三名科學家獲獎

瑞典時間2015年10月7日11時45分(北京時間17時45分)，瑞典皇家科學院秘書長戈蘭漢森。Hansson)宣布將2015年諾貝爾化學獎授予瑞典的托馬斯林達爾(Tomas Lindahl)。

獲獎者介紹

托馬斯·林達爾（Tomas Robert Lindahl），1938年1月28日出生于瑞典斯德哥爾摩。1967年在斯德哥爾摩的卡羅林斯卡學院獲得博士學位。獲獎時工作單位：英國赫特福德郡弗朗西斯克里克研究所、英國赫特福德郡克萊爾霍爾實驗室

諾貝爾獎獲得者：托馬斯·林達爾

托馬斯·林達爾出生于瑞典斯德哥爾摩。他在斯德哥爾摩的卡羅林斯卡學院學習，并于1967年獲得博士學位。在新澤西普林斯頓大學和紐約洛克菲勒大學進行博士后研究后，他成為瑞典哥德堡大學的醫(yī)學和生理化學教授。自1981年以來，他在英國赫特福德郡克萊爾霍爾實驗室的癌癥研究中心工作。

林達爾在1994年在體外完成了大腸桿菌的堿基修復過程，兩年后又完成了人的體外堿基修復。

保羅·莫德里奇（Paul Modrich），1946年6月13日出生于美國新墨西哥州的拉頓（Raton）。1973年在斯坦福大學獲得博士學位。獲獎時工作單位：美國達勒姆霍華德休斯醫(yī)學研究所，杜克大學醫(yī)學院。

諾貝爾獎獲得者：保羅·莫德里奇

保羅·莫德里奇出生于美國新墨西哥州科爾法克斯縣的拉頓，并在那里長大。1973年，他在斯坦福大學獲得博士學位，并在麻省理工學院(MIT)學習。自1976年以來，他在北卡羅來納州達勒姆的杜克大學工作。保羅·莫德里奇還隸屬于馬里蘭州切維蔡斯的霍華德·休斯醫(yī)學研究所。

1989年，莫德里奇在體外完成大腸桿菌堿基錯配修復系統(tǒng)的重建。2004年，莫德里奇在體外實現(xiàn)人堿基錯配修復。

阿齊茲·桑賈爾（Aziz Sancar），1946年9月8日出生于土耳其薩維爾（Savur）。1969年在土耳其的伊斯坦布爾大學獲醫(yī)學博士(MD)學位， 1979年在德克薩斯大學達拉斯分校獲得分子生物學博士(PhD)學位。獲獎時工作單位：美國北卡羅來納大學教堂山分校。

諾貝爾獎獲得者：阿齊茲·桑賈爾

阿齊茲·?？柍錾谕炼鋿|南部的薩烏爾一個中下階層家庭。他的父母沒有受過教育，但認為教育對他們的孩子很重要。?？栐谝了固共紶柎髮W和達拉斯德克薩斯大學學習，并于1977年獲得博士學位。他是北卡羅來納大學教堂山醫(yī)學院的教授。阿齊茲·桑卡爾(Aziz Sancar)的妻子格溫·博爾斯·?？?Gwen Boles Sancar)也是生物化學和生物物理學教授。

1981年，桑加爾實現(xiàn)了大腸桿菌三種蛋白UvrABC核酸內切酶重建，并證實該系統(tǒng)可實現(xiàn)對核苷酸的切除。1995年，桑加爾進一步證實了人也具有類似的體外核苷酸切除過程。

研究工作介紹

<一> DNA基本知識

DNA，中文名為脫氧核糖核酸，是生物細胞內的四種生物大分子之一（蛋白質，核酸，脂質和糖類）。DNA攜帶有合成RNA和蛋白質所必需的遺傳信息，是生物體發(fā)育和正常運作不可或缺的生物大分子。

DNA

DNA的基本組成單位是脫氧核苷酸。脫氧核苷酸由含氮堿基、脫氧核糖和磷酸構成。其中堿基有4種：腺嘌呤（A）、鳥嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C），也就是說脫氧核苷酸也有四種。

DNA 分子結構中，兩條多脫氧核苷酸鏈圍繞一個共同的中心軸盤繞，構成雙螺旋結構。脫氧核糖-磷酸鏈在螺旋結構的外面，堿基朝向里面。兩條多脫氧核苷酸鏈反向互補，通過堿基間的氫鍵形成的堿基配對相連，形成相當穩(wěn)定的組合。人體的1號染色體含有約2.5億個堿基對。

DNA結構示意圖

DNA中堿基的排列順序構成了遺傳信息。該遺傳信息可以通過轉錄過程形成RNA，然后其中的mRNA通過翻譯產生多肽，進而形成各種各樣的蛋白質。

DNA的結構

DNA所攜帶的遺傳信息決定生命體的生老病死等命運，因此DNA結構的穩(wěn)定性具有十分重要的作用。但是DNA的結構穩(wěn)定性是個相對概念，細胞內的DNA每時每刻都在面臨內外多種因素的威脅，包括含氮堿基的不穩(wěn)定性，生命體代謝產生的自由基，膚質本身的相對精確性等，而外部因素包括紫外線，電離輻射，烷化劑等。這些不穩(wěn)定因素使得DNA非常容易出現(xiàn)損傷而引發(fā)基因突變。

根據(jù)克里克的中心法則，遺傳信息先從DNA轉錄到RNA，再通過翻譯耦控制合成相應的蛋白質，隨后合成的蛋白質執(zhí)行相應的生理功能。因此DNA的基因變異會導致最終合成的蛋白質發(fā)生改變，進而影響生物學功能，引發(fā)疾病發(fā)生等。

中心法則圖解

雖然基因突變是物種進化的推動力，但過多的突變會引發(fā)遺傳不穩(wěn)定，進而對物種產生毀滅性后果?，F(xiàn)實情況盡管存在多種損傷因素，但機體內的DNA結構卻出奇穩(wěn)定，這表明生物體內存在一套完整且精細的DNA修復系統(tǒng)。

科學家經過大量的研究，這套DNA修復系統(tǒng)包括以下的內容。

<二> 堿基切除修復

1.損傷原因

DNA中的部分含氮堿基容易自發(fā)化學反應而造成堿基類型和配對模式的改變，從而引發(fā)突變發(fā)生。以胞嘧啶C為例，它非常容易發(fā)生脫氨基反應變?yōu)槟蜞奏，使得原來的C-G配對變?yōu)閁-A配對。當細胞中的DNA在復制的時候就會引發(fā)DNA突變。而如果該堿基處于關鍵位置，將會造成嚴重的后果。

C變成U的過程 圖源文獻2

2.修復機制

20世紀60年代末，托馬斯·林達爾（Tomas Robert Lindahl）從瑞典卡羅林斯卡醫(yī)學院畢業(yè)后，從事研究胞嘧啶C脫氨基的修復過程，這個過程的關鍵是機體如何識別出C變?yōu)閁而加以糾正的。

經過幾年的努力，林達爾在1974年發(fā)現(xiàn)了尿嘧啶-DNA糖基化酶（UNG），這種酶能專一性識別出DNA中的混入的堿基U并將其切除，因為DNA的四種堿基為ATGC，U是屬于RNA的堿基。隨后研究人員又發(fā)現(xiàn)了一系列的特異性DNA糖基化酶（完成其他錯誤堿基的識別和切除），從而確定機體內存在一個完整的修復系統(tǒng)。

又經過20年的努力，林達爾在1994年在體外完成了大腸桿菌的堿基修復過程，兩年后又完成了人的體外堿基修復，這兩個進展具有非常重要的意義，因為它們直接模擬了機體內的生物學過程。

脫氨基胞嘧啶殘基(尿嘧啶U)的去除

以切除U為例，說一下堿基切除修復過程：①糖基化酶UNG需要在DNA數(shù)以億計的堿基中尋找到混入的U（正常的DNA不含有U，因此會將其視為異物），②發(fā)現(xiàn)U后將其從DNA雙螺旋內部翻轉到鏈外，糖基化酶將堿基U和脫氧核糖之間的糖苷鍵斷裂而除去堿基U，這是最關鍵的一步，剩下一個無堿基位點（AP位點），③隨后被AP位點核酸內切酶及其它酶輔助催化去掉脫氧核糖骨架而出現(xiàn)單核苷酸缺口，④接下來，DNA聚合酶根據(jù)模板信息G將缺失位置補上正確的堿基C，最終DNA連接酶負責形成完整雙鏈。

堿基切除修復 圖源文獻2

怎么理解這個堿基切除修復呢？就相當于自行車被釘子扎到后補一次胎一樣。

DNA出現(xiàn)了異物U：UNG識別出異物U→將其翻轉至鏈外→切除異物堿基→切除（跟堿基連接的）脫氧核糖骨架→補上正確堿基C。

當內胎被釘子扎了：將內胎翻出來→找出被扎部位→拔掉釘子→用銼刀將漏洞口周邊銼出毛刺→粘上補胎貼。

自行車補胎

兩者簡直異曲同工啊。

<三> 核苷酸切除修復

1.損傷原因

紫外線導致TT二聚體 圖源文獻2

1960年科學家發(fā)現(xiàn)一定劑量紫外線照射會引發(fā)細菌DNA的兩個相鄰堿基TT自身共價相連形成二聚體，從而破壞DNA雙螺旋結構，造成DNA復制過程中堿基錯配甚至堿基缺失，使得細菌出現(xiàn)死亡。后來又發(fā)現(xiàn)用可見光（光修復）或未經紫外線照射的細菌裂解液（裂解液）處理則可恢復正常，但人們并不了解其中的詳細機制。

光解酶修復受損DNA

2.修復機制

20世紀70年代，桑加爾在美國跟隨導師研究DNA修復過程。1976年，桑加爾成功鑒定了光修復酶。但隨后將精力投入到暗修復系統(tǒng)，因為早在1966年，就有研究發(fā)現(xiàn)表明三個基因UvrA、UvrB和UvrC對保證減少DNA損傷具有重要意義。1981年，桑加爾完成三種蛋白質的純化，隨后首次實現(xiàn)了大腸桿菌三種蛋白UvrABC核酸內切酶重建，并證實該系統(tǒng)可實現(xiàn)對核苷酸的切除。1995年，桑加爾進一步證實了人也具有類似的體外核苷酸切除過程，證明該系統(tǒng)具有較高保守性。

大腸桿菌核苷酸切除修復的簡化模型

以細菌TT二聚體切除為例，核苷酸切除修復過程如下：①兩個UvrA亞基和一個UvrB亞基先形成三元復合物，②三元復合物沿著DNA雙鏈尋找出損傷點，③UvrA專一性識別TT二聚體后，激活UvrB解旋酶的活性，使得損傷部位局部結構松散，④一個UvrC亞基代替兩個UvrA亞基，啟動損傷位置前后隔一段距離的精確內切，大約會出掉十二三個核苷酸長度的片段，⑤最后DNA聚合酶和連接酶把空缺補充完整。

核酸切除修復 圖源文獻2

怎么理解核苷酸切除修復呢？DNA的這個TT二聚體，可以理解為自行車內胎出現(xiàn)一個鼓包。

DNA出現(xiàn)TT二聚體：形成三元復合物→尋找損傷點→解旋使得損傷點附近結構松散→精確內切→補上切掉的片段

自行車內胎出現(xiàn)鼓包：將內胎翻出來→尋找出鼓包部位→切除鼓包及其周邊部位→補上被切掉的那一截。

輪胎鼓包示意圖

這個跟前面的堿基切除修復相比，因為形成TT二聚體后對DNA的影響比較大。一個鼓包比漏洞的修復要費勁得多。所以后面的這個修復過程比之前的要麻煩一些，但基本過程都是相似的，都是補胎的那一套。

<四> 堿基錯配修復

1.損傷原因

雖然DNA聚合酶具有較高的保真度，但一條染色體至少含有千萬個堿基對，在DNA的復制過程中不可避免會出現(xiàn)細小的差錯。DNA聚合酶本身也具有校對功能，使得出錯率為0.001%。雖然這個數(shù)值已經夠低了，但是人的基因組總共有30億對堿基，再小的出錯率乘以30億都是一個不可忽視的數(shù)值。因此細胞還需要一個二次校對系統(tǒng)，進一步降低DNA復制過程中的出錯率。

2.修復機制

科學家最早是在肺炎球菌中發(fā)現(xiàn)堿基錯配修復系統(tǒng)的，隨后在大腸桿菌中鑒定出多種基因與此相關，稱為Mut基因，其中最關鍵的有三個基因MutS、MutH和MutL。1976年，科學家發(fā)現(xiàn)大腸桿菌的DNA在GATC位點存在甲基化現(xiàn)象，但復制后的子代鏈卻不發(fā)生甲基化現(xiàn)象，同年馬修·梅塞爾森（Matthew Meselson）發(fā)現(xiàn)堿基錯配修復過程中，修復基本只在一條鏈中完成。1983年，莫德里奇確定GATC位點的甲基化是堿基錯配修復的重要識別標志，保證只修復子代鏈而不影響親代鏈。莫德里奇隨后純化三種相關基因產物MutS、MutH和MutL，并在1989年在體外完成大腸桿菌堿基錯配修復系統(tǒng)的重建。2004年，莫德里奇在體外實現(xiàn)人堿基錯配修復，并證明該系統(tǒng)保守性。

細菌DNA錯配修復過程如下：①細菌的MutH和模板鏈DNA甲基化GATC位點結合，而MutS識別錯配位置。②MutL將MutH和MutS拉近形成三元復合物，激活MutH核酸內切酶活性，在靠近甲基化位點將新生鏈DNA切開。③招募解螺旋酶從切口位置向錯配位點移動而將雙鏈解開，待跨過錯配堿基位置后將子代鏈切除。④最后由DNA聚合酶和連接酶把空缺補充完整。

堿基錯配修復 圖源文獻2

還是用補胎理論來理解一下堿基錯配修復，但是這個要比前面的更復雜，前面的輪胎雖然需要修補，但是輪胎在生產制造的時候質量是沒問題的，而這個堿基錯配就相當于制造的時候出現(xiàn)問題了，制造材料中混入了雜質?，F(xiàn)在的任務是要對這些質量殘次的成品輪胎修補完整，所以工作量更大了。

堿基錯配修復：MutS識別出錯配位置→將子代鏈DNA切開→解開雙鏈跨過錯配位點將子代鏈切除→補充完整。

輪胎修補：把輪胎翻出來→用儀器探測出混雜的部位→把質量差的部位切斷→補充完整。

這個修補過程看著更麻煩，但最主要的是確定出出錯的部位。找到出錯部位后，修補工作跟前面的過程基本大同小異。

后記總結

生命科學領域具有DNA中心論（也稱堿基論），包括兩條前提：堿基序列和互補配對。DNA的結構完整性是生命穩(wěn)定得以維持的基礎，而DNA修復系統(tǒng)是一種重要的錯誤糾正機制。

通俗來理解，DNA是修復跟自行車的輪胎修補差不多。找出出錯部位，切掉出錯部位，把空缺部位補充完整。

這項發(fā)現(xiàn)的重要性一方面體現(xiàn)在深化對生命系統(tǒng)穩(wěn)定遺傳機制的理解和認識，另一方面也為部分疾病治療帶來新的希望。DNA修復系統(tǒng)的缺失或功能下降導致DNA損傷逐漸增加，引起編碼基因突變、基因組不穩(wěn)定等后果，最終出現(xiàn)衰老或癌癥，如黑色素瘤、結腸癌等均已發(fā)現(xiàn)與DNA修復缺陷相關。通過設計特定藥物增加細胞DNA修復能力而減少DNA損傷有望成為癌癥治療新思路，但從基礎研究到最終臨床應用仍有很長的路要走。

參考文獻

[1]

[2]郭曉強.DNA損傷與修復——2015年諾貝爾化學獎解讀[J].生命世界,2016(04):46-51.