Tomas Lindahl(林达尔)、Paul Modrich(莫瑞克)、与Aziz Sancar(桑贾尔),因为他们在分子的层次弄清了这些基础的过程,并对一些遗传性疾病在分子层次的成因,以及癌症的发展和老化背后的机制提供了重要的知识。

林达尔、莫瑞克、与桑贾尔分别的描绘了几种与人类相关的DNA修补程序,这个故事始于出生于与诺贝尔相同国家的林达尔。

生命存在 – 因此DNA一定是可以修补的

「DNA到底真的有多稳定?」林达尔在1960年代的末期开始思考这个问题,在当时,化学的社群相信DNA的分子 – 所有生命的基石 – 是非常耐操的,根本不用担心它们会发生甚幺事。演化的确需要突变,但是在每一个世代只会发生非常有限的次数,如果基因的讯息会很不稳定,将不会有任何多细胞生物体的存在。当他在美国普林斯顿大学进行博士后研究时,林达尔是在研究RNA分子,那是一个DNA的表亲,但工作并没有进行得很顺利。在他的实验中,需要将RNA加热,但这总是导致该分子的快速分解。虽然当时已知RNA是比DNA更为敏感的,但是如果RNA受热时会如此迅速的毁坏,那幺DNA真的会一辈子都很稳定吗?这个问题开始驻留在他的心中。

在开始寻找这个问题的答案之前数年,他已经回到瑞典斯德哥尔摩的卡罗琳学院(Karolinska Institute),一些简单的实验证实他的怀疑是正确的:DNA会进行一个缓慢但可观察到的衰变,林达尔估计每天会有上千个具潜在毁灭性的损伤出现于基因体中,这个频率明显的无法与人类在地球上存在的事实相存。他的结论是,一定存在着一个分子体系负责修补所有的DNA缺陷,基于这个想法,林达尔打开了进入一扇崭新研究领域的大门。

特殊的酵素移除DNA的损伤

细菌的DNA与人类的DNA相仿,也是由许多核苷酸和腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)、与胸腺嘧碇(T)等硷基组成,林达尔开始利用细菌的DNA来寻找修复用的酵素。一个DNA在化学上的弱点是胞嘧啶(C)很容易脱去一个胺基,这就导致基因讯息的改变。在DNA双股螺旋中,胞嘧啶永远是与鸟嘌呤(G)配对的,但是当胺基不见时,受破坏而剩下的部分倾向于和腺嘌呤(A)配对,因此如果让这个缺陷存在,突变将会在下一次DNA複製时发生,林达尔体认到细胞一定会有对此问题的保护机制,进而能找到一个细菌的酵素,它能从DNA上移除受损的胞嘧啶所剩下的那部分。在1974年,他将研究的结果发表了。

林达尔将硷基切除式修复的谜底拼凑出来

这是35年成功研究的开始,林达尔发现并检验了许多在细胞工具盒中的DNA修复蛋白质。在1980年代的开始,一段感情将他带到了英国,在那裏他接受了伦敦皇家癌症研究基金会的一个位置,而在1986年他成为新成立的克莱霍尔(Clare Hall)实验室的主任,该实验室后来因为其科学上的创造力而成名。一点一滴的,林达尔将「硷基切除式修复」如何运作的分子图像慢慢的拼凑了出来,在此步骤中一些类似他在1974年发现的一组酵素,称为醣苷酶(glycosylases)者,是DNA修复过程中第一步的执行者。硷基切除式修复也会发生在人体中,在1996年,林达尔成功的在体外重现了人体中修复的程序。

【2015诺贝尔化学奖特别报导】DNA修补─为生命提供化学的

【2015诺贝尔化学奖特别报导】DNA修补─为生命提供化学的

对林达尔而言,决定性因素就是体认到即便是当其分子坐落于受到细胞保护的环境中,DNA仍不可避免的会进行改变。不过DNA会受到环境中如紫外线照射等的攻击而受伤是早就知道的事,而大部分的细胞,修补紫外线造成的破坏所用的「核苷酸切除式修复」机制,则是由出生于土耳其萨武尔(Savur),但是在美国工作的桑贾尔所釐清的。

宁愿靠生物化学生活而不做医生

当桑贾尔还在伊斯坦堡修习医学学位时,开始被生命分子的魅力所吸引,在毕业之后他在土耳其乡下行医,并工作了数年,但是在1973年,他决定开始研究生物化学,有个现象特别地激发了他的兴趣:当细菌暴露于致死剂量的紫外线后,如果接着将它们用可见波段的蓝光照射,会突然的复原。桑贾尔对这个几近于奇蹟的效应非常的好奇;在化学上,那是如何运作的?

一位美国科学家Claud Rupert (路伯特)研究过这个现象,因此桑贾尔加入了路伯特位于美国达拉斯,德州大学的实验室。在1976年,运用当时仍然生涩的分子生物工具,桑贾尔成功的选殖(cloning)了修补被紫外线破坏的DNA所用的「光分解酵素」(photolyase)之基因,这份工作成为他的博士论文,但是这份研究并未给人深刻的印象;他申请了三份博士后研究的工作,但都被打了回票,因此对于光分解酵素的研究必须放回架上。为了继续研究DNA修补,桑贾尔在耶鲁大学药学院找到了一个实验室技术员的工作,那是一个在该领域中持领先地位的研究机构,在这里开始了最终导致他获得诺贝尔化学奖的工作。

桑贾尔 – 研究细胞如何修补紫外线造成的破坏

当时已经清楚的知道细菌具有两套系统来修补紫外线的破坏:除了倚赖光线的光分解酵素,另一个在暗室中运作的系统也被发现。桑贾尔在耶鲁大学的新工作同仁们自1960年代中期就开始研究这个暗室的系统,用了三个对紫外线敏感的细菌菌株,它们携带三种不同的基因突变:uvrAuvrB,与uvrC

如同他先前对光分解酵素的研究,桑贾尔开始探究这个暗室系统的分子运作机构。在几年之内他想办法找到、分离、并鉴定了这些被uvrAuvrB,与uvrC所编码的酵素。在一系列突破性的体外实验中,他展示了这些酵素能找出一个被紫外线破坏的位置,然后在DNA股链上製造两个切口,分别在受损位置的两端,接着,一个包含受损位置的12-13个核苷酸片段被移除。

【2015诺贝尔化学奖特别报导】DNA修补─为生命提供化学的

人类与细菌运用类似的紫外线损害修补机制

桑贾尔这种从这个修补过程的分子细节中取得知识的能力,改变了这整个研究领域。他于1983年发表了这些发现,这个成就让他获得位于教堂山(Chapel Hill),北卡罗莱纳州立大学生物化学系的副教授之职。在那裏,以同样的精準度,他绘製出核苷酸切除式修复的下一阶段。与其他包括林达尔在内的研究工作者平行的,桑贾尔研究了人体中的核苷酸切除式修复。将人体DNA中受紫外线破坏的部份切除的分子运作机构,比相对的细菌更为複杂,但是从化学的角度来看,核苷酸切除式修复在所有生物中的运作都很相似。

那幺,桑贾尔最初有兴趣的光分解酵素又如何了呢?是的,他终究回到了这个酵素,揭开了让细菌起死回生背后的机制。此外,他帮忙证实了有一个人体中对等于光分解酵素的化合物,帮助我们设定昼夜节律。

该是让我们来看看莫瑞克的工作的时候了,他也是从一个与修补机制有关的模糊想法开始的,从而以精采的分子细节雕绘出其轮廓。

学习「DNA这个东西」得到回报

莫瑞克成长于美国新墨西哥州北部的一个小镇,那裏广阔的景观触动了他对大自然的兴趣。但是有一天,他的父亲,一位生物老师,对他说「你应该学习这个叫做DNA的东西」。那是在1963年,正是华特生与克里克因为发现DNA的结构而得到诺贝尔奖之后的那一年。

几年之后,那个「DNA的东西」真的成为莫瑞克生活中的核心。他早期的研究生涯,包括史丹福大学的博士生,哈佛大学的博士后研究员,以及担任杜克大学(Duke University)的助理教授,研究了一系列会影响DNA的酵素:DNA连接酶(ligase),DNA聚合酶(polymerase),以及Eco RI这个限制酶(restriction enzyme)。接着在接近1970年代末期,当他转移注意力到Dam methylase(甲基化酶)这个酵素时,偶然发现了另一块“DNA的东西”,那最后佔据了他科学生涯的一大部分。

两股研究的交织

Dam甲基化酶会将甲基偶合到DNA上,莫瑞克展示了这些甲基可以作为信号站,帮助一个特定的限制酶在正确的位置切割DNA的股链。不过在几年之前,在哈佛大学的一位分子生物学家,Matthew Meselson(麦瑟森),提出了DNA上甲基的另一种讯息功能。

运用一些近乎艺术的分子生物技巧,麦瑟森建立了一个噬菌体(bacterial virus),具有DNA上的数个误配的硷基对,例如,A可能对到C而不是T。当他让这些噬菌体感染细菌时,细菌修正了那些误配。没人知道为何此细菌会发展出这个功能,但是在1976年,麦瑟森做了一些推测,其中之一是它可能为一种修补机制,更正了那些在DNA複製时偶而发生的误配。如果这是正确的,麦瑟森继续的推测,或许这些DNA上的甲基能帮助这个细菌辨识哪一股是在修正时被用来作为模板的。此时新的那股DNA,亦即错误的複製品,尚未被甲基化,或许这是为何它能被辨识而修正。

此处 – 有关DNA的甲基化 – 莫瑞克与麦瑟森的研究路径交会了。一同合作,他们创造了一个DNA上具有数个误配的噬菌体,这一次,莫瑞克的Dam甲基化酶也用来在DNA其中的一股上加入一些甲基。当这些噬菌体感染了细菌后,这个细菌始终如一的只修正没被甲基化的那股DNA。莫瑞克与麦瑟森的结论是,DNA「误配修补」是一个在DNA複製时,产生误配的天然修补程序,由于瑕疵股仍在未被甲基化的状态而被认出。

莫瑞克 – 阐明DNA误配修补

对莫瑞克而言,这个发现启动了一个十年之久的系统性研究,对误配修补程序中一个接着一个的的酵素进行选殖和基因定位。在1980年代的末期,他已经能在生物体外重现这个複杂的分子修补机制,并对之进行非常仔细的研究,这份工作于1989年发表。

莫瑞克正如林达尔和桑贾尔一般,也研究了人类版本的系统。现今我们知道当人类基因体在複製时所产生的错误中,每千个只有一个没被修正。不过,在人类的误配修补中,我们仍然尚未确知原始的那一股是如何被认出的。与细菌相较,DNA的甲基化在我们的基因体中还具有其它的功能,因此一定还有其它的方式在管控哪一股会得到修正 – 到底是甚幺在控管仍待釐清。

【2015诺贝尔化学奖特别报导】DNA修补─为生命提供化学的

补系统的缺陷导致癌症

除了硷基切除式修复,核苷酸切除式修复,以及误配修补,还有好几个其它的机制在维护我们的DNA。它们每天要修正上千次因为太阳、香菸的烟雾、或其它具基因毒性的物质对DNA造成的的损伤;它们持续的对抗自发性变异的DNA,而对每一次的细胞分裂,误配修补修复数千个误配。若无这些修补机制,我们的基因体将会瓦解。即使只有一个零件失灵,基因的资讯会迅速的改变而癌症的风险就会增高。核苷酸切除式修复的先天性损坏,会导致着色性乾皮病(xeroderma pigmentosum);得到这种疾病的人对紫外线的照射极度敏感,并会在暴露于阳光之后发生皮肤癌。DNA误配修补的缺陷,会增加发生遗传性大肠癌的风险。

实际上,在许多种癌中,一个或多个的这些修复系统是被完全或部份的关闭了,使得癌细胞的DNA不稳定,这是癌细胞为何经常突变而且对化疗会产生抗药性的一个原因。在同时,这些生病的细胞会更倚赖仍在运作的修复系统;没有了这些系统,它们的DNA会变得过度损伤而细胞将会死亡。研究人员正企图利用这个弱点来研发新的治癌药物,抑制一个残存的修复系统让它们能减缓或完全停止癌的生长;一个抑制癌细胞修复系统的药物的例子是olaparib(奥拉帕尼)。

总结,由2015年诺贝尔化学奖得主们进行的基础研究,不仅仅加深了我们如何运作的知识,也能导致挽救生命的医疗发展。或者用莫瑞克的话语:「这是为何好奇心驱使的研究是如此的重要,你永远不知道它将会走向何方…一点运气也有些帮助」。


本文译自诺贝尔化学奖委员会公布给大众的新闻稿,原文可自以下官方网站取得:

http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2015/popular.html

若有兴趣阅读进阶的资料,请由下列网址取得:

http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2015/advanced.html

*特别感谢现于美国德州农工大学攻读博士的曹一允(我2008年的专题生)热血相挺,帮我将图片中文化兼校稿,正在国外进行人工DNA合成研究的一允宣称今年的化学奖令他百感交集;另外感谢现于本系李弘文教授实验室,攻读硕士学位的林宇轩帮我校稿;还要感谢蔡明轩帮忙将此文放上台大化学系的网页。附带一提的是台大化学系的李弘文教授告诉我,莫瑞克在2013年来过台湾,并访问过台大化学系;桑贾尔则在2012和2014年两度来台,并造访过台大化学系。林宇轩也告诉我:他们俩位来化学系的时候,和他们一起讨论实验的经验真的很特别,提供许多深刻的见解和建议,会有醍醐灌顶、豁然开朗的感觉。幸哉!宇轩。


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