首页  >  热点  >  人物特写  >  文章正文
shRNA表达克隆

生命的力量

Dec 11, 2013 No Comments

图1

Jack Szostak正在调配地球早期起源生命的那一碗原始肉汤

 

Jack Szostak正一步一个脚印、坚实地朝着自己的科研目标前进,他要在自己的实验室里人工合成出一个活细胞。

Jack Szostak知道他也许永远也实现不了他的终极科学梦想了。然而,用英国剑桥医学研究所分子生物学实验室(Medical Research Council’s Laboratory of Molecular Biology in Cambridge, U.K)的有机化学家John Sutherland的话来说,只要Szostak愿意努力完成他梦想清单上排名第二的工作,那也足以成为科学史上最伟大的科学成就了。这个“老二”作为备选也是一个不错的选择。

Szostak是美国哈佛大学(Harvard University)和美国麻省综合医院(Massachusetts General Hospital in Boston)的分子生物学家,他已经成功地完成了好几个非常轰动的科研工作。2009年,Szostak就因为在端粒酶(telomere)方面的杰出工作获得了诺贝尔医学及生理学奖。端粒酶就是位于染色体末端的一个结构,它能够在细胞分裂时发挥保护作用。十几年之前,Szostak将他们实验室的研究方向转向了研究地球生命起源问题上。他非常想知道40亿年前诞生生命的“原始肉汤(primordial soup)”的具体成分是什么。可以肯定的是,这份肉汤的配方肯定是找不到了。“我们又没有时光机,也不能回去亲自看一下这肉汤到底是什么样的。” Szostak打趣说道。

于是在他的科研梦想清单上就有了这个排名第二的项目——自己调配一份原始肉汤,看看能不能从中诞生生命。是否可以让这些小分子自动组装出基因,并且不断复制,重现达尔文进化论里描述的生命最初的景象。即在他的实验室里重现生命起源的过程。

Szostak也承认,即便能够在实验室里重现这一切,也不能代表这就是生命起源的真正过程,但这项工作至少能够告诉我们化学是如何转化成生物学的。他认为如果他们可以在实验室里重复这一切,那么至少对他自己来说,就可以了解生命是如何起源的。

这可是一个非常大的假设。不过Szostak和他之前的研究生,现在在美国麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology in Cambridge)做博士后的Katarzyna Adamal在这个方向上已经取得了非常大的进展。他们俩第一次做出了一份能够让RNA在原始细胞(protocell)里复制的肉汤。“这还不能算是在实验室里创造出了生命,但是其他从事生命起源研究的科研人员们都非常关注这个成果。你永远不可能超过Jack,他有一个科研嗅觉非常敏锐的大鼻子,总能知道该往哪个方向走。”美国加利福尼亚州圣地亚哥市Scripps研究所(Scripps Research Institute in San Diego, California)专门从事生命起源研究的化学家Gerald Joyce这样评价道。

不过这种含有RNA的原始细胞不能重现达尔文的进化论,所以Szostak认为还有8大问题需要解决。他们实验室已经解决了其中的3个问题,同时另外3个问题也快找到解决办法了,也就是说目前只剩下两个问题还没有得到解决。“这让人十分激动,我们就快要成功了!” Szostak这样说道。他也不是唯一一个有这种想法的人。Szostak之前的一个博士后,现在在英国伦敦大学学院(University College London)建立了自己实验室的Matthew Powner也认为:“如果在我的职业生涯中没能成功解决这些问题,我会感到非常意外。因为,胜利就在眼前,意义无比重大。”

 

初期阶段的状况

说到Szostak关注的生命起源这个问题,这其实是人类历史上第二大的一个问题,仅次于宇宙起源问题。近一千年来,生命起源问题一直是哲学、神学和各种炼丹术士们关注的问题。直到20世纪中期,研究人员发现了DNA和RNA的结构,以及这些核酸分子在整个中心法则里的地位(编码蛋白质的作用)之后,科学家们才开始真正涉足这个领域,用系统的方法研究生命起源问题。经过了一系列的科学实验,科学家们陆续发现,比较简单的小分子化合物在特定的条件下(地球诞生初期的环境)是可以合成出构建生命体的基本“材料”——氨基酸和核酸的。当时的工作取得了很多成果,进展得非常顺利,以至于整个科研界也都非常乐观,比如当时美国的生物学家Colin Pittendrigh就曾经在1967年预测说:“我们估计在十年之内,就可以在实验室里人工造出一个活细胞。”

可是后面的事情却并不像大家预计的那么顺利。科学家们逐渐意识到只合成出构成生命的原始材料是远远不够的,他们还需要知道这些原材料是如何组装起来的,又是如何一步一步演变成今天地球上如此精妙的生物细胞的。简而言之,掌握了配方是不足以重建生命的,还需要相应的分子“厨具”。到了20世纪60年代末,Francis Crick、Carl Woese以及Leslie Orgel这三位生物学家各自提出,RNA可能在生命起源过程中发挥了两种作用。这就是后来广为人知的“RNA世界(RNA World)”假说,该理论认为早在DNA诞生以前,RNA就已经存在于这个地球上了。RNA不仅能够催化自我复制,还能够帮助生命诞生。其他人则认为,RNA不足以担当这个重担,他们提出了自己的想法,比如“肽世界(peptide world)”、“脂质世界(lipid world)”、“代谢组学世界(metabolism first)”等。于是在各种有关生命起源的大会上总是能看到吵成一片的热闹景象。Sutherland就介绍道:“大家打得你死我活的,可没人知道究竟应该如何解决这个问题。”

纵观历史,也许答案非常简单,很多人认为这(生命)就是上帝的创造。可是Szostak并不太喜欢这种把问题归结为超自然力量的解决方式,他对“超自然”的理解要比我们更宽泛。他说道:“有很多自然现象大家都愿意相信是神迹,可我就非常愿意用科学的方法去解释这些问题。”不过Szostak坚称他自己不是哲学家,他只是愿意在实验室里用试验的方法解决问题罢了。

Szostak这一辈子都是一个实干型的人。他的父亲是一名航空工程师,母亲干过很多份工作,Szostak是家里的老大,从小在加拿大渥太华和蒙特利尔长大。在Szostak还很小的时候,他的父母就经常带他去教堂和主日学校(Sunday school),不过他们并不是虔诚的教徒。“在我12岁的那一年,我暗暗发誓,我再也不去了。”Szostak回忆道,而且他的父母看起来好像也有一种如释重负的感觉。

青少年时期,Szostak开始对化学产生了浓厚的兴趣。她的母亲有一阵在一家化学公司做图书管理员,于是总是有机会给Szostak带回家一些实验室里的化学试剂。Szostak就这样开始了他的化学实验,“虽然我身上留下了不少疤,好在我还没有缺胳膊少腿。” Szostak笑着说道。

Szostak于1972年毕业于加拿大麦吉尔大学(McGill University in Montreal),随后就来到美国康奈尔大学(Cornell University),和生物学家Ray Wu一起工作。当时Wu的实验室正在全力合成DNA片段,希望用这些DNA片段去检测mRNA分子,而且当时世界上有好几个实验室都在开展这项工作,大家竞争非常激烈。可惜的是,Wu的实验室在竞争中败下阵来,比英国生物学家Michael Smith晚了好几个月。Szostak也没有再接着干这项工作了。

在拥有了自己的实验室之后,Szostak迅速投入到了新兴的遗传学研究领域。他帮助开发了酵母人工染色体(yeast artificial chromosome)技术,这项技术后来被广泛应用于基因鉴定、克隆和遗传学改造等工作当中。Szostak也发现了端粒序列,并阐明了端粒与细胞分裂、细胞老化、遗传性疾病以及肿瘤等多种生理、病理现象之间的关系。

Szostak的成功也让其他科研人员对端粒产生了兴趣,以至于端粒研究变得越来越热,“这个时候我觉得,是不是应该找点别的东西干干了。” Szostak说道。于是他又找到了一个新目标,那就是1989年诺贝尔奖得主,美国科罗拉多大学波德分校(University of Colorado, Boulder)的Thomas Cech和美国耶鲁大学(Yale University)的Sidney Altman开展的工作。在20世纪80年代初期,Cech和Altman发现RNA不仅能够起到遗传信使的作用,也能够起到催化剂的作用,催化一些化学反应。由于之前一直都认为催化功能是蛋白质的特权,所以这个发现极大地支持了“RNA世界”生命起源假说。

到了20世纪90年代初,Szostak的实验室已经彻底转到了研究RNA催化问题,也就是所谓的“核酶(ribozymes)”这个方向上。他们实验室开发出了一种在实验室里人工诱导新核酶生成的方法,即所谓的“离体筛选(in vitro selection)”技术(Scripps 研究所的Joyce也开展了类似的工作)。1995年,Szostak和他之前的学生Eric Ekland和David Bartel利用这项技术成功获得了第一个人工RNA核酶,该核酶能够催化将两个RNA片段连接在一起的反应。一年之后,Ekland和Bartel宣布他们又发现了一种能够起到RNA聚合酶(RNA polymerase)作用的RNA核酶,活体细胞里的这种RNA核酶可以催化形成新的RNA链。

越来越多的证据表明,RNA是一个多面手,能够起到很多之前被认为只有DNA或者是蛋白质才能够起到的作用。到了2000年,耶鲁大学的科学家们发现,核糖体的催化核心其实也是RNA核酶。这更进一步夯实了生命起源“RNA世界”假说的基础,提示我们在生命诞生之初,地球上就是RNA的世界,后来才慢慢进化出了在化学性质上更有优势的蛋白质。

Szostak慢慢发现自己也深陷RNA世界里不能自拔了。不过他也意识到,这个假说也有其自身的问题。“RNA带了很多‘包袱’。” Szostak介绍说。比如RNA是一个非常脆弱的分子,它又如何能够抵抗地球初期那种恶劣的自然环境呢?科学家们还需要解释长链RNA分子在细胞复制周期中是如何形成、如何复制、如何分离、又是如何被分配到子代细胞当中的。

更基础的问题是,没人知道在一大碗温热的矿物质“肉汤”里漂着的RNA分子是如何演变出各种不同的变异体的,比如复制得更快或更慢的RNA分子等,用这种方式筛选出能够更好地适应生存环境的“强者”。也就是说没人知道RNA的自然进化史。

图2

原型细胞的形成,以及分裂过程可能会遵循达尔文的进化论。

 

集百家之长

Szostak在和多位从事生命起源研究的科研人员进行了深入的交流之后逐渐意识到,仅仅依靠RNA这一种分子是不能够形成生命的。不同的分子需要各自区分开来,并且被限定在一定的区域里。可能也需要一些细胞膜,这些成分的作用都是收集、浓缩生命所需的各种物质和成分,促进达尔文进化作用发生。“如果在化学上有所区分,你就能够将源自同一个祖先的分子归集到一起。” Szostak解释道。如果形成了一个含有RNA分子的原型细胞,而且这种细胞不论是生长还是分裂都要比其它细胞更有优势,那么它就能够胜出。这就是达尔文的进化论。

Szostak接着介绍道:“我意识到我还从来没有接触过与细胞膜相关的工作呢。也许该试试这个了。” Szostak也知道,原型细胞的细胞膜肯定与现代细胞有很大的不同。现代细胞的细胞膜就是磷脂双分子层结构的细胞膜,氨基酸、核酸这些生命必须成分是不能够透过这种细胞膜的。如果细胞膜上没有蛋白质构成的各种孔道,那么细胞生存所需的营养素就不能够进入细胞内,同时细胞产生的各种废物也不能被排出到细胞外。

Szostak和他的学生们想到了另外一种细胞膜。他们发现非常简单的脂肪酸分子能够形成通透性很高的、细胞样的球形结构,各种离子、氨基酸和核酸都能够自由地透过这种脂肪酸细胞膜。2008年,Szostak的课题组发表了一篇文章,他们发现RNA分子以及各种构成生命的分子都可以进入这种球形细胞,形成不断延伸的RNA链,到最后形成的RNA链会变得非常长,以至于不能够透过细胞膜再离开细胞。一年之后,Szostak和他的研究生Ting Zhu发现,如果在成分中额外加入脂肪酸分子,会促进原形细胞生长。诸如这些原型细胞在流经火山出口那种温热温泉水时会遭受的、较轻微的剪切力,都会对这种球形细胞造成压力,迫使其分裂,细胞内的RNA也会被随机分配到新形成的子代细胞当中。另外一篇文章则发现,RNA或者肽段的催化作用会加速脂肪酸分子掺入原型细胞的速度,促进细胞生长。虽然这些研究都比较粗糙,但是似乎可以证明脂肪酸也参与了生命起源的过程。

那么RNA的作用呢?Szostak以及其他人的实验室都发现,只要配方正确,RNA分子就能够与姐妹模板链结合进行复制,而不需要现在细胞里必需的RNA聚合酶。这可是一个好消息,但是这一过程还没有在原型细胞里得到验证。

最大的问题就是,如果不借助RNA聚合酶,那么在RNA复制过程中所需要的最重要的成分——镁离子的问题。如果缺乏镁离子,这个复制反应的速度就会变得非常慢,很难想象在生命起源过程中的反应速度会这么慢。但是镁离子也有它的弊病。它们会使脂肪酸原型细胞破裂,而且也会使RNA链分解,其分解速度甚至与合成速度一样快。

Adamala表示她曾经尝试过数百种不同的化合物,以及短肽,可是没有一种奏效。“这真的让人很受打击。”她这样说道。不过后来她又尝试了螯合剂(chelators)这种金属结合化合物,结果她成功了。Adamala和Szostak最近发表论文称,他们往配方里加入了一点柠檬酸(citric acid)的衍生物柠檬酸盐(citrate),然后就得到了非常漂亮的结果。这些柠檬酸盐与镁离子紧紧地结合在一起,不让镁离子自由活动,这样就不能够破坏RNA和脂肪酸细胞膜了,可是却又不会影响镁离子的RNA聚合酶功能。

“这是一篇非常棒的论文。” Sutherland看过之后这样评价道。他还介绍说,柠檬酸盐是一种很神奇的溶液。它们在现代细胞里也起到了很多非常重要的代谢作用,这说明柠檬酸盐可能就是细胞里的活化石。

Sutherland还认为,现在各种有关原型细胞的难题似乎全都凑在一块了,这一点也非常重要。他说道:“生命起源究竟是RNA起源、肽段起源还是脂质起源,这都不是最重要的问题。所有这些分子协同合作才能有今天的生命。”美国华盛顿Carnegie科学研究所(Carnegie Institution for Science in Washington, D.C)的有机地球化学家George Cody也非常赞同这个观点,他说道:“在最开始,这些分子都应该发挥作用。”

图3

Szostak也介绍说,他们实验室接下来准备解决两个大问题。他们要解决RNA碱基如何被活化,连接到新生RNA链上的问题。他们还需要解决RNA链是如何在缺少起始模板链的情况下开始复制的这个问题。Sutherland认为这两个问题应该都能够解决,他说道:“我们没有理由失败(不能在实验室里合成出一个可复制的细胞)。”

即使Szostak的试验成功了,还是有很多问题没能得到解决。Scripps研究所的有机化学家Ramanarayanan Krishnamurthy就认为,其中就包括RNA核苷酸分子以及其它一些构成原型细胞的分子和成分是通过怎样的生物前(prebiotic)步骤诞生的?我们也不清楚一个在实验室里合成的可进化的原型细胞是否有其他的科学意义。Krishnamurthy说道:“用今天的实验结果来推测40亿年以前的情况还是太冒险了。”

不过Szostak认为这些都不是问题。他认为,这种细胞可以帮助我们确定组成一个可以自我复制的系统最少都需要哪些成分。Sutherland则把这个问题比喻成“小强填字”游戏。只要你开始动笔,后面就容易了。而且这对于不相信神创论的人来说也是一个不错的解释。

 

 

原文检索:
ROBERT F. SERVICE. (2013) The Life Force. Science, 342:1032-1034.
YORK/编译

人物特写, 热点
No Responses to “生命的力量”

Leave a Reply


3 × = twenty seven