中国科学院于军:DNA分子之神奇

中国教育装备采购网2012-01-12 09:22围观154次我要分享

  如果我告诉你,DNA也许并不是生命起源初始时必需的大分子(基本上包括核苷酸、蛋白质和多糖)“建筑材料”,你相信吗?如果我告诉你,DNA是被它的“兄弟”——大分子RNA(组成RNA和DNA的基本单元在分子结构上只差一个氧原子)“挟持”到生命的“最小独立复制单元”——细胞里来的,你相信吗?如果我告诉你自然界各种能够独立生存的生命形式都有自己惟一的DNA分子,而这些DNA分子又都有它们共同但又特定的传承轨迹,你相信吗?如果我告诉你,我们人类的DNA是从编码单细胞真核生物(类似于今天的啤酒酵母)的水平逐渐变演到编码鱼类的水平,又到编码蝌蚪的水平,再到编码鳄鱼的水平,最后实现可以编码人类的复杂度,你相信吗?最不可思议的是,10多亿年来,生命从小到大,从简单到复杂,再从海洋到陆地,从森林到草原,却从没有停止传宗接代,或许真正属于它们的尸骨化石就深深地埋藏在喜马拉雅山的冰川下或是广袤无边的大洋底,你相信吗?芸芸众生,各有其源溯,生命密码组成的信息归根结底,就是由这个结构简单、序列重复的大分子——DNA来主宰的。

  如此而推论,生命应该起源于“操作”,而不是起源于“信息”。操作首先是由生命大分子“建筑材料”的物理和化学性质决定的。分子之间的相互作用,称为分子机制;而分子机制的关联性和运动则称为过程;两者的结合,称为“流”。相对稳定、有规律的操作就形成了“操作流”,操作流的可重复性则需要“信息流”来保证。因此,操作流的信息化成为必然,导致信息流的产生。最初,操作流的主宰是RNA,亦即所谓的“RNA世界”假说。在RNA世界里,RNA既管操作,也管信息,因此信息流应该是很早就萌生了。但由于同是由RNA分子来承载,操作起来就会产生冲突,尽管产生了很多RNA的化学修饰,有100余种延续至今,其复杂度也还是有限的。于是,这个由RNA启动的简单、粗犷的信息流首先编码出功能单一的蛋白质。从RNA到蛋白质的信息流就被打通了。蛋白质是由氨基酸组成的,氨基酸分子不仅体积小(为核苷酸的1/3),而且化学性质也远比核苷酸复杂。虽然核苷酸可以被简单的化学基团修饰,但终归只有酸性和亲水的性质;而氨基酸则可以是碱性、中性、亲电、疏水,甚至可以形成共价交联。核苷酸虽说有嘌吟和嘧啶之分,但大小相差不多,而氨基酸不仅种类多,还可有变化多端的侧链,在大和小之间变幻无穷。因此,蛋白质使操作流日趋精确和复杂,也就需要呼唤更稳定的信息流。

  操作流的复杂化需要细胞的“分室”即内质网,将细胞分隔成许多小室,使细胞内的物质处于特定的环境,从而使各种生化反应高效率地进行。“分室化”首先可以使操作流本身复杂化;其次,可以将操作流与信息流分开。前者造就了“核糖原初细胞”,后者造就了DNA和现代细胞的“始祖细胞”。因此,细胞的分室造就了现代生命,始祖细胞的分室(分裂)使信息流的功能更加丰富而明确。生命的传承和演变需要既相对稳定而又循序可变的信息流,DNA被选择来担当这个重任,细胞的分室化也因此一发不可收拾。生命从此由单细胞发展为多细胞;亦动物,亦植物;亦简单,亦复杂。DNA不断地改变传承,传承改变,生生不息,千变万化。生命科学家的研究对象因此而取之不尽、用之不竭,他们的好奇心将会得到充分的满足。

  近年来,新一代DNA测序仪的发明、应用以及相关技术的革命性更新使我们获取所有物种基因组(所有基因的总合)信息的梦想即将变为现实。我们或许要解读所有物种的遗传密码,寻找人类远祖的轨迹;我们或许首先要全面地了解我们的食物和环境物种;我们或许要解读我们每个人的遗传密码,寻找DNA序列与生老病死的关联;我们或许从DNA密码中可以找到防患于未然、健康长寿的秘诀。无论如何,我们都要努力地去了解DNA的来龙去脉,全面地掌握关于DNA的知识,为科学所用、为社会的福祉所用,为人类的未来所用。请在你的“知识窗口”中洞开一扇,面向DNA科学,相信你将来绝不会后悔。

  (作者:于军,中国科学院北京基因组研究所副所长、研究员、博士生导师,全球知名基因纽学、生物信息学和人类遗传学专家。1984年赴美国纽约大学(New York University)医学院就读,1990年获生物医学科学博士学位。同年,获聘美国纽约大学医学院泌尿系研究助理教授。1998年归国后,先后参与并主持了国际人类基因组计划、超级杂交水稻基因组计划、家蚕基因组计划等重大科学研究项目。迄今已在包括Nature、Science等主要国际杂志发表科学论文逾百篇。)

来源:中国科学院

相关阅读