基因的科技论文范文3000字数(2)
基因的科技论文范文3000字数篇二
从基因到生命
2000年6月，美国总统克林顿和英国首相布莱尔在白宫联合召开新闻发布会，克林顿称这项成果让人类“终于学会了上帝造人时使用的语言”，布莱尔则宣布“癌症即将成为过去”。2001年2月15日，《自然》和《科学》杂志同时宣布人类基因组计划完成后，很少有人注意到，2001年2月21日，美国《商业周刊》刊登了一幅漫画，标题叫做《寻找生命中真正重要的东西》。漫画中，一个圆胖子把代表DNA双螺旋的瘦高个一把推开，自己站在了聚光灯下。圆胖子下面标注着一个英文单词――Protein(蛋白质)。
“我对这幅漫画印象很深，它告诉我们，人类基因组计划的完成只是一个阶段性胜利，我们距离揭开生命奥秘还早着呢。”美国密歇根大学生物信息学教授、前美国科学促进会(AAAS)主席吉尔・奥曼(Gil Omenn)教授对大家说，“从基因组到疾病，中间还隔着很长的距离，谁能来填补这个空白呢?”
今年温哥华AAAS年会，奥曼教授负责主持一个关于人类基因组研究的讲座。主讲人克里斯・奥弗洛(Chris Overall)是一位来自加拿大英属哥伦比亚大学(University of British Columbia)的生物化学教授，他先用几个数据说明基因组为什么不能解释所有的问题：“人类一共有20244个基因，果蝇有15016个基因，线虫有20470个基因，光凭基因数量，很难想象这三种动物在进化树上的地位差得如此之远。”
众所周知，基因的功能是编码蛋白质，而蛋白质是所有生命活动的基础，无论是身体结构还是生命功能都是由蛋白质来实现的。人、果蝇和线虫无论是体积还是复杂程度都有着天壤之别，为什么在基因数量上没有体现出这种差异呢?答案就在于基因和蛋白质之间并不是一一对应的关系，它们之间还隔着好几步呢。
从科学上讲，蛋白质的生产过程需要经历三个步骤，每一步都可以改变最终结果。首先，DNA被“转录”成相应顺序的RNA，后者是蛋白质合成的直接模板，这个过程可以发生剪切和重组等诸多变化。其次，RNA被“翻译”成蛋白质，这个过程也不简单，RNA和蛋白质之间并不是正比关系，尤其是丰度较低的蛋白质更是如此。第三，“翻译”后的蛋白质还要经过进一步“修饰”过程才能被派上用场，从某种程度上说，这个修饰过程是最重要的，存在着大量调控的空间。
换一种通俗说法，如果把基因看做建筑图纸，建筑商先要组建一系列包工队，分别负责建造墙壁、房梁和屋顶，再由装修工人负责做最后的润色，每个工人都有权对图纸做出修改，如果不了解修改的过程，仅凭那张原始建筑图是无法确定最后出来的结果到底是什么样的。
加拿大英属哥伦比亚大学的麦克・海顿(Michael Hayden)教授用一个案例说明光靠基因组完全无法解释生命的复杂性：“2008年《自然杂志遗传学分册》(Nature Genetics)上有篇文章，通过对1.6万人的基因组进行研究，找到了12个与身高有关的基因。但是经过仔细分析，科学家发现这12个基因加起来对一个人身高的影响也只有2%左右，也就是说，假设一个人幸运地拥有了全部这12个基因，他也只能比平均值高1英寸。”
正因为上述原因，在人类基因组计划完成之前，科学家就已经开始未雨绸缪，着手研究从基因到生命之间的那几个步骤了。他们的研究方法和基因组一样，都是穷尽法，即把所有的可能性都找出来，再从中寻找规律。
从转录组学到蛋白质组学
既然DNA需要先转录成RNA才能起作用，那就干脆把所有的RNA顺序全部测出来好了，这个领域叫做转录组学(Transcriptomics)，这个词是模仿基因组学(Genomics)而生造出来的。美国伊利诺伊大学的威廉・贝克(William Beck)教授在本次AAAS大会上向听众介绍了转录组学已经取得的成就，按照他的估计，人类一共有大约10万个转录子(蛋白质合成的最小单元)，是基因数量的5倍。换句话说，平均每张建筑图纸可以通过剪切和拼接等办法，变成5张不同的新图纸。
科学家在研究RNA的过程中发现，人体细胞中还存在大量不直接生产蛋白质的siRNA，这种小分子单链RNA通常由20～25个字母组成，它们能够和相应的DNA或者RNA结合，从而影响基因的表达。这个发现曾经掀起过一阵风暴，引来很多大制药厂参与豪赌，试图用siRNA来生产新药。比如，2007年默克制药公司花了11亿美元将“斯纳医疗”(Sirna Therapeutics)公司买下，用于开发siRNA药物。同年，罗氏制药公司(Roche)和武田制药公司(Takeda)则花费4.31亿美元买下了阿尔尼拉姆(Alnylam)公司，以此方式进入这个领域。诺华制药公司也通过收购股权的方式和阿尔尼拉姆公司有过合作。但是，由于siRNA分子极不稳定，很难将其运送到指定地点，这次豪赌惨遭失败，到2010年时包括诺华、罗氏和辉瑞在内的许多大制药公司纷纷撤销了siRNA部门，基本上退出了这一领域，大笔前期投资也因此而打了水漂。
这件事从一个侧面说明，新药研发是一项风险极大的行当。
转录组学研究的是蛋白质生产过程的中间步骤，为什么不干脆跳过这一步，直接研究蛋白质组学(Proteomics)呢?事实上，科学家很早就明白这件事早晚非做不可，Proteomics这个词早在1997年就被造出来了。但是，蛋白质组学远比基因组学要困难得多，原因在于一个人的基因组在每个细胞里基本上都是一样的，可蛋白质的组成情况在每个器官、每个组织、每个细胞，甚至同一个细胞的不同时间段内都不一样，蛋白质图谱必须按照采样地点和时间的不同分别绘制，蛋白质研究者所面临的是一个无比艰巨的任务。
来自加拿大英属哥伦比亚大学的蛋白学家克里斯・欧福罗(Chris Overall)教授向听众解释了问题的复杂性：“蛋白质是由氨基酸首尾相连组成的，蛋白酶可以在这条氨基酸链上的任意位置切一刀，将其变成两个功能完全不同的新蛋白质。也可以从一端开始，依次移除若干个氨基酸，整个蛋白质的性质就会发生天翻地覆的变化。事实上，很多癌症就是这么来的。”
根据瑞士生物信息学院(Swiss Insti-tute of Bioinformatics)的统计，人体内至少存在500万种不同的蛋白质，这就相当于每个新合成的蛋白质可以有50～100种不同的修饰方式。换句话说，每幢房子可以有50～100种不同的装修设计，最后出来的结果全都不一样。
来自加拿大多伦多大学的科学家安德鲁・艾米利(Andrew Emili)教授用一个例子向听众解释了蛋白质组学的存在意义：“人和黑猩猩之间的差别远大于小鼠和大鼠之间的差别，这说明人和黑猩猩蛋白质的差别比小鼠和大鼠蛋白质的差别要大。但是，如果只比较基因组，人和黑猩猩之间的差别比小鼠和大鼠之间的差别居然还要小上10倍，可见光靠基因组分析是远远不够的。”
“要想全面了解蛋白质的功能，仅仅绘制出蛋白质图谱也是远远不够的。”艾米利教授补充道，“蛋白质之间存在各种相互作用，信息就是通过这些相互作用在蛋白质之间传递的，所以蛋白质组学的研究范围比基因组学更广，除了要研究蛋白质的种类、数量、转换率(蛋白质合成和分解的速率之比)、运输路径、翻译后修饰等性质之外，还要研究蛋白质和蛋白质之间的关系、蛋白复合体的功能属性，甚至蛋白质和药物之间的化学反应特性。”
艾米利教授为听众展示了一张反映酵母细胞蛋白质互相作用情况的“联络图”，密密麻麻的点和线看得人眼花缭乱。
那么，如此复杂的蛋白质组学什么时候才能绘制完成呢?或者换个问法：人类什么时候才能体验到蛋白质组学带来的好处呢?答案出乎所有人的预料。
从预防医学到治未病
间皮瘤(Mesothelioma)是一种较为罕见的肺部恶性肿瘤，绝大部分间皮瘤是由于病人吸入石棉而引起的。这种癌症的潜伏期很长，有没有办法预测出哪一位石棉工人将会得这种癌呢?
科学家尚未搞清间皮瘤的发病机理，暂时还不能从分子水平上对间皮瘤做出可靠的预诊。但是，美国科罗拉多大学的科学家拉里・格德(Larry Gold)博士决定运用蛋白质组学的思路，在未搞清发病机理的前提下实现这一目标。他找来357个间皮瘤样本，与接触了石棉但没有发病的样本做对比，分析两者在蛋白质层面的差别，希望从中发现规律。
这个对比不是用常见的抗体法做的，因为单克隆抗体的专一性还是不够高，不能满足这个实验的要求。格德教授发明了一种“低解离率修饰的配体”(Slow Off-rate Modified Aptamers，简称SOMAmer)，用来代替抗体的功能。简单说，这个SOMAmer就是一种寡核苷酸，本身带有DNA和蛋白质的双重性能，既可以和蛋白质发生特异性结合，又可以采用已经成型的DNA序列分析法，准确而又快速地做出鉴定。更可贵的是，SOMAmer和蛋白质之间的结合特异性极高，每一个SOMAmer只和一种蛋白质相结合，目前尚未发现例外。
有了这个新工具，格德教授就可以实现自己的理想了。他对比了间皮瘤和石棉接触者的血清样本，分别绘制出了两种样本的蛋白质图谱，找出两者的区别，再用这个区别为标准，对陌生的血清样本做鉴定，准确率和特异性都达到了惊人的98%。
格德教授还用类似的方法对非小细胞肺癌(Non-Small Cell Lung Cancer)、胰腺癌、肾癌、阿尔兹海默氏病、帕金森氏病、心脏病和糖尿病等常见疾病做了对比，希望能找出一种诊断方法，能够提早预测出疾病的发生，这样做的好处是显而易见的，如果能进一步提高准确性和灵敏度的话，其商业前景一片光明。
格德教授成立了一家名为SomaLogic的生物技术公司，正在进行临床试验，争取早日获得FDA批准，将这项技术商业化。他的近期理想是运用这项技术预测疾病的发生，为个人化治疗(Personalized Medicine)出把力。他的远期理想是扩大应用范围，将这项技术用于个人化健康(Personalized Wellness)领域，真正做到“治未病”。
必须再次强调，这项技术的核心不是生物学，而是信息科学。格德教授不需要知道每一种病的发病机理，他只要通过这项技术获得海量的数据，然后用计算机分析这些数据，从中发现规律就可以了。也就是说，这项技术背后的思路和基因组学、转录组学完全一样，都是对传统生物学研究方法的一次革命。
结语
生命科学发展到今天，虽然取得了无数令人惊讶的成就，但在某些疾病的治疗方面应该说是不尽如人意的，与同时起家的信息科学相比，差异更加明显。新一代生物学家决定另辟蹊径，与计算机科学联起手来，建立了生命信息科学(Bioinformatics)这门新学科，基因组学、转录组学和蛋白质组学属于生命信息科学旗下的三个分支。这个结合的意义极为深远，它彻底改变了生物学的研究思路和方法，让我们有理由期待下一场新技术革命的爆发。
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