Op) 自然 科学 学 科 发 民 丰 略 调研 报告 Ee —— 一 生物 化 学 与 分 子 生物 学 一 -一 一 一 一 自然 科学 学 科 发 展 战略 调研 报告 生物 化 学 与 分 子 生物 学 国家 自然 科学 基金 委员 会 ( 京 ) FES 092 号 内 容 简 介 本 书 是 《自然 科学 学 科 发 展 战略 研究 报告 》 之 一 。 这 套 调研 报告 是 国家 自然 科学 基金 委员 会 邀请 有 关 科 学 家 、 信 息 专 家 、 科 技 管理 专家 组 成 的 50 多 个 学 科 发 展 战略 研究 组 的 研究 成 果 。 这 些 成 果 具 有 较 高 的 科学 性 、 权 威 性 和 较 好 的 可 行 性 , 对 发 展 我 国 科技 事业 有 重要 指导 意义 。 本 书简 要 叙述 了 生物 化 学 与 分 子 生 物 学 的 兴起 与 发 展 过 程 , 分 析 了 国 际 范围 内 生物 化 学 与 分 子 生 物 学 中 一 些 重 要 分 支 领域 发 展 的 现状 及 这 门 学 科 总 的 发 展 趋势 , 对 我 国生 物化 学 与 分 子 生物 学 研究 所 取得 的 成 就 和 水 平 作 了 概括 和 估计 。 在 此 基础 上 提出 了 发 展 中 国生 物化 学 与 分 子 生物 学 的 战 略 构想 及 实现 这 一 构想 所 需要 的 战略 措施 和 应 采取 的 政策 建议 。 本 书 可 供 生 物化 学 与 分 子 生 物 学 以 及 有 关 学 科 的 科技 领导 干部 、 科 技 管理 人 员 和 科技 工作 者 参考 , 亦 可 供 大 专 院 校 有 关 专 业 师 生 阅读 参考 。 自然 科学 学 科 发 展 战略 调研 报告 生物 化 学 与 分 子 生物 学 国家 自然 科学 基金 委员 会 责任 编辑 RRM ena Re 北京 东 黄 城 根 北 街 16 号 邮政 编码 : 100717 北京 科 地 亚 印 刷 厂 印刷 新 华 书 店 北京 发 行 所 发 行 ”各 地 新 华 书店 经 售 1995 年 12 月 第 一 版 开本 : 850X1168 1/32 1995 年 12 月 第 一 次 印刷 印张: 5 % 印 数 : 1 一 2 360 FH: 114 000 ISBN 7-03-004804-0/TB * 594 定价 : 13.50 元 自然 科学 学 科 发 展 战略 调研 报告 编辑 委员 会 间 “ 唐 教 庆 SGA 王 FE fe thet | 主任 REA A KAS YRA RR Ret SHS Lh RLE 吴 Y RHR RE KR FH 组 长 生物 化 学 与 分 子 生 物 学 发 展 战略 研究 组 副 组 长 组 i=| A RR HH Hz (以 姓氏 笔画 为 序 ) 马 海 官 王 大 成 教 研 研 研 研 九 at at oy St at at or ot oy ot 授 = 风 上 海 医科 大 学 中 国 科学 院 上 海 生物 化 学 研究 所 国家 自然 科学 基金 委员 会 中 国 科学 院 生物 物理 研究 所 中 国 科学 院 上 海 细 胞 生物 学 研究 所 北京 师范 大 学 中 国 科学 院 上 海 生物 化 学 研究 所 中 国 科学 院 上 海 生 物 工程 研究 中 心 上 海 医 科大 学 中 国 科学 院 上 海 生 物化 学 研究 所 中 国 科学 院 植物 研究 所 南京 大 学 中 国 科学 院 上 海 生 物化 学 研究 所 复旦 大 学 中 国医 学 科学 院 药物 研究 所 生物 化 学 与 分 子 生物 学 发 展 战略 评审 组 组 长 杨 福 愉 中 国 科 学 院 院 士 副 组 长 ” 强 伯 勤 ”中 国 科学 院 院 + RSM H 授 组 员 (以 姓氏 笔画 为 序 ) 王 镜 岩 ” 教 授 RER KH 授 祁 国 荣 研 究 RA 许 根 俊 PHASE 院 士 陈 诗 书 A 授 PER K 授 Kk F 究 员 夏 其 昌 研 究 员 RES PHATE 院 + EE 教 - 授 Wao 中国 科 学 院 院 士 中 国 科学 院 生 物 物 理 研 究 所 中 国医 学 科学 院 基 础 医学 研究 所 南京 大 学 北京 大 学 上 海 医科 大 学 中 国 科 学 院 上 海 生 物化 学 研究 所 中 国 科 学 院 上 海 生 物化 学 研究 所 上 海 第 二 医科 大 学 武汉 大 学 中 国 科 学 院 生 物 物 理 研究 所 中 国 科 学 院 上 海 生 物化 学 研究 所 中 国 科学 院 上 海 生物 化 学 研究 所 四 川 大 学 中 国 科 学 院 上 海 药物 研究 所 + iii 目 然 科学 学 科 发 展 战略 调研 报告 《生物 化 学 与 分 子 生物 学 》 编 辑 部 f 陈 佳 省 主任 ERA 辑 MER BR MW TRA 刘 兴 民 《自然 科学 学 科 发 展 战 略 调研 报告 》 序 国家 自然 科学 基金 委员 会 的 基本 任务 是 : 根据 国家 发 展 科学 技术 的 方针 、 政 策 和 规划 ,遵照 科学 发 展 的 自身 规律 , 有 效 地 运用 科学 基金 , 指导、 协调 和 资助 基础 研究 和 部 分 应 用 研究 工作 , 发 展 和 培养 人 才 , 促进 科学 技术 进 步 和 经 济 、 社 会 发 展 。 为 达到 这 一 目标 , 正确 地 选择 资助 项 目 和 有 效 地 运用 资金 , 是 科学 基金 工作 的 核心 问题 , 也 是 学 科 发 展 战略 研究 所 要 解决 的 根本 问题 。 国家 自然 科学 基金 委员 会 的 学 科 发 展 战略 研究 大 多 是 以 它 资助 的 56 个 学 科 为 基础 , 对 各 学 科 分 别 设 题 进 行 的 。 研 究 的 内 容 和 任务 是 : 认 清 各 学 科 发 展 的 国际 动态 、 趋势 和 前 治 ,调查 国内 研究 状况 、 条 件 和 需求 , 明 确 各 有 关 学 科 领 域 在 学 科 发 展 和 科技 、 经 济 、 社 会 发 展 中 的 地 位 、 作 用 和 相互 影响 关系 , 从 而 把 握 学 科 发 展 的 全 局 , 确 定 学 科 发 展 的 中 、 近 期 战略 目标 、 重 点 和 优先 发 展 领域 , Se 并 对 必须 采取 的 重大 步骤 和 措施 提出 建议 。 我 们 希望 这 一 战略 研究 活动 能 对 科学 基金 的 项 目 资助 工作 起 到 宏观 引导 作用 , 特 别 是 对 一 个 时 期 内 资助 的 重点 领域 和 方向 、 重点 和 重大 课题 的 选择 起 到 一 定 的 指导 作用 , 对 学 科 的 建设 和 发 展 起 到 学 术 规 划 作 用 , 对 学 科 工 作 人 员 起 到 培 人 月 入伍 二 全 本 HAs 询 作 用 , 最 终 起 到 促进 学 科 发 展 的 作用 。 ra 国家 自然 科学 基金 委员 会 之 所 以 开展 学 科 发 展 战 略 研究 , 是 基于 这 样 一 种 认识 : 科学 事业 既是 科学 家 个 人 的 事业 , 更 是 科学 家 群体 共同 努力 奋斗 的 事业 。 为 了 促进 科学 事业 的 发 展 , 科 学 基金 工作 最 根本 的 原则 是 : 尊重 并 依靠 科学 家 , 按 科学 规律 办 事 : 坚持 让 科 学 家 们 根据 学 科 发 展 的 国际 动向 和 国内 情况 , 并 结合 自 已 的 研究 积累 和 兴趣 , 自 由 地 选择 研究 方向 和 申报 课题 ; 在 科学 家 自由 申请 的 基础 上 , 依靠 同行 科学 家 群体 , 做 出 最 佳 选 择 。 正 是 依靠 了 科学 家 们 无 止境 的 想像 力 、 勇 敢 的 开拓 精神 和 对 科学 的 执著 追求 , 我 们 才 得 以 不 断 地 推进 科学 的 前 没 , 开 拓 科 学 的 新 领域 。 我 们 清楚 地 认识 到 : 在 基础 科学 研究 中 , 为 了 拓展 人 类 对 自然 规律 的 认识 , 最 具 意 义 的 是 那些 科学 前 沿 的 新 发 现 。 然 而 , 正 是 这 种 最 前 治 的 思维 和 发 现 , 特别 是 某 些 。V1。 GO 人 具有 突破 性 的 科学 进展 , 开 始 时 常常 只 是 被 个 别 或 少数 人 所 洞察 ,并 时 而 带 有 偶然 的 特点 ,在 一 段 时 间 内 往往 难 以 得 到 多 数 人 的 共识 。 对 这 样 的 研究 ,显然 无 从 谈 预 测 或 计划 。 相 反 地 , 如 何 创造 条 件 , 更 好 地 支持 科学 家 , 特 别 是 中 青年 科学 家 的 这 种 新 思想 、 新 观念 、 新 方法 的 研究 , 正 是 我 们 自然 科学 基金 工作 面临 的 一 项 重大 任务 。 基础 科学 研究 , 是 科学 技术 应 用 开发 的 源泉 和 先导 。 从 这 个 意义 上 说 , 基 础 性 研究 同 科 技 应 用 开发 有 着 密切 的 关系 ,基础 科学 不 仅 要 研究 自然 界 的 基本 规律 , WHE 解决 科技 应 用 开发 中 的 基础 科学 问题 。 为 了 有 效 地 运用 基金 促进 科学 事业 的 繁荣 , 有 必要 也 有 可 能 把 科学 家 的 智慧 汇集 起 来 : 一 一 科学 发 展 到 今天 , 学 科 和 学 科 领 域 之 间 的 综合 交叉 在 不 断 扩展 和 深化 , 许 多 最 富生 命 力 的 新 兴 边 缘 学 科 在 不 断 涌现 , 知识 已 经 突破 传统 的 学 科 界 线 。 在 任何 一 个 学 科 都 已 不 能 孤立 存在 和 发 展 的 条 件 下 , 对 学 科 前 沿 和 发 展 趋势 的 判断 , 对 学 科 领 域 之 间 相 互 作 用 关系 的 认 识 和 协调 关系 的 建立 , 对 影响 和 带动 学 科 发 展 的 重要 领 域 的 把 握 , 都 需要 以 更 广阔 的 眼光 去 观察 , 这 已 不 是 哪 一 个 专业 的 某 个 科学 家 个 人 力所能及 。 一 一 科学 活动 需要 的 投入 在 急剧 增加 , 环 境 条 件 对 科学 研究 成 果 的 影响 日 见 显著 , 任 何 国家 都 难以 保持 在 所 有 科学 领域 上 的 全 面 优势 。 因 此 , 必须 根据 学 科 发 展 的 国际 态势 并 结合 国情 , 选择 那些 意义 重大 、 力 所 能 及 、 久 * vii * 须 开 拓 掌 握 的 领域 或 方向 , 作 为 本 国学 科 发 展 的 优先 或 peiedats 久 而 稳定 的 扶持 。 这 一 工作 , 也 不 是 个 别 科学 家 所 能 胜 任 。 | 一 一 科学 作为 技术 、 经 济 和 社会 的 一 个 有 机 组 成 部 分 , 已 经 难以 与 之 互相 分 离 。 技 术 、 经 济 和 社会 的 发 展 对 . 科学 提出 了 越 来 越 高 的 要 求 , 科 学 的 发 展 也 更 多 地 需要 社会 的 理解 和 支持 。 为 了 在 二 者 之 间 建 立 和 谐 的 相互 促 进 关 系 , 科 学 除了 必须 遵循 其 内 在 规律 外 , 还 必须 考虑 技 术 、 经 济 、 社 会 长 远 发 展 的 需要 , 树 立 为 之 服务 的 安 远 目 标 。 为 此 ,不 但 需要 远见 卓识 的 科学 家 参与 , 还 需要 了 解 ae 一 一 科学 研究 的 规模 在 迅速 扩大 , 复 杂 性 日 益 增 强 , 在 不 同 层 次 和 不 同形 式 上 都 需要 由 科学 家 、 工 程 师 和 其 他 辅助 人 员 组 成 的 群体 来 实现 其 既定 目标 。 为 了 开展 有 条 不 紊 的、 高 效率 的 工作 , 任何 这 样 的 群体 都 应 有 自己 的 发 展 战略 作 指 导 。 科 学 的 实践 表明 , 科学 家 个 人 的 思维 和 发 现 , 是 科学 进步 的 知识 源泉 , 但 只 有 合理 组 织 起 来 的 科 学 活动 , 才能 把 科学 家 们 的 智慧 汇合 起 来 , 形成 大 江 大 河 般 的 排山倒海 之 势 。 国 家 自然 科学 基金 委员 会 开展 学 科 发 展 战略 研究 , 就 是 为 了 把 科学 家 们 的 智慧 从 宏观 上 更 好 地 汇集 起 来 。 a wilt» (0) YT MAZRERRERBARIE, LARAK 的 学 科 都 成 立 了 专门 的 研究 组 , 由 国内 知名 的 科学 家 担 任 组 长 ,并 邀请 有 较 高 学 术 水 平 的 专家 参加 。 为 了 使 研究 工作 具有 超脱 部 门 、 行 业 利 益 的 学 术 权 威 性 ,我 们 做 了 一 系列 规定 。 首 先 ,研究 组 人 员 的 构成 , 除 必须 具有 较 丙 的 学 术 权 威 性 外 , 还 要 具有 代表 性 ; 既 有 老 一 辈 的 科学 冢 指 2, 也 有 做 出 贡献 的 中 青年 学 者 参加 ; EUR REM 研究 人 员 为 主 , 还 吸收 少量 专业 情报 研究 人 员 和 学 术 管 理 人 员 参 加 ; 既 以 中 国 科学 院 、 高 等 院 校 和 产业 部 门 研究 所 的 科学 家 为 主 , 必 要 时 还 吸收 少量 其 他 单位 的 专家 参 加 。 其 次 , 我 们 要 求 研究 组 随时 注意 以 书面 或 座谈 会 方式 听取 国内 各 界 专家 的 意见 。 第 三 , 对 研究 组 反复 讨论 修改 后 拟定 的 调研 报告 初稿 , 必 须 经 专家 评审 组 的 认真 评议 AA, LEH, 应 进行 再 次 修改 补充 。 评 审 组 由 国家 自然 科学 基金 委员 会 邀请 各 方 界 有 代表 性 的 权威 科学 家 组 成 。 由 此 可 见 , 我 们 的 学 科 发 展 战略 调研 报告 不 是 亏 一 个 部 门 或 哪 一 个 人 的 作品 , 而 是 国内 众多 科学 家 集体 和 起 的 结晶 , 它 所 提出 的 战略 、 目 标 、 优 先 重点 发 展 领域 和 模 施 等 , 是 科学 家 的 共识 和 预测 , 而 不 是 行政 的 干预 ; 是 对 研究 方向 或 学 科 领 域 的 引导 , 而 不 是 对 具体 研究 课题 @ 1X ° 的 设 定 ; 是 对 那些 应 当 特 别 关 注 的 学 术 领 域 方 向 的 强调 , 而 同时 还 支持 其 他 领域 的 研究 工作 (这 些 研究 仍然 可 能 是 卓有成效 的 ) 。 所 以 , 我 们 希望 这 一 发 展 战略 调研 报告 系列 的 出 版 发 行 , 不 但 不 会 限制 科学 家 的 自由 思维 和 项 目 申请 , 而 是 会 局 发 和 帮助 他 们 更 有 效 地 进行 思维 ,使 科 学 研究 的 宏观 指导 发 挥 应 有 效 荔 。 科学 在 迅速 发 展 , 学 科 领域 在 迅速 地 突破 和 不 断 重 MAA, 学 科 发 展 战略 研究 必须 跟 上 科学 发 展 的 步伐 ,不 能 一 劳 永 狗 。 在 各 学 科 第 一 轮 研 究 的 基础 上 , 我 们 将 在 更 高 水 平 上 开展 新 一 轮 的 研究 。 (=) 在 研究 学 科 发 展 战略 的 过 程 中 , 正 确 地 处 理 好 几 个 具体 关系 , 是 完成 一 份 高 质量 调研 报告 的 重要 坏 节 。 我 们 始终 特别 强调 的 是 : 一 一 既 要 有 学 术 深 度 , 又 要 有 战略 高 度 , 既 立 足 于 分 支 学 科 的 深入 分 析 , 又 超越 个 别 的 或 自己 从 事 的 分 支 学 A, 突出 横向 的 交叉 综合 , 避免 调研 报告 成 为 分 支 学 科 报 告 的 汇集 , 面面俱到, 没有 重点 , 以 达到 把 握 学 科 全 局 的 高 度 。 一 一 在 确定 战略 方向 和 优先 领域 时 , 既 要 考虑 国际 学 科 前 沿 情况 , 更 须 实事 求 是 , 从 国情 出 发 , 落实 在 国内 。 -了 既 要 从 科技 、 经 济 、 社 会 发 展 的 长 远 需要 提出 问 et “Tl 题 , 更 要 把 它 概括 深化 为 学 术 思想 , 落实 到 如 何 促进 学 科 发 展 , 使 其 不 同 于 一 般 行 业 的 技术 规划 。 _ 在 内 容 的 编排 上 , 必须 客观 材料 和 分 析 并 重 , 以 做 到 根据 丰 实 准确 , 结 论 明确 具体 。 | 国家 自然 科学 基金 资助 的 56 个 学 科 , 几 乎 覆盖 了 日 然 科学 和 工程 科学 的 所 有 领域 , 而 这 些 学 科 的 特点 真 可 亩 千 次 百 态 , 过 然 不 同 。 因 此 , 对 于 各 学 科 调 研 报 告 的 纺 号 方式 , 除 了 必须 有 统一 的 研究 目标 、 内 容 和 编写 体例 , 更 求 资料 准确 、 论 证 科学 、 观 点 明确 、 重 点 突出 、 畅 达 匈 读 、 生 动 活泼 外 , 在 风格 上 提倡 百花 齐 放 , 不 强求 统一 。 调研 报告 将 分 期 分 批 出 版 , 我 们 希望 后 来 者 居 上 , 汲 取 先 期 调研 报告 的 优点 , 越 做 越 好 。 (四 ) 国家 自然 科学 基金 委员 会 于 1988 年 6 月 决定 在 全 委 开展 学 科 发 展 战略 研究 以 来 , 已 有 50 多 个 学 科 开 展 了 研 RIK, 其 中 部 分 调研 报告 已 交付 出 版 , 其 他 学 科 的 调研 | 报告 , 在 今后 几 年 内 将 陆续 安排 出 版。 业经 审批 决定 出 版 的 报告 , 都 是 3 一 5 年 的 研究 成 时 ,每 一 个 调研 报告 都 不 仅 是 研究 组 成 员 , 而 且 是 成 百 其 至 上 千 学 者 心血 的 结晶 。 在 此 我 们 谨 向 所 有 参与 这 一 研 ROM EH RARE HR 在 这 一 系列 调研 报告 的 编辑 出 版 过 程 中 , 得 到 了 有 > 3 关 部 门 , 特别 是 科学 出 版 社 的 大 力 支持 。 在 此 ,我们 向 所 有 为 此 做 出 贡献 的 朋友 表示 衷心 感谢 。 在 调研 报告 出 版 之 际 , 我 们 要 向 以 唐 教 庆 教 授 为 首 的 国家 自然 科学 基金 委员 会 第 一 届 领 导 班 子 表示 敬意 , 是 他 们 发 动 并 领导 了 这 一 开创 性 的 工作 。 我 们 尤其 要 向 师 昌 绪 教 授 表 示 特 别 的 感谢 , 是 他 首先 倡议 并 具体 指导 了 这 项 研究 工作 。 学 科 发 展 战略 的 研究 , 不 但 需要 深厚 的 知识 , 还 需 其 他 方面 的 广博 知识 。 由 于 这 项 工作 是 首次 进行 , 经 验 不 足 , 加 之 经 费 有 限 , 时 间 人 仓促, 无 论 在 内 容 上 或 编排 上 都 ”可 能 会 有 诸多 不 尽 人 意 之 处 , 恳 盼 读者 不 吝 指 正 。 国家 自然 科学 基金 委员 会 《自然 科学 学 科 发 展 战略 调研 报告 》 编 辑 委员 会 1991 年 8 月 1 日 re Dllt LMLESDEEHER ROR, BRAMAR. 2M 学 科 中 不 断 涌现 的 新 知识 渗透 到 生命 科学 的 各 个 领域 , 也 促进 了 20 世纪 生命 科学 许多 激动 人 心 的 重大 和 进展, 揭示 了 许多 生命 现象 的 奥秘 , 使 人 们 对 生命 本 质 的 认识 跃进 到 了 一 个 崭新 的 阶段 , 并 对 人 类 的 物质 生产 和 社会 生活 产生 了 重大 影响 。 生 物化 学 与 分 子 生物 学 已 经 成 为 当代 生命 科学 发 展 的 主流 。 无 疑 , 在 今后 相当 长 一 段 时 间 内 , 它 仍 将 是 生命 科学 及 至 整个 自然 科学 领域 内 的 核心 学 科 之 一 。, 鉴于 生物 化 学 与 分 子 生 物 学 在 自然 科学 领域 内 的 重要 地 位 , 国家 自然 科学 基金 委员 会 生命 科学 部 原 分 子 生 物 学 与 生物 物理 学 学 科 组 认为 , 应 该 组 织 专家 调查 了 解 国内 外 本 学 科 的 现状 和 发 展 趋势 , 并 以 此 为 基点 , 研 讨 发 展 这 门 学 科 的 战略 目标 。 这 样 不 但 可 以 为 制定 基金 项 目 指南 提供 可 靠 依据 , 更 可 为 促进 这 门 学 科 在 我 国 迅 速 发 展 提 供 科 学 的 指导 思想 。1988 年 7 月 , 借 生物 化 学 与 分 子 生物 学 基金 项 目 评议 评 审 之 机 , 组 织 与 会 专家 进行 了 学 科 发 展 战略 研讨 , 并 总 结 成 一 份 简要 的 研究 报告 。 虽 然 当时 因 种 种 原 。Xill。 因 未 发 表 此 报告 , 但 这 毕竟 是 生物 化 学 与 分 子 生 物 学 学 科 发 展 战 略 研究 的 发 端 。 根据 国家 自然 科学 基金 委员 会 的 统一 部 署 , 并 受 生命 科学 部 委托 ,分 子 生 物 学 、 生 物 物 理 与 生物 医学 工程 学 学 科 组 于 19884 底 开始 筹备 生物 化 学 与 分 子 生物 学 发 展 战略 研究 组 , 分 别 请 上 海 医科 大 学 顾 天 咽 教 授 和 中 国 科学 院 上 海 生 物化 学 研究 所 林 其 谁 研 究 员 分 别 担任 研究 组 的 正 、 副 组 长 , 负 责 物 色 研究 组 成 员 和 安排 . 研究 日 程 。 两 位 组 长 认为 : 在 目前 生物 化 学 与 分 子 生 物 学 如 此 迅 速 发 展 的 形势 下 , 要 描绘 出 这 门 学 科 的 发 展现 状 和 趋势 并 提出 今 后 一 段 时 期 内 的 发 展 战略 , 任 务 十 分 艰巨 , 唯 有 集思广益 才 可 能 完成 。 为 此 , 建议 成 立 由 该 学 科 分 支 领域 内 的 15 位 专家 组 成 战略 研究 组 , 共 同 开展 研究 。 1989 年 3 月 21 一 22 日 ,研究 组 于 上 海 召开 第 一 次 全 体会 议 。 经 反复 研究 讨论 , 初 步 确定 14 个 研究 专题 , 即 蛋白 质 、 多 肤 、 核 酸 、 分 子 遗 传 、 基 因 工 程 基础 、 酶 、 糖 复合 物 、 生 物 膜 、 激 素 、 旬 疫 生 化 、 病 毒 生化 、 分 子 生 物 物理 、 植 物化 学 、 无 机 生化 等 ; 确 定 了 各 专题 负责 人 ;, 并 要 求 各 专题 负责 人 分 别 邀 请 各 自 专题 领域 的 5 一 10 名 专家 撰写 有 关内 容 或 提供 素材 , 作 为 专题 研究 报告 的 基础 或 背景 材料 。 在 此 后 的 半年 多 时 间 内 , 先 后 有 近 100 位 专家 受 邀 参与 撰写 并 递交 了 70 份 各 专题 内 分 支 领域 的 综述 报告 。1990 年 3 月 13 一 16 日 在 上 海 召 开 研 究 组 第 二 次 会 议 , 汇报 并 讨论 了 专 题 报 告 内 容 ; 研究 并 决定 了 专题 报告 的 撰写 格式 及 战略 研究 报告 提纲 ;确定 由 顾 天 表 、 林 其 谁 两 位 组 长 为 研究 报告 的 主要 扎 稿 ies 两 位 主要 扎 稿 人 在 收 到 全 部 专题 报告 后 , 在 紧张 的 科研 、 教 学 工作 同时 , 利 用 大 量 业 余 时 间 , 做 文稿 的 编 繁 工作 。 历 时 数 月 , °- an? 于 1991 年 6 月 完成 了 研究 报告 初稿 。 初 稿 打 印 分 送 国内 40 余 位 专家 征求 意见 。 在 回收 的 33 份 专家 意见 中 , 专家 对 报告 内 容 基本 肯定 , 同 时 提出 了 许多 宝贵 意见 , 有 的 还 附 寄 了 详细 的 补充 材料 。 1991 年 11 月 20 一 21 日 ,研究 组 和 一 些 特 邀 专家 再 次 聚会 , 研 究 讨论 专家 意见 和 修改 方案 ,对 初稿 进行 了 较 大 的 修改 和 增删 。1992 年 12 月 ,《 生 物化 学 与 分 子 生物 学 发 展 战略 调研 报告 》 修 改 稿 完 成 , 交 国家 自然 科学 基金 委员 会 审核 。 1993 年 1 月 10 一 12 日 在 上 海 医 科大 学 召开 《生物 化 学 与 分 子 生物 学 发 展 战略 调研 报告 》 评 审 会 。 专 家 评审 组 15 人 , 组 长 为 杨 福 愉 院 士 、 副 组 长 为 强 伯 勤 院士 和 朱德 跑 教授 。 评 审 组 认为 : “报告 的 内 容 能 反映 学 科 的 战略 地 位 和 国内 外 目前 状况 ,并 在 此 基 础 上 提出 了 各 分 支 学 科 的 方向 和 目标 。…… 报告 基本 上 符合 国家 自然 科学 基金 委员 会 对 研 丛 报告 的 编写 要 求 ,” 同时 , 评 审 组 专家 也 指出 了 其 中 的 不 足 之 处 , 提 出 了 详细 的 修改 意见 。 两 位 主要 扎 稿 人 对 原稿 做 了 认真 修改 , 并 按 编辑 出 版 的 要 求 做 了 改写 , 至 1994 年 9 月 完成 定稿 工作 。 从 上 述 过 程 可 知 , 本 报告 是 研究 组 和 评审 组 的 专家 们 及 全 国 生物 化 学 与 分 子 生物 学 界 100 多 位 专家 集体 智慧 的 产物 , 它 反映 了 当代 本 学 科 的 发 展 趋势 及 为 促进 本 学 科 的 发 展 我 们 应 采取 的 一 些 对 策 。 诚 然 , 本 报告 尚 不 能 包括 当今 本 门 学 科 莲 勃发 展 的 全 部 内 容 , 考 虑 到 与 其 他 学 科 的 交叉 , 有 些 领域 (如 神经 分 子 生物 学 、 物质 代谢 等 ) 就 没有 详细 介绍 , 但 重要 的 、 发 展 迅 速 的 生物 大 分 子 的 结构 与 功能 及 有 关 调 控 机 制 等 内 容 , 基 本 上 得 到 了 阐述 。 在 本 报告 编写 过 程 中 , 孙 册 先生 参加 了 部 分 工作 ,刘建华 、 杨 天 轧 、 余 赛 妹 等 人 担任 了 秘书 工作 。 由 于 研究 组 成 员 们 学 识 所 限 , 本 报告 一 定 存在 许多 不 足 或 不 oxy © 当 之 处 , 尚 祈 阅 者 提出 宝 趴 意 见 。 国家 自然 科学 基金 委员 会 生命 科学 部 马 海 官 ” 杨 正宗 1995 年 10 月 * xvi ° 《自然 科学 学 科 发 展 战略 调研 报告 》 序 ne 0 1 生物 化 学 与 分 子 生物 学 的 兴起 与 发 展 ………Pppp 9 1.1 生物 化 学 发 展 简 更 .pop 1.2 分 子 生 物 学 源 于 生物 化 学 .PP 1.3 WADIA TET cee cee rere ee ee ees eee eee cee eee ens 的 发 展 。 oon ssn ven nos enecancnectnece renees 1.5 HEA BA FH ZY EB Joe cee cee cee ene eeeeeeees 2 MALE ESSA HE RBBB een cee cee cen cen eenenn anes 本 2.2 高 速 发 展 趋势 .ppp 3 生物 化 学 与 分 子 生 物 学 的 发 展 与 现状 .pp 3.1.1 蛋白 质 的 三 维 结构 与 功能 pp * xvii ° 3 3 3.2.1 3. 2: 2 3.2.3 ww Ww Ww Ww w = >) Ol te (Goo 0 Sh 3.4.1 3.4.2 3: 4.3 3.4.4 3.5.1 3. 5 2 3. 6.1 3. 6. 2 3. 6.3 3. 6. 4 3.6.5 蛋白 质 与 核酸 的 相互 作用 ee PA ae Ci) a Cee 号 二 区 酶 学 pp 酶 学 的 两 大 突破 性 进展 一 一 酶 活性 RNA 和 抗体 酶 酶 的 结构 和 功能 研究 …ppe cee eee ceeeee eee eeeneecescnsees 固 相 化 酶 和 生物 传感器 pv 核酸 研究 的 新 动向 核酸 的 结构 cor eee oo ee RNA 的 转录 后 加 工 pe 3.4 , Ce See ee 生物 膜 的 结构 pp 3. 6” 激 缀 世 2 新 肽 类 激素 的 发 现 肽 类 激素 受 体 结构 与 功能 的 研究 pp 受 体 后 信息 转 导 机 理 的 研究 pe 固 醇 类 激素 作用 机 理 的 研究 pp WMA, 生长 因子 与 瘤 基 因 关 系 的 研究 …………… ccc cceceecce * XVili ° 3.7.2 工 细胞 抗原 受 体 (TCR) 复 合 物 pe ee 3.7.3 组 织 相 容 性 基因 复合 物 (MHC) 及 抗原 的 加 工 和 递 呈 B.S APU aie cce cle eenenecsinds cue santas seb cee eee 3.8.2 FLRK AEP HID FRE vce pv 3.8.4 动 植物 -微生物 相互 关系 的 分 子 遗 传 ee 本 1 病毒 分 类 和 进化 的 分 子 生 物 学 原则 © © © © a CO ee * 病毒 的 分 子 诊断 和 抗 病毒 药物 设计 © 2 © .7 病毒 对 宿主 细胞 代谢 的 影响 coerce cee cee cee cee cee cee seeeee ces 和 3.10.2 基因 工程 相关 的 基础 研究 和 技术 4 我 国生 物化 学 与 分 子 生物 学 现状 分 析 pp 4.1 我 国生 物化 学 与 分 子 生物 学 的 成 就 和 水 平 估计 4.2 我 国生 物化 学 与 分 子 生 物 学 面临 的 新 任务 和 新 形势 795 。XIX。 5 我 国生 物化 学 与 分 子 生 物 学 发 展 的 构想 ……… 和 pp MWe bee ah tee 5.2 ESUIGS BB EWE BEAL) «cob eee aces oe ceed 5.2.1 生物 分 子 及 其 组 合体 的 化 学 与 三 维 结构 的 研究 ………………… = 321 123 5.2.2 酶 学 的 研究 5.2.3 ”基因 信息 的 表达 、 调 控 、 传 代 等 的 机 理 ee 5. 2.4 具有 调控 作用 的 生物 分 子 的 化 学 及 其 受 体 的 作用 机 理 e。 XX e 115 115 116 117 - 124 法 2.5 生物 分 子 的 组 装 一 -生物 膜 的 研究 pv 6 ”战略 措施 与 政策 建议 pp ia | eM ee 127 129 133 136 一 、 研 究 内 容 及 战略 地 位 生物 化 学 与 分 子 生物 学 是 生命 的 化 学 , 是 在 化 学 和 生物 学 之 间架 起 的 一 座 桥梁 。 有 机 体 从 外 观看 千差万别 , 种 类 繁多 , 但 从 生物 化 学 与 分 子 生物 学 角度 探究 , 它 们 的 遗 传 信 息 传 递 、 核 酸 与 蛋白 质 的 基本 结构 与 功能 几乎 完全 一 致 。 机 体内 的 生化 反应 即 所 谓 代 谢 通路 以 及 催化 这 些 反应 的 酶 的 结构 和 催化 性 能 都 十 分 相似 , 一 些 基本 反应 过 程 则 近 于 同一 模 式 。 这 些 事实 说 明 , 生物 品种 虽然 千 千 万 万 ,但 从 分 子 水 平 上 , 从 病毒 、 细 菌 到 人 类 都 是 一 脉 相 承 。 因 此 , 分 子 水 平 的 研究 正 是 科学 地 了 解 生命 现象 的 本 质 之 所 在 。 分 子 生 物 学 源 于 生物 化 学 , 至 今 还 是 相互 。] 。 交叉 , 密 不 可 分 。 生 物化 学 以 有 机 体内 的 化 学 物质 为 主要 研究 对 条 , 特 别 是 那些 高 分 子 物 质 如 有 蛋白质、 核酸 、 糖 及 糖 复 合 物 以 及 脂 类 等 。 自从 1953 FAK (Watson) 和 克 里 克 (Crick) 报告 DNA 双 螺旋 结构 以 后 , 遗传、 蛋白 质 生 物 合成 等 生命 现 妹 的 重大 问题 ,可 在 分 子 水 平 上 加 以 剖析 ,于 是 产生 了 以 此 为 核心 的 分 子 生 物 学 。 但 时 至 今日 , 分 子 生物 学 的 含义 已 大 为 扩展 , 成 为 研究 生物 高 分 子 的 结构 与 功能 以 阐明 生命 现象 的 一 门 学 补 。 它 包括 两 大 内 容 : 分 子 遗 传 学 和 分 子 生 理学 。 分 子 遗 传 学 是 从 分 子 水 平 研究 遗传 规律 以 及 发 生 、 分 化 、 进 化 、 老 化 和 免疫 生物 学 基本 现象 ; 分 子 生理 学 是 从 分 子 水 平 研究 与 剖析 生理 现象 。 其 中 心 内 容 是 在 分 子 水 平 LAR. Bok, HOE. BA, RH. MAMIE, RE 导 等 , 研 究 对 象 包括 细胞 器 如 线粒体 、 肌 肉 细 胞 、 神 经 细胞 、 细 胞 膜 等 等 。 生物 化 学 与 分 子 生物 学 领域 虽然 很 宽 , 但 就 其 主要 内 容 则 可 归纳 为 如 下 几 个 万 面 : (1) 生物 分 子 及 其 组 合体 的 化 学 与 三 维 结构 的 研究 , 以 及 结 构 与 功能 之 间 的 关系 。 (2) 有 蛋白 质 功 能 的 研究 , 例 如 酶 促 作 用 , 受 体 识 别 , 分 子 则 专 一 性 结合 的 分 子 机 理 ; 信息 通过 受 体 本 身 或 通过 分 子 间 的 作用 而 传递 的 机 理 。 (3) 基因 信息 的 转录 、 调 控 、 传 代 等 机 理 。 (4) 生物 分 子 的 合成 和 组 装 。 (5) 细胞 分 裂 和 繁殖 的 生化 进程 及 控制 机 理 。 (6) 细胞 及 组 织 的 生长 、 分 化 、 训 老 的 分 子 基础 。 这 些 基 础 理论 课题 的 研究 成 果 , 已 经 为 工农 业 生产 发 展 提供 o2e 了 大 量 的 十 分 宝 责 的 资料 , 例 如 植物 新 品种 的 培育 及 生物 工程 疫 苗 和 药物 等 等 , 已 经 成 为 高 科技 领域 中 一 项 支柱 性 产业 , 同 时 大 大 促进 了 对 疾病 病因 的 了 解 , 并 提高 了 疾病 的 诊断 与 治疗 水 平 。 二 、 学 科 间 的 相互 渗透 生物 化 学 与 分 子 生 物 学 是 发 展 十 分 迅速 的 学 科 。 它 的 迅速 发 展 一 方面 得 益 于 化 学 、 物 理学 、 数 学 和 电子 技术 、 计 算 技 术 等 理 论 学 笠 和 技术 学 科 的 新 理论 、 新 技术 、 新 方法 向 生物 学 的 广泛 渗 Be HA; 另 一 方面 亦 由 于 生物 化 学 和 分 子 生物 学 的 原理 和 技术 向 生物 学 其 他 领域 的 广泛 渗透 。 由 此 而 发 展 产生 许多 新 兴 的 领域 、 学 和 补 和 形成 一 些 高 新 技术 , 如 分 子 遗 传 学 、 分 子 病 毒 学 、 分 子 药 理学 、 基 因 工 程 、 有 蛋白 质 工 程 、 酶 工程 、 生 物 传 感 器 、 生 物 芯 片 等 。 这 种 广泛 的 渗透 仍 在 不 断 地 十 分 活路 地 进行 中 。 三 、 中 国 早 期 (1917 一 1949) 生物 化 学 的 发 展 郑 集 教 授 在 其 专著 《中 国 早 期 生物 化 学 发 展 史 》 中 作 了 详尽 综述 , 书 中 收集 了 大 量 文献 资料 。 该 书 列 出 了 33 名 中 国 早 期 生物 化 学 家 , 其 中 有 25 人 主要 从 事 或 曾 从 事 营 养 学 研究 ; 除 此 以 外 , 有 少数 学 者 从 事 蛋 白质、 发 酵 、 代 谢 、 医 学 生化 等 研究 。 中 国营 养 学 会 早 在 1945 年 已 宣布 正式 成 立 , 而 生物 化 学 会 虽 在 40 年 代 后 期 开始 筹办 ,但 到 1978 年 才 正 式 宣告 诞生 。 我 国 老 一 而 生物 化 学 家 曾 在 营养 学 上 作出 过 重要 贡献 。 卓 越 的 生物 化 学 家 吴 宪 (1893—1959) 在 血液 分 析 、 有 蛋白 质变 性 、 食 物 营 养 和 免疫 化 学 四 个 领域 中 都 作出 了 重要 贡献 , 而 且 他 还 吸收 了 不 少 留 学 归 国 的 学 © 3 。 者 和 培养 了 多 名 生物 化 学 家 如 刘 思 职 、 陈 同 度 等 , 他 堪 称 为 中 国 生物 化 学 的 黄 基 者 。 新 中 国 成 立 以 来 的 40 余年 ,生物 化 学 与 分 子 生物 学 研究 队伍 迅速 扩大 。 目 前 中 国生 物化 学 会 会 员 已 达 6300 人 , 都 具有 中 级 以 上 职称 。 在 研究 中 也 取得 了 一 批 很 高 水 平 的 成 果 , 如 人 工 合成 胰 岛 素 和 酵母 丙 氨 酸 tRNA 等 。 建 立 了 一 批 具有 国际 水 平 的 实验 室 和 研究 所 。 在 此 , 我 们 不 能 忘记 在 建国 初期 一 批 留学 国外 、 学 有 所 成 的 生物 化 学 工作 者 怀 着 满腔 的 爱国 热情 , 回 到 当时 还 十 分 贫 困 落 后 的 祖国 , 以 他 们 对 科学 的 执着 , 撒 下 了 近代 生物 化 学 的 种 子 , 培 养 出 了 一 大 批 人 才 。 目 前 我 国 与 先进 国家 相 比 , 队 伍 尚 嫌 太 小 , 经 费 严 重 不 足 。 相 信 随 着 我 国 经 济 的 发 展 , 我 国 的 生物 化 学 研究 一 定 会 呈现 出 莲 勃 生机 。 四 、 生 物化 学 与 分 子 生 物 学 的 发 展 趋势 生物 化 学 与 分 子 生物 学 虽然 只 是 生命 科学 中 的 一 个 学 科 , 但 是 它 代 表 了 生命 科学 的 未 来 与 希望 。 回 顾 本 世纪 初 , 生 命 科学 分 科 十 分 细 , 各 学 科 所 涉及 的 领域 彼此 间 界 限 甚 是 分 明 , 例 如 解剖 学 、 细 胞 学 、 微 生物 学 、 病 理学 、 生 理学 、 药 理学 等 等 。 它 们 各 有 明确 的 研究 领域 , 运 用 特定 的 理论 与 手段 进行 研究 。 但 是 到 了 20 世纪 未 期 的 今天 , 学 科 间 的 界限 变 得 十 分 模糊 , 方 法 学 上 相互 运用 , 理 论 上 彼此 借鉴 , 大 家 有 了 共同 的 语言 。 这 是 因为 生命 科 学 家 都 在 用 化 学 的 方法 、 手 段 与 理论 去 探讨 生命 现象 中 的 众多 问 题 。 目 前 生命 科学 家 已 有 了 共识 : 只 有 把 维系 生命 现象 的 过 程 如 同化 学 反应 一 样 去 研究 它 , 理 解 它 , 才 能 把 生命 现象 的 杰 质 揭示 出 来 。 这 是 生命 科学 发 展 的 必然 趋势 。 ‘es 50 年 代 以 来 , 生 物化 学 与 分 子 生物 学 取得 了 惊人 的 进展 , 解 决 了 生物 学 中 许多 重大 问题 。 核 酸 的 双 螺 旋 结 构 、 核 酸 复 制 、 遵 传 密码 、 遗 传 的 中 心 法 则 、 病 毒 中 逆转 录 酶 的 发 现 , 为 基因 工程 技术 商定 了 基础 。 有 蛋白 质 的 纯化 方法 、 结 构 分 析 的 高 速 发 展 , 激 素 的 受 体 学 说 及 信息 传递 的 第 二 信使 的 发 现 等 等 , 都 使 生命 科学 上 了 一 个 新 台阶 。 几 乎 每 年 的 诺 贝 尔 医 学 与 生理 学 奖 以 及 若干 诺 贝尔 化 学 奖 都 授予 了 从 事 生 化 与 分 子 生 物 学 的 科学 家 , 他 们 的 页 献 在 生命 科学 历史 上 留 下 了 光辉 的 一 页 。 这 些 发 明 创造 及 由 此 产生 的 影响 遍及 生命 科学 各 个 领域 , 也 为 今后 发 展 匀 划 出 前 进 的 方向 。 目 前 已 是 20 世纪 的 最 后 数 年 , 可 以 预言 ,21 世纪 的 生物 化 学 与 分 子 生物 学 仍然 会 充满 生机 , 并 将 继续 影响 生命 科学 的 各 个 方面 。 生 物化 学 与 分 子 生 物 学 的 主要 研 究 对 象 是 蛋白 质 、 酶 、 核 酸 、 糖 及 脂 类 , 其 研究 内 容 已 更 为 深入 并 渗透 到 许多 领域 。 (—) 重 白 质 与 酶 学 蛋白 质 的 功能 丰富 多 样 , 诸 如 运动 、 消 化 、 吸 收 、 信 息 传 弟 等 都 是 蛋白 质 功 能 的 表现 。 如 果 没 有 一 个 基本 原理 去 解释 它们 ,就 会 被 各 种 现象 所 迷惑 。 过 去 用 严 说 的 物理 学 和 化 学 理论 以 及 实验 技术 揭示 了 小 分 了 物质 的 性 质 与 功能 , 同 样 的 原理 , 大 体 上 也 能 推导 和 预测 像 蛋 白质 那样 复杂 大 分 子 的 性 质 和 功能 , 因 此 , 当 前 有 蛋白质 研 究 的 一 个 中 心 课 题 是 确定 组 成 蛋白 质 的 每 个 原子 的 三 维 空间 排列 。 其 最 终 目标 是 从 和 蛋白质 的 化 学 式 和 三 维 空间 结 构 预测 其 结构 和 功能 , 从 而 达到 人 类 可 以 改造 、 模 拟 并 合成 蛋白 质 。 蛋白 质 一 级 结构 即 和 氨基酸 的 序列 研究 是 蛋白 质 研 究 的 基础 。 过 去 40 年 已 有 长 足 进展 。 近 年 来 , 分 析 手 段 的 发 展 很 快 , 如 应 用 。 5 。 Ke RF Si (FAB/MS) 分 析 , 核磁 共振 (NMR) 波谱 分 析 , X HR ATH DATE X 射线 行 射 晶 体 学 方法 开发 较 早 ,但 至 今 仍 是 研究 蛋白 质 晶体 结构 的 最 有 效 的 手段 。 编 码 蛋 白质 基因 的 分 子 克 隆 技 术 以 及 快速 DNA 序列 分 析 技 术 的 建立 , 是 蛋白 质 结构 分 析 的 又 一 有 力 武器 。 目前 , 已 有 的 分 析 方 法 正在 进一步 计算 机 化 、 微 量化 和 联机 化 。 可 靠 、 迅 速 的 分 析 方 法 积累 了 大 量 数据 , 随 之 也 建立 了 有 效 : 的 数据 库 。 一 些 未 知 功能 的 蛋白 质 通过 与 其 他 蛋白 质 之 间 的 氨基 酸 序列 相 比较 而 得 到 了 线索 。 有 蛋白质 基础 理论 研究 的 成 就 , 大 大 促进 了 新 技术 的 开发 。 如 多 肽 工程 与 蛋白 质 工程 , 这 是 80 年 代 兴 起 并 迅速 发 展 的 领域 。 开 始 时 主要 是 通过 点 突变 来 改造 天 然 蛋 白质 , 以 后 发 展 到 蛋白 质 分 子 的 全 新 设计 以 至 非 肽 模拟 。 多 肤 与 蛋白 质 工 程 的 发 展 最 终 将 改 变 传统 工业 的 高 温 、 高 压 、 高 能 耗 状况 , 代 之 以 节省 能 量 与 资源 的 高 效率 生产 方式 。 酶 学 研究 是 蛋白 质 结构 、 功 能 与 生物 催化 机 理 研究 的 结合 。 由 于 生物 化 学 与 分 子 生物 学 的 每 个 领域 都 涉及 酶 学 的 理论 和 实验 手 段 , 因 此 酶 学 和 蛋白 质 研究 都 是 生物 化 学 和 分 子 生物 学 的 共同 基 础 。 酶 是 生物 催化 剂 , 体 内 所 有 化 学 反应 几乎 都 是 在 酶 的 催化 下 进行 。 过 去 一 直 认 为 酶 的 本 质 是 蛋白 质 , 并 和 希望 能 有 朝 一 日 人 工 合成 酶 蛋白 , 但 始终 未 能 实现 。80 年 代 , 发 现 了 酶 活性 核糖 核酸 (ribozyme) 和 抗体 酶 (abzyme), 打 破 了 酶 即 是 蛋白 质 的 经 典 概 念 。 抗 体 酶 技术 将 为 酶 的 定向 设计 展现 广泛 的 前 景 , 如 果 一 旦 能 制造 出 对 氨基 酸 序列 有 特异 性 的 抗体 酶 , 能 限制 性 地 切割 不 同 所 基 酸 焉 基 问 的 肘 键 , 则 将 对 蛋白 质 结构 的 研究 提供 新 的 手段 。 抗 体 酶 的 定向 设计 也 开 习 了 一 个 不 依赖 于 有 蛋白质 工 程 的 真正 酶 工程 领域 。 酶 学 研究 除了 上 述 基 础 理论 方面 的 重要 成 就 以 外 , 在 应 用 研 究 方 面 也 取得 很 大 进展 。 60 年 代 后 期 兴起 的 国定 化 酶 技术 在 工农 业 和 医学 中 实际 应 用 的 巨大 效益 , 已 受到 世界 各 国 的 注意 。 事 实 上 , 有 果 葡 糖浆 、 和 氢 基 酸 、 有 机 酸 、 酒 精 、 抗 生 素 等 重要 化 工 、 医 药 产 品 已 可 由 国定 化 酶 技术 生产 。 建 立 在 吸附 、 共 价 结 合 、 交 联 、 包 理 等 物理 和 化 学 原理 基础 上 的 近 百 种 方法 已 被 用 来 将 酶 国定 化 在 载体 上 或 载体 内 。 今 天 人 们 已 能 根据 应 用 目的 和 酶 的 特性 , 选 择 合适 的 国定 化 方法 和 载体 。 国 相 酶 的 理论 研究 也 因 需 要 而 获得 发 展 , 诸 如 固 相 酶 的 稳定 性 、 动 力学 、 底 物 专 一 性 的 改变 等 都 已 有 不 少 报道 和 研 究 。 通 过 国 相 化 , 使 酶 在 有 机 溶剂 中 的 催化 成 为 可 能 , 有 机 化 合 物 的 不 对 称 水 解 、 不 对 称 合成 、 氧 化 还 原 反应 和 加 成 反应 都 有 可 能 用 国 相 化 酶 在 温和 条 件 下 催化 。 在 单一 酶 图 相 化 的 基础 上 , 发 展 了 多 酶 体系 的 共 国 相 化 , 如 天 冬 氨 酸 酶 和 天 冬 氨 酸 脱 羧 酶 的 共 国 相 化 可 从 延 胡 素 酸 生产 工 -两 氨 酸 。 近 几 年 来 又 进一步 建立 了 国 相 活 细胞 技术 , 使 细胞 能 在 载体 上 生长 繁殖 ,获得 高 密度 制剂 ,并 能 将 细胞 生长 期 和 生产 期 分 开 , 延 长 生产 期 , 使 用 后 衰减 的 生产 能 力 还 可 再 生 。 为 了 生产 高 等 生物 体内 某 些 具有 经 济 价值 的 酶 、 激 素 、 免 疫 化 合 物 、 生 物 碱 、 色 素 和 香料 等 , 又 从 国 相 微生物 细胞 发 展 至 难度 较 高 的 国 相 动 、 植 物 细 胞 。 各 种 微 载体 和 大 孔 胶 材 料 为 贴 壁 的 动物 细胞 提供 了 较 大 的 比 表面 , 如 琼脂 糖 凝 胶 、 海 藻 酸 聚 赖 氨 酸 微 浊 和 中 孔 纤维 可 用 来 包 理 贴 壁 细 胞 和 悬 淫 细 胞 。 已 有 报道 应 用 固 相 化 动物 细胞 生产 单 克 隆 抗 体 、 干 扰 素 和 已 肝 疫 苗 等 。 利用 轿 相 化 植物 细胞 从 简单 瑞 源 合成 生物 碱 或 进行 生物 碱 等 药物 中 间 体 的 转化 也 已 有 不 少 成 功 的 例子 。 国 相 酶 技术 的 发 展 使 生物 传感器 应 运 而 生 。 生 物 传感器 是 具 有 专 一 识别 功能 的 生物 材料 〈 如 酶 ) 与 基于 化 学 或 物理 学 原理 的 换 能 检测 装置 结合 而 构成 的 , 酶 电极 就 是 最 早期 的 生物 传感器 。 目 前 约 有 10 种 可 用 于 临床 生化 测定 的 酶 电极 商品 化 ,分 别 可 测定 葡 萄 糖 、 尿 素 、 尿 酸 、 乳 酸 和 谷 氨 酸 等 。 近 几 年 来 , 生 物 传感器 的 发 展 十 分 迅速 ,有 专 一 识别 能 力 的 生物 材料 已 从 酶 发 展 到 抗体 、 受 . 体 、 细 胞 器 黄 至 细胞 组 成 功能 元 件 , 换 能 检测 器 也 从 电极 〈 和 气 敏 、 HTK) 发 展 到 离子 教 场 效应 晶体 管 、 热 教 电阻 器 、 发 光 二 极 管 、 光纤 和 石英 压 电 振 功 器 , 能 把 各 种 化 学 信息 转变 成 电信 号 加 以 度 量 。 目 前 生物 传感器 的 主要 趋向 是 微型 化 和 多 功能 化 , 并 发 展 成 ASK. HARB. WILL OTR, HERB RAK HEY Ey FH GK BARE AGS A, IR KR A 物 电脑 的 出 现 。 (二 ) 核酸 核酸 是 一 类 重要 生物 活性 大 分 子 。40 年 代 艾 弗 里 (Avery) 等 人 发 现 遗 传 物质 是 核酸 ,1953 HK AF HP RAILS J DNA 双 螺 旋 结 构 学 说 , 商 定 了 现代 分 子 生 物 学 基础 。 此 后 , 衍 生出 了 分 子 遗传 学 和 基因 工程 , 为 医学 、 农 业 、 工 业 、 环 境 保护 等 开拓 了 新 局 面 。30 多 年 来 核酸 研究 方面 的 科学 家 16 次 获得 诺 贝 尔 化 学 奖 或 生理 医学 奖 , 几 占 总 颁奖 数 的 四 分 之 一 。 这 也 说 明了 核酸 研究 的 重要 性 和 发 展 迅 速 。 80 年 代 以 来 , 核 酸 研究 的 新 动向 有 四 方面 , 一 是 RNA 的 研 究 又 趋 活跃 , 新 的 发 现 层 出 不 穷 。 如 酶 活性 RNA 的 发 现 , 提 示 着 生命 起 源 过 程 中 曾经 有 过 一 个 RNA 世界 。RNA RRB MH 。R 。 信息 ,又 具有 催化 活性 。 再 如 RNA 编辑 机 理 的 发 现 是 对 中 心 法 则 的 一 个 重要 的 补充 。 一 个 基因 在 不 同 组 织 或 不 同 生理 状态 下 , 以 从 不 同 转录 起 始 位 点 开始 转录 、 不 同 的 剪接 方式 和 不 同 的 3' 端 成 热 而 形成 多 种 不 同 的 蛋白 ,这 是 比 基 因 重 排 更 为 灵活 的 调控 方式 。 RNA 的 应 用 前 景 也 日 益 宽 广 , 如 酶 活性 RNA 阻 断 各 种 有 害 基 因 iy Rik fo MERAY 核酸 研究 的 第 二 个 动向 是 研究 的 主要 材料 已 从 80 年 代 前 的 原核 生物 转向 真 核 生 物 。 无 论 是 DNA 复制 、RNA 转录 及 前 体 的 加 工 , 还 是 蛋白 质 的 生物 合成 , 真 核 生物 中 的 反应 部 较 原 核 生物 复杂 得 多 。 尽 管 真 核 生 物 中 的 这 些 过 程 现在 还 没有 完全 被 阐明 ,但 研究 材料 的 改变 已 经 引发 如 酶 活性 RNA、RNA 编辑 、mRNA 前 AYR. DNA 聚合 酶 等 一 系列 重要 现象 的 发 现 , 它 大 大 推动 了 核 酸 研究 的 发 展 。 核酸 研究 的 第 三 个 动向 是 核酸 与 核酸 、 核 酸 与 其 他 生物 大 分 子 的 相互 作用 越 来 越 引起 人 们 的 重视 。 事 实 上 , 生 物体 内 绝 大 多 数 核酸 自 一 合成 出 来 后 就 一 直 处 于 核酸 与 蛋白 质 、 核 酸 与 核酸 、 核 酸 与 其 他 生物 大 分 子 的 复合 物 中 , 它 的 各 种 生物 功能 也 是 在 各 种 复杂 的 核 蛋 白 体 中 完成 的 。 如 在 基因 转录 的 起 始 过 程 中 , 涉 及 很 多 核酸 与 蛋白 质 、 有 蛋白 质 与 蛋白 质问 的 相互 作用 。 不 同 基因 的 表 达 受 不 同 组 合 有 蛋白 因子 的 协同 调节 控制 。 最 后 一 点 是 , 生 物 科 学 已 经 历 了 从 生物 整体 水 平 研究 向 分 子 水 平 研究 的 转移 , 近 年 来 一 些 研 究 又 开始 从 分 子 水 平 研究 转向 束 体 与 分 子 水 平 研究 结合 的 阶段 。 例 如 果 晶 的 发 育 受 调控 基因 网 络 的 控制 , 一 些 实验 室 正在 以 整体 与 分 子 水 平 研究 结合 的 方式 研究 这 一 问题 。 核 酸 研究 在 这 第 二 次 转移 中 正在 并 将 继续 起 着 先导 的 作用 。 (=) 糖 复合 物 与 生物 膜 糖 的 生化 研究 已 经 历 了 近 一 个 世纪 , 例 如 淀粉 、 麦 荐 糖 、 萄 糖 等 的 结构 , 在 体内 的 消化 吸收 及 氧化 供 能 等 的 研究 都 取得 type 白 、 糖 脂 及 蛋白 多 糖 。 它 们 有 的 履 盖 在 细胞 表面 形成 一 层 糖 被 , 起 着 细胞 闻 的 粘 合 、 识 别 作 用 ; 有 的 存在 于 细胞 间 质 及 血浆 、 关 节 腔 中 , 起 着 润滑 及 稳定 蛋白 质 作 用 ; 它们 还 和 细胞 分 化 、 癌 变 等 密切 相关 。 在 生理 上 的 重要 性 大 大 促进 了 这 方面 的 研究 SF 分 析 方 法 层出不穷 , 并 取得 了 极 大 成 就 。 当 前 主要 问题 仍 有 是 发 据 其 主要 功能 生物 膜 研 究 是 综合 生物 学 、 化 学 及 物理 学 的 跨 学 科 工 程 。 它 的 成 就 已 在 药理 学 、 神 经 生物 学 、 细 胞 生物 学 等 领域 起 到 不 可 佑 量 的 作用 。 | 4a fest OA -BZRBAR, ARIE RBI, LHAA 4a 胞 器 的 膜 , 将 细胞 分 隔 成 许多 功能 区 域 。 生物 膜 的 基本 结构 为 脂 双 层 , 在 通 第 情况 下 均 以 这 种 结构 出 现 。 但 在 某 些 生理 条 件 下 可 出 现 非 脂 双 层 结构 , 如 六 角形 或 微 团 等 。 通 过 生物 膜 结 构 的 研究 , 先 后 出 现 了 “流体 镶 嘱 ”模型 和 “板块 镶 谈 ”模型 。 细胞 所 含 的 蛋白 质 约 有 20 一 25 好 与 生物 膜 结 构 相 连 , 被 称 之 为 膜 蛋白 。 膜 蛋白 结构 的 研究 近年 来 有 所 突破 。 膜 蛋白 结构 的 阐 明 可 推动 对 其 功能 的 深入 了 解 。 这 方面 的 研究 仍然 是 分 子 生 物 学 的 前 沿 和 热点 领域 。 此 外 , 跨 膜 信 息 传 递 的 研究 、 膜 蛋白 与 膜 脂 相互 作用 的 研究 近年 来 均 取 得 不 少 进 展 , 而 且 今 后 会 继续 受到 很 KRKRE. °10° (四 ) 激素 、 生 长 因子 及 癌 基 因 激素 是 沟通 细胞 间 与 器 官 间 的 化 学 信使 , 通 过 内 分 尖 、 自 分 泓 、 淄 分 波 、 和 神经 内 分 泓 等 作用 方式 行使 传讯 功能 , 从 而 使 机 体 组 合成 一 条 列 严密 的 控制 系统 , 调 节 生 命 的 全 过 程 。 生 物 从 受精 卵 开 始 , 生 长 、 发 育 、 成 熟 乃 至 衷 老 , 都 受 激 素 的 影响 和 调节 。 激 素 作 用 的 本 质 和 活动 规律 的 益 明 , 不 仅 对 于 生命 科学 具有 重要 的 ”理论 意义 , 而 且 对 于 人 类 的 内 分 波 疾 病 〈 如 糖尿 病 、 脑 垂体 病 和 甲状 腺 病 等 ) RIEAPLAM 〈 如 心血 管 疾病 、 肿 瘤 、 精 神 疾 痪 等 ) 的 发 病 机 理 、 临 床 诊 断 与 治疗 , 对 于 实现 人 类 计划 生育 及 延 缓 衷 老 均 有 实际 意义 。 动 物 激素 研究 对 于 家 畜 人 饲养 、 鱼 类 增产 , 以 及 植物 激素 研究 对 农业 增产 和 农产品 储存 均 有 广泛 应 用 价值 。 此 外 新 型 激素 及 生物 活性 肽 类 药品 的 研究 也 有 良好 前 景 。 近 20 年 来 , 生 物化 学 在 理论 上 及 技术 上 渐 赵 成熟, 新 肽 类 激 素 的 发 现 层出不穷 。 迄 今 为 止 , 陆 续 发 现 的 胃 肠 肽 类 激素 已 达 40 余 种 , 神 经 肽 有 SORA Co Gk HK, ARIK), AK 肽 类 激素 有 数 十 种 〈 如 心 钠 素 、 血 管 紧 张 素 、 抗 心律 失常 肽 、 内 皮 素 等 ), 肽 类 生长 因子 也 有 50 余 种 〔( 如 表皮 生长 因子 、 血 小 板 衍生 的 生长 因子 、 胰 岛 素 样 生 长 因子 、 成 纤维 细胞 生长 因子 、 神 BARAT) 等 , 此 外 , 还 有 胰 抑 素 、 甘 两 素 、 降 钙 素 基因 相关 tk a fo BF, 与 此 相应 , 肽 类 激素 受 体 结构 与 功能 的 研究 也 进展 迅速 。 体 研究 对 一 些 新 的 生物 分 子 和 新 合成 药物 的 设计 、 评 价 作出 了 很 大 页 献 。 很 多 生物 分 子 和 药物 可 以 利用 与 受 体 结合 的 方法 进行 得 选 , 并 可 以 发 现 新 的 物质 。 例 如 脑 啡 肽 就 是 在 研究 识别 吗啡 的 阿 片 受 体 工作 中 发 现 的 。 人 们 通过 进一步 对 分 子 结构 的 改造 就 有 可 re 能 制 成 镇 痛 效 果 强 而 不 会 成 疯 的 药物 。 大 脑 的 神经 递 质 激 素 和 其 他 物质 的 受 体 与 学 习 、 记 忆 、 思 维和 情绪 等 密切 相关 , 如 脑 中 和 神 经 递 质 或 其 他 活性 物质 的 受 体 脱 教 ,可 引起 机 体 反应 迟滞 和 障 友 。 因此 , 和 神经 兴奋 药 和 它 的 抑制 剂 与 记忆 和 智能 关系 的 研究 , 也 是 受 体 研究 的 重大 课题 之 一 。 国 醇 类 激素 的 作用 在 于 调控 基因 表达 。 激 素 在 靶 细 胞 中 以 高 亲和力 、 专 一 性 地 结合 特定 的 受 体 蛋白 后 , 进 入 细胞 核 与 染色 硕 结合 , 从 而 导致 菜 些 特定 基因 的 激活 或 抑制 。 大 量 的 研究 都 集中 于 各 种 激素 受 体 的 鉴定、 提纯 、 结 构 功 能 分 析 , 以 及 受 激素 调控 的 靶 基 因 的 分 离 与 鉴定 。 最 近 五 六 年 来 , 几 乎 所 有 国 酵 类 激素 受 体 基 因 均 得 以 克隆 和 序列 测定 , 可 以 看 到 它们 的 结构 有 很 大 的 同 te, FG RPS PTI “BBR SARK KR” (steroid receptor superfamily), HARE CHHABRA, CHBPRRE, 维生素 Ds 及 视 黄 酸 等 的 受 体 。 瘤 基 因 的 发 现 是 肿瘤 研究 的 一 个 里 程 碑 , 而 阐明 激素 、 生 长 因子 受 体 与 瘤 基因 及 其 产物 的 关系 是 近年 分 子 生 物 学 和 分 子 肿瘤 学 研究 的 热点 。 近 几 年 来 , 大 量 实验 结果 表明 , 不 同 的 原 瘤 基 因 产 物 都 是 复 杂 的 细胞 信号 转 导 网 络 中 的 组 分 。 在 信号 网 络 中 , 这 些 有 蛋白 质 完 成 不 同 的 功能 , 其 中 包括 : 在 细胞 外 侧 表 现 为 配 体 及 生长 因子 功 能 ; 在 质 膜 中 表现 为 受 体 的 功能 ; 在 胞 质 中 具有 信号 转 导 物 的 作 用 ; 以 及 在 核 中 作为 转录 因子 。 这 些 实 验 提 示 , 即 使 不 是 全 部 , 大 多 数 癌 基 因 的 产物 参与 生长 因子 - 受 体 应 答 途 径 , 由 于 在 这 点 上 的 变化 导致 恶性 转化 。 生长 因子 与 受 体 结合 后 , 通 过 受 体 后 的 信号 传递 , 最 后 导致 特定 的 基因 激活 : 有 蛋白质 生 物 合成 以 及 细胞 的 分 裂 、 增 殖 、 分 化 等 活动 产生 。 目 前 受 体 后 的 信号 传递 途径 的 研究 已 成 为 前 沿 领 域 , 特别 是 生长 因子 和 癌 基 因 产 物 在 信号 传递 中 的 相互 关联 要 是 令 人 注目 。 (A) 分 子 免疫 学 、 分 子 和 遗传 学 及 分 子 病 毒 学 当今 国际 上 分 子 免疫 学 的 主要 课题 是 识别 分 子 (如 抗体 、 细 胞 因子 ) 和 效应 分 子 (如 抗原 、 受 体 等 ) 的 结构 、 功 能 和 基因 的 研究 。 目 前 , 对 抗体 的 结构 以 及 基因 表达 的 全 过 程 已 经 了 解 得 比 较 清 楚 了 。 如 抗体 生成 不 仅 要 有 产生 抗体 的 也 细胞 , CRA T 细 胞 的 参与 ; 组织 或 器 官 移植 要 考虑 两 个 个 体 之 间 是 否 相 容 , 即 所 谓 组 织 相 容 抗原 ; 抗原 -抗体 反应 尚 有 补体 参与 ; 干扰 素 、 白 细胞 介 素 、 肿 瘤 坏 死因 子 是 一 群 调节 免疫 应 答 的 蛋白 质 等 等 。 上 述 内 容 都 是 当今 分 子 免疫 学 的 热门 课题 。 如 何 通过 主动 免疫 预防 诸如 艾滋 病 、 血 吸虫 病 等 严重 危害 人 类 健康 的 疾病 , 当 然 也 是 分 子 免 疫 学 中 重大 课题 。 分 子 遗 传 学 在 分 子 水 平 上 研究 遗 传 与 变异 机 理 。 近 年 来 由 于 重组 DNA 技术 、 聚 合 酶 链 反应 (PCR), DNA 限制 性 片段 多 态 性 (RFLP) fe kik xk $A DNA (RAPD) 方法 的 开发 应 用 , 使 分 子 遗 传 学 研究 发 展 日 新 月 异 。 在 此 基础 上 建立 的 遗传 工程 不 仅 成 为 一 个 新 的 生产 领域 ,同时 又 反 向 促进 了 分 子 遗 传 学 、 生 物化 学 、 细胞 生物 学 等 学 科 的 发 展 。 未 来 发 展 的 一 个 大 趋势 是 反 向 生物 学 , 即 从 内 在 的 基因 入 手 , 研 究 生 物 分 子 的 结构 和 功能 、 编 码 的 蛋白 产物 在 细胞 或 个 体 生命 活动 中 的 作用 , 痔 明 外 观 上 千变万化 的 生 命 现 象 的 本 质 。 分 子 遗 传 学 研究 应 占 这 一 发 展 趋势 的 核心 地 位 。 病毒 学 是 一 门 横 跨 生物 学 、 医 学 和 农学 的 十 分 重要 的 独立 学 科 。 噬 菌 体 的 定量 遗传 研究 曾经 为 分 子 遗 传 学 的 创立 商定 了 基础 。 213° 近 30 年 来 , 随 着 生物 化 学 、 细 胞 学 、 遗 传 学 、 免 疫 学 、 临 床 医 学 和 动 、 植 物 病 理学 的 相互 渗透 , 相 互 促进 , 各 种 物理 、 化 学 新 技 术 和 分 子 生物 学 方法 的 广泛 应 用 , 使 病毒 学 已 经 全 面 进入 分 子 滴 毒 学 阶段 , 并 成 为 分 子 生物 学 前 沿 的 综合 性 学 科 之 一 。 病毒 是 研究 基因 组 结构 和 表达 调控 机 理 的 最 好 模型 。 研 究 反 转录 病毒 发 现 了 反 转 录 酶 , 从 而 修改 补充 了 遗 传 信息 传递 的 “中 心 法 则 ”, 同时 使 cDNA 基因 的 合成 和 异 源 重组 表达 成 为 现实 。 肿 瘤 病 毒 的 研究 导致 了 原 癌 基因 的 发 现 , 使 肿瘤 发 生机 理 研 究 有 了 新 的 突破 。 真 核 病毒 基因 组 结构 和 表达 的 一 条 列 重 要 发 现 , 如 基 因 重 登 、 内 含 子 的 剪辑 、 转 录 后 加 工 、 翻 译 后 修饰 、 增 强 子 等 各 种 顺 式 调控 信号 和 反 式 调控 蛋白 因子 等 等 , 为 阐明 真 核 基因 表达 调控 的 基本 原理 , 带 动 分 子 生物 学 迅速 发 展 起 了 重要 作用 。 现代 临床 病毒 学 研究 表明 , 有 更 多 的 新 病毒 病 正 在 严重 危害 和 威胁 着 人 类 生存 。 据 统计 , 人 和 动物 的 传染 病 约 有 四 分 之 三 是 由 病毒 所 引起 。 谱 多 病毒 病 对 人 类 的 严重 威胁 与 察 察 无 几 的 防治 手段 形成 了 极 鲜 明 的 反差 。 造 成 这 种 局 面 的 主要 原因 之 一 , 就 旦 因为 人 们 对 各 种 病毒 的 分 子 生 物 学 知识 积累 仍 远 远 不 足以 为 防治 病毒 病 提 供 必 要 的 理论 指导 和 可 行 的 技术 手段 。 分 子 病 毒 学 的 发 展 将 为 改变 这 种 状况 作出 重要 的 贡献 。 同 时 以 杆 状 病毒 为 代表 的 无 公 室 病毒 杀 虫 剂 的 开发 应 用 ,以 各 种 病毒 为 载体 的 基因 工程 ,将 为 减轻 虫害 、 改 善 环 境 、 促 进 以 生物 技术 为 支柱 的 高 技术 产业 的 发 展 和 实现 肿瘤 及 遗传 疾病 的 基因 治疗 开创 新 的 途径 。 (六 ) 基因 工程 基因 工程 技术 自 70 年 代 建 立 后 引起 了 科学 界 的 高 度 重 视 , 过 于 是 由 于 用 基因 工程 方法 可 在 体外 榨 人 们 的 要 求 进行 基因 重组 和 基 因 改 造 , 并 通过 各 类 基因 载体 进行 基因 转移 , 打 破 了 基因 重组 和 基因 转移 的 物种 界限 。 以 基因 工程 为 核心 的 分 子 生 物 学 方法 在 生 物 学 研究 中 得 到 广泛 的 应 用 ,几乎 渗透 到 生命 科学 的 各 个 领域 ,成 为 研究 和 揭示 生命 现象 本 质 和 规律 的 一 种 重要 工具 。 另 一 方面 , 基 因 工 程 使 生产 人 体内 源 各 类 细胞 因子 、 激 素 等 活性 多 肽 、 有 蛋白 质 成 为 现实 , 基 因 工 程 产品 已 逐步 发 展 为 生物 技术 产业 中 一 个 重要 的 引 人 注 目的 新 兴 产 业 。 基 因 工 程 的 基础 研究 包括 基因 结构 与 功 能 、 基 因 的 复制 与 表达 、 基 因 分 离 、 仿 成 与 修饰 、 基 因 的 克隆 与 表达 、 基 因 的 转移 、 基 因 产 物 的 后 加 工 等 研究 。20 年 来 基因 工程 基础 研究 不 仅 使 基因 工程 在 理论 上 和 技术 上 上 日趋 完善 , 应 用 范围 不 断 扩 展 , 衍 生 和 发 展 了 蛋白 质 工程 、 途 径 工 程 、 转 基因 动 植物 、 基因 治疗 等 新 研究 领域 , 对 生物 学 和 生物 技术 产业 的 发 展 都 有 深 远 的 影响 。 五 、 我 国生 物化 学 与 分 子 生物 学 的 主要 成 就 和 水 平 估计 我 国生 物化 学 与 分 子 生 物 学 经 过 70 多 年 的 发 展 , 已 具 相 当 规 模 , 中 国生 物化 学 与 分 子 生物 学 会 已 拥有 会 员 六 千 余 人 。 近 年 来 , 我 国 又 建立 了 相当 数量 的 重点 实验 室 , 目 前 的 设备 条 件 与 十 多 年 前 相 比 已 有 很 大 改善 。 如 果 能 够 得 到 充分 利用 , 加 强 设备 维修 和 及 时 补充 更 新 , 则 在 设备 条 件 上 可 说 已 具备 一 定 的 基础 。 目前 我 国生 物化 学 与 分 子 生物 学 的 各 个 主要 分 支 学 科 已 经 基 本 配套 , 原 来 有 基础 的 研究 领域 如 多 肽 与 蛋白 质 、 酶 和 核酸 等 , 研 完 内 容 和 范围 已 在 不 断 扩 大 和 深入 。 更 为 重要 的 是 若干 新 兴 领 域 。15。 如 分 子 遗 传 学 、 分 子 病 毒 学 、 分 子 免疫 学 等 得 到 了 重点 扶植 和 加 强 , 为 今后 的 进一步 发 展 打下 了 较 好 的 基础 。 与 此 同时 , 我 国 已 开展 基因 工程 和 有 蛋白 质 工 程 研究 , 使 我 国生 物化 学 与 分 子 生物 学 APHAALEPHREKA. 在 过 去 10 年 中 ,生物 化 学 与 分 子 生物 学 的 一 些 成 果 , 如 牛 胰 岛 素 及 酵母 两 氨 酸 tRNA 的 人 工 合成 及 序列 的 测定 、 天 花粉 蛋白 一 级 结构 测定 、 胰 岛 素 和 一 些 蛋 白质 晶体 结构 研究 、 酶 修饰 的 动 力学 和 酶 的 结构 与 功能 研究 、 生 物 膜 的 研究 、 光 合作 用 的 研究 、 视 觉 分 子 生理 学 等 等 , 学 术 水 平均 达到 或 接近 了 国际 先进 水 平 , 受 到 国际 生物 化 学 与 分 子 生 物 学 异 的 重视 。 但 从 总 体 上 说 , 我 国生 物化 学 与 分 子 生 物 学 研究 与 国际 先进 水 平 相 比 尚 有 较 大 差距 , 许 多 领域 还 十 分 薄弱 , 某 些 方面 尚 是 空 白 。 六 、 我 国生 物化 学 与 分 子 生 物 学 发 展 的 构想 发 展 战略 必须 根据 学 科 的 国际 发 展 趋势 和 我 国 具体 情况 制 TT 我 国 是 发 展 中 国家 , 又 处 于 经 济 建设 快速 发 展 时 期 , 百 业 待 兴 , 各 行 各 业 都 必须 为 我 国 社会 主义 经 济 保持 长 期 稳定 发 展 作出 贡献 。 生 物化 学 与 分 子 生物 学 也 不 例外 , 要 把 立足 点 转移 到 为 主 战场 提供 服务 , 去 研究 解决 经 济 建设 中 急 待 解决 的 重大 问题 : 因 此 必须 选择 对 国民 经 济 有 重大 关系 的 高 新 技术 加 以 开发 利用 , 国 家 高 技术 项 目 中 有 关 生 命 科 学 的 课题 , 已 充分 体现 了 这 一 构思 。 但 是 , 生 物化 学 与 分 子 生 物 学 又 是 基础 理论 学 科 , 在 当今 生 命 科 学 中 具有 举足轻重 的 地 位 。 应 用 性 课题 如 “863” 项 目 虽然 对 °16° 基础 理论 有 所 促进 , 但 不 可 能 替代 理论 研究 ; 况且 基础 理论 是 高 科技 的 基石 , 由 于 理论 上 的 差距 , 目 前 我 国 在 高 科技 方面 只 能 跟 踪 国 外 , 因 此 应 重视 生物 化 学 与 分 子 生物 学 的 基础 理论 研究 。 多 年 来 , 生 物 科 学 已 经 经 历 了 从 生物 整体 水 平 研 究 向 分 子 水 平 研究 的 转移 , 近 年 来 一 些 研 究 又 开始 从 分 子 水 平 研究 向 生物 分 子 的 组 含义 及 整体 与 分 子 水 平 研究 结合 的 阶段 ,如 氧化 研 酸 化 与 线粒体 , 光合 作用 与 叶绿体 , 有 蛋白 质 加 工 及 转运 与 高 尔 基 体 , 果 蝎 的 发 育 与 调控 基因 网 络 等 等 , 因 此 应 “扬长 创新 ”建立 我 国 自己 的 研究 方向 , 同 时 跟踪 国外 研究 进展 。 基础 理论 研究 需要 经 过 长 期 努力 才能 取得 成 效 , 而 且 由 于 理 论 研 究 念 来 愈 多 地 依赖 于 大 型 仅 器 和 精密 试剂 , 这 就 要 求 国 家 投 入 较 大 的 财力 和 物力 。 但 限于 国家 的 经 济 实 力 , 基 础 研究 经 费 不 可 能 增长 很 快 , 这 就 需要 用 较 少 的 投入 做 出 具有 影响 的 成 果 。 这 是 制订 战略 过 程 中 既 很 困难 又 很 重要 的 。 我 们 不 可 能 期 望 到 2000 年 全 面 赶 超 国际 先进 水 平 , 但 我 们 应 该 能 在 部 分 领域 处 于 国际 先 进 水 平 。 近 10 年 来 , 我 国 已 建设 起 一 批 设备 比较 齐全 的 重点 实验 室 , 由 造 谢 较 高 的 学 术 带 头 人 领导 , 今 后 在 某 些 领域 取得 重大 突破 也 是 完全 有 可 能 的 。 但 另 一 方面 也 应 看 到 , 我 国生 物化 学 与 分 子 生 物 学 研究 面临 经 费 缺 乏 与 人 才 流 失 的 问题 , 国 内 药品 、 生 化 试剂 涨 价 幅度 较 大 , 课 题 组 开展 研究 工作 困难 重重 , 基 础 研究 队伍 又 因 种 种 问题 难以 稳定 , 因 此 急需 制定 对 策 。 GC. 我 国生 物化 学 与 分 子 生 物 学 近期 发 展 重点 根据 我 国 的 实际 情况 , 必 须 确 立 一 个 有 限 目标 。 应 优先 予以 人 考虑 的 重要 领域 有 以 下 几 个 方面 。 (一 ) 生物 分 子 及 其 组 合体 的 化 学 和 三 维 结构 的 研究 (1) 生物 活性 多 肽 的 研究 。 着 重 于 神经 肽 和 免疫 多 肤 的 研究 , 并 努力 发 现 更 多 新 的 生物 活性 多 肽 。 (2) 蛋白质 的 三 维 结构 及 与 生物 功能 关系 的 研究 。 重 点 在 于 完整 、 精 确 、 动 态 地 测定 有 蛋白质 在 溶液 和 晶体 状态 下 的 三 维 结构 , 并 分 析 与 其 功能 的 关系 。 (3) 有 蛋白 质 折 有 登 的 研究 。 主 要 内 容 包 括 体 内 新 生 肽 链 的 折 和 又 和 体外 变性 蛋白 的 重 折合, 以 及 以 氨基 酸 序列 知识 为 基础 的 和 佛 和 白 质 构 条 预测 。 (4) 多 肽 工程 和 蛋白质 工程 。 主 要 内 容 包 括 通过 有 控制 的 基 因 修 饰 和 基因 合成 , 对 现 有 有 蛋白 质 和 多 肽 加 以 定向 改造 , 同 时 设 计 并 最 终生 产 比 自然 弄 已 有 的 性 能 更 加 优 展 、 更 加 符合 人 类 需要 的 蛋白质 和 多 肽 。 (5) 核酸 的 结构 与 功能 研究 。 和 包括 tRNA 的 结构 与 功能 、 核 糖 体 的 结构 与 功能 、DNA 的 复制 、RNA 的 翻译 、 酶 活性 RNA 的 结构 与 功能 、snRNA 的 结构 与 功能 研究 。 对 反 义 核酸 及 酶 活性 RNA 的 应 用 研究 亦 必 须 给 予 足够 的 重视 。 (二 ) 酶 学 研究 (1) 加 强 基础 酶 学 研究 。 包 括 酶 的 分 子 克 隆 和 酶 工程 基础 研 究 ; 酶 的 空间 构 条 与 功能 关系 的 研究 ; 抗体 酶 的 研究 ; 酶 的 定向 设计 研究 等 。 应 注意 选择 生命 现象 中 的 关键 酶 , 特 别 是 一 些 国外 尚未 涉及 或 涉及 不 多 的 酶 进行 研究 。 (2) 适当 安排 应 用 酶 学 研究 。 包 括 酶 在 疾病 诊断 和 治疗 上 的 。1]18 。 应 用 ; 发 展 高 灵 教 度 的 酶 学 测定 技术 ; 用 酶 基因 工程 和 酶 基因 转 移 等 技术 手段 改进 作物 品种 ; 工业 用 酶 的 质量 改善 和 新 品种 开拓 等 。 (3) 重视 酶 工程 研究 。 包 括 开发 高 效 、 稳 定 、 廉 价 的 国 相 载 体 , 研 究 高 效 的 固 相 技术 〈 如 多 酶 体系 的 共 国 相 及 细胞 的 国 相 化 ), 生 物 传 感 器 的 研究 等 。 (三 ) 基因 信息 的 表达 、 调 控 、 传 代 等 的 机 理 研 究 (1) 基 因 表 达 调 控 的 分 子 机 理 。 包 括 核酸 -有 蛋白质 的 相互 作用 , 转录 、 转 译 和 后 加 工 过 程 中 顺 式 元 件 和 反 式 因子 的 作用 等 。 (2) 基因 工程 的 基础 研究 。 应 加 强 基 因 工 程 相关 的 基础 研究 (dob RGR ARAM, LHR, MEE wr, RITA 等 ) 和 关键 技术 (如 基因 体外 操作 和 基因 转移 技术 、 包 涵 体 后 处 理 、 肤 链 再 折合 、 高 密度 培养 技术 等 ) 研究 。 应 结合 我 国 的 资源 和 实际 情况 , 扩 展 基 因 工 程 的 研究 和 应 用 范围 , 并 尽快 建立 我 国 的 基因 库 和 细胞 库 。 (D> 共有 调控 作用 的 生物 分 子 的 化 学 及 其 受 体 的 作用 机 理 研 究 包括 动 植物 激素 作用 机 理 研 究 , 内 分 学生 长 因子 、 生 长 抑 制 因子 等 活性 物质 的 化 学 特性 和 作用 机 理 研 究 。 (A) 生物 分 子 的 组 郊 一 一 生物 膜 的 研究 包括 膜 脂 与 膜 蛋 白 的 相互 作用 , 膜 蛋白 之 加 的 相 至 作用 , 物 质 路 膜 传送, 路 膜 信息 传递 和 脂 质 体 功能 等 研究 。 。 1] 9 。 A) 一 些 跨 学 科 的 研究 (1) 分 子 病 毒 学 为 尽快 改变 我 国 在 分 子 病毒 学 研究 中 基础 薄弱 、 空 白领 域 多 、 与 国际 水 平 差距 较 大 的 现状 , 选 择 的 优先 支持 项 目 , 必 须 密切 结 合 我 国 病毒 的 防治 、 高 技术 产业 和 分 子 生 物 学 发 展 的 需要 。 因 此 , 应 支持 的 前 沿 课题 有 : 已 肝病 毒 基因 组 的 复制 和 基因 表达 调控 及 新 型 基因 工程 疫苗 的 研制 ;爱滋病 病毒 的 分 子 诊断 技术 与 防治 ; 状 病毒 基因 的 转录 调控 和 载体 表达 系统 的 改进 与 开发 ;基因 工程 病毒 疫苗 ; 肿瘤 病毒 的 致癌 机 理 ; AMREGDTABESRA 毒 转基因 植物 等 。 (2) 分 子 免疫 学 包括 MCV 多 态 性 以 及 与 工 细 胞 选择 的 关系 ; 免疫 系统 的 分 子 识别 一 免疫 球 蛋白 和 工 细 胞 抗原 受 体 的 研究 ; 补体 活化 的 分 子 机 理 及 其 控制 ; 细胞 因子 及 其 受 体 的 结构 与 功能 研究 等 。 八 、 战 略 措施 与 政策 建议 (1) 在 国家 现 有 财力 条 件 下 , 自 然 科 学 基金 经 费 不 可 能 有 大 幅度 增长 。 然 而 基础 研究 急 须 扶 持 与 发 展 , 这 就 需要 有 正确 的 战 略 措施 与 政策 。 生 物化 学 与 分 子 生物 学 是 当代 生物 学 发 展 最 迅速 并 且 最 有 活力 的 一 个 分 支 , 起 着 带头 学 科 的 作用 , 生 物 学 的 其 他 分 支 都 需要 运用 生物 化 学 与 分 子 生 物 学 的 概念 与 方法 , 化 学 、 物 理学 以 及 数学 、 计 算 科学 也 都 在 向 它 渗透 , 它 的 发 展 还 促进 了 生 物 技术 的 发 展 。 因 此 , 必 须 对 生物 化 学 与 分 子 生物 学 学 科 给 予 足 够 重视 , 并 在 经 费 上 给 予 重点 支持 。 。D0 。 (2) 抓 住 国 际 前 沿 课题 , 组 织 协作 , 在 明确 的 目标 与 阶段 目 标 下 , 稳 定 地 支持 一 段 较 长 的 时 期 。 (3) 组 织 的 重大 项 目 必须 考虑 到 先进 性 和 可 行 性 , 选 择 的 子 课题 既 要 注意 学 术 意 义 , 又 要 彼此 间 有 有 机 的 联系 。 在 经 费 上 切 实 加 强 资助 强度 。 同 时 应 充分 发 挥 这 头 单位 的 积极 性 与 责任 心 , 使 其 有 责 有 权 而 对 基金 委 负责 , 起 到 检查 督促 的 作用 。 应 避免 过 分 依赖 大 型 仅 器 , 但 要 保证 常规 仪器 设备 的 先进 性 。 协 作 单 位 应 优 势 互补 。 实 施 过 程 中 应 减少 报表 , 组 织 真 正 的 交流 。 (4) 基金 委 通 过 几 年 来 的 实 或 , 已 对 有 关 院 校 和 研究 所 实验 室 的 水 平 、 作 风 有 比较 深入 的 了 解 。 应 在 这 个 基础 上 采取 分 级 管 理 , 依 此 委托 他 们 承担 不 同 大 小 及 水 平 的 课题 。 (5) 加 强国 际 合作 与 交流 , 争 取 与 国外 基金 会 共同 支持 合作 研究 。 对 于 一 般 性 的 访问 与 国际 会 议 宜 从 严 掌 握 。 (6) 基金 支持 的 相近 的 课题 应 尽量 采用 不 同系 统 (AMZ). 支持 一 些 课 题 从 不 同 角度 进行 研究 ,也 会 使 整体 水 平 有 个 飞跃 。 基 金 委 应 在 宏观 上 加 以 协调 , 而 不 是 仅仅 接受 申请 与 讨论 申请 。 。21 。 1 生物 化 学 与 分 子 生 物 学 的 兴起 与 发 展 生物 化 学 与 分 子 生 物 学 是 生命 的 化 学 。 化 学 研究 原子 和 分 子 的 结构 .性质 及 其 相互 作用 , 生物 学 研究 生物 有 机 体 的 结构 和 功能 , 生 物化 学 与 分 子 生 物 学 则 是 化 学 和 生物 学 之 间 交 叉 而 形成 的 一 门 独立 学 科 。 1.1 生物 化 学 发 展 简 史 在 18 世纪 的 化 学 家 中 最 早 研究 生物 化 学 现象 的 当 推 法 国 的 拉 沃 依 塞 尔 〈Lavoisier, 1743 一 1794) 。 他 第 一 个 证 明 动 物 身 体 的 发 热 是 由 于 体内 物质 氧化 所 致 。( 动 物 摄 入 氧 , 将 食 物 在 体内 氧化 , 产生 水 和 CO:, 同 时 放出 热 。 吸 ASS F IH CO, 的 过 程 即 为 呼吸 作用 。) 18 tH se IO 。 纪 后 期 , 科 学 界 出 现 了 生机 论 的 唯心 论 观点 , 认 为 有 机 物 中 有 “后 活力 ”, 这 是 不 可 知 和 无 法 研究 的 。 直 至 1828 年 , 沃 赫 莱 (Wolhler , 1800—1882) 在 实验 室 中 将 无 机 化 合 物 氰 酸 乌 CNCON- H,) 合成 为 公认 的 有 机 化 合 物 尿 素 (H:N-CO-NH:)。 这 使 得 生机 论 者 受到 了 第 一 次 打击 。 生物 化 学 在 19 世纪 的 发 展 , 为 20 世纪 前 60 年 的 研究 非 定 了 基础 , 如 食物 中 主要 营养 物质 一 一 糖 、 蛋 白质 、 脂 类 及 其 新 陈 代 谢 的 意义 的 提出 (Liebig,1803 一 1873) , 酶 的 发 现 \Easteur,1822 1895), 营养 学 的 发 展 〈 必 需 氨基 酸 、 维 生 素 及 矿物 质 在 营养 上 的 重要 性 的 阐明 等 ) (Hopkins, 1861—1947), 蛋白 质 的 氨基 酸 组 成 、 单 糖 结构 的 提出 (Fischer, 1852—1919) 等 。 世 界 上 第 一 种 生物 化 学 学 报 一 《生理 化 学 学 报 》 (Zeitschrift fir Physiologische Chemie) 亦 于 1877 年 应 运 而 生 。 生物 化 学 从 此 进入 了 正常 的 发 展 壮大 时 期 。20 世纪 前 60 年 的 进展 , 使 生物 化 学 进入 了 更 成 熟 、 发 展 更 迅速 的 阶段 。 其 中 重要 的 , 如 证 明 酶 的 化 学 性 质 是 蛋 昌 质 (Summer, 1926), 许多 代谢 途径 的 阐明 ,生物 能 研究 的 进展 , 重 白质 二 级 结构 的 提出 (Pauling & Corey, 1951), 胰岛 素 分 子 的 51 个 氨基 酸 序列 的 确定 (Sanger,1953),DNA 双 螺 旋 结 构 的 发 现 (Watson & Crick ,1953), 原核 细胞 基因 表达 调控 的 前 明 (Jacob & Monod, 1961), 应 用 久 Bee Ay BULLE A RAE A a 的 三 维 结构 (Kendrew & Perutz, 1963) 等 。 自 此 以 后 , 生 物化 学 与 分 子 生物 学 的 发 展 更 是 一 日 千里 , 成 为 生命 科学 中 最 具 活 力 的 学 科 。 © 23° | 1.2 分 子 生 物 学 源 于 生物 化 学 自从 1953 ERR (Watson) Mee Hoe (Crick) 报告 DNA 双 螺旋 结构 以 后 , 使 遗传 、 蛋 白质 生物 合成 等 生命 现象 中 的 重大 问 题 , 可 以 在 分 子 水 平 上 加 以 剖析 , 于 是 产生 了 以 此 为 核心 的 分 子 生物 学 。 但 时 至 今日 其 含义 已 大 为 扩展 , 成 为 研究 生物 大 分 子 结 构 与 功能 以 阑 明 生命 现象 的 一 门 学 科 。 它 包括 两 部 分 内 容 ; 即 分 子 遗 传 学 和 分 子 生 理学 .分子 遗 传 学 是 从 分 子 水 平 解释 遗传 现象 。 DNA 的 核 苷 酸 序列 中 储存 着 遗传 信息 (基因 组 ), 基因 组 的 结构 、 复制 、 转 换 、 修 复 、 变 异 以 及 控制 基因 表达 的 各 个 元 件 , 蛋 白质 生物 合成 等 都 是 其 主要 研究 内 容 , 目 前 又 发 展 到 生物 学 的 一 些 基 本 现象 , 如 发 生 、 分 化 、 进 化 、 老 化 以 及 免疫 等 。 分 子 生理 学 是 从 分 子 水 平 研究 与 剖析 生理 现象 , 研 究 对 象 包括 细胞 器 , 如 线 粒 体 、 肌 肉 细胞 、 神 经 细胞 、 细 胞 膜 等 等 。 而 生理 学 的 中 心 内 容 是 在 脏 器 水 平 上 研究 消化 、 吸 收 、 运 动 、 感 觉 、 物 质 输 送 、 兴 奋 伟 导 等 。 1.3 从 分 子 水 平 研究 生命 现象 有 机 体 从 外 观看 千差万别 , 种 类 繁多 , 但 从 生物 化 学 与 分 子 生物 学 探究 , 其 遗传 信息 的 传递 、 核 酸 与 蛋白 质 的 基本 结构 与 功 能 , 几 乎 完全 相同 。 机 体内 的 生物 化 学 反应 即 所谓 代 谢 通路 以 及 催化 这 些 反应 的 酶 的 结构 和 催化 性 质 等 都 十 分 相似 , 一 些 基 本 代 谢 过 程 则 近 于 同一 模式 。 这 些 事实 说 明 , 生物 界 的 物种 二 于 万 万 , 但 从 分 子 水 平 上 , 从 病毒 、 细 菌 到 人 类 都 是 如 此 的 相似 , 因 此 分 。24 。 7 子 水 平 的 研究 正 是 了 解 生命 现 象 的 本 质 所 在 。 由 于 近年 来 物理 学 、 化 学 和 生物 学 新 技术 的 不 断 发 展 和 应 用 , 使 得 生物 化 学 与 分 子 生物 学 的 发 展 异 常 迅速 , 并 渗透 到 生命 科学 的 各 个 领域 , 成 为 生命 科学 领域 中 的 带头 学 科 和 热点 。 1.4 中 国 旱 期 生物 化 学 的 发 展 郑 集 教 授 在 他 所 著 《 中 国 早 期 生物 化 学 发 展 史 》 一 书 中 作 了 详尽 综述 , 书 中 收集 了 大 量 文献 资料 。 该 书 列 出 的 33 名 中 国 早期 生化 学 家 中 有 25 人 主要 从 事 或 曾 从 事 营 养 学 研究 ,有 少数 学 者 从 事 蛋 白质 、 发 酵 、 代 谢 、 医 学 生化 等 研究 。 中国 营养 学 会 早 在 1945 年 就 正式 成 立 , 而 生物 化 学 学 会 虽 在 40 年 代 后 期 开始 筹办 , 但 直 到 1978 年 才 正 式 宣 告 成 立 。 由 此 可 见 我 国 老 一 磋 生物 化 学 家 曾 在 营养 学 上 作出 过 重要 贡献 。 著 名 的 生物 化 学 家 吴 宪 (1893— 1959) 堪 称 中 国生 物化 学 的 更 基 者 。 他 在 血液 分 析 、 蛋 白质 变性 、 食物 营养 和 免疫 化 学 等 四 个 领域 中 都 作出 了 重要 贡献 , 并 培养 了 多 名 生化 学 家 如 刘 思 职 、 陈 同 度 等 。 新 中 国 成 立 以 来 的 40 余年 ,生物 化 学 与 分 子 生 物 学 研究 队伍 迅速 扩大 , 至 1991 年 中 国生 物化 学 学 会 会 员 已 达 6300 人 人, 他们 都 是 具有 中 级 职称 以 上 的 生化 和 分 子 生物 学 工作 者 。 在 研究 工作 上 也 取得 了 一 批 很 高 水 平 的 成 果 , 如 人 工 合成 胰岛 素 和 酵母 两 氨 酸 tRNA 等 ,建立 了 一 批 具 有 国际 水 平 的 实验 室 和 研究 所 。 在 此 , 我 们 不 能 忘记 在 建国 初期 一 批 留学 国外 、 学 有 所 成 的 生物 化 学 学 者 怀 着 满腔 的 爱国 热情 , 回 到 当时 还 十 分 贫困 落后 的 祖国 , 以 他 们 对 科学 的 执著 , 撒 下 了 近代 生化 的 种 子 , 并 且 培 养 出 了 一 大 批 人 才 。 目 前 我 国 与 先进 国家 相 比 ,生化 队伍 尚 嫌 太 小 ,科研 经 费 不 足 。 © 256 一 一 ~ 相信 随 着 经 济 的 发 展 , 我 国 的 生物 化 学 事业 一 定 会 显 出 莲 过 生机 E 5 和 作 切 作 学 导 分 子 和 人 生物 学 的 主要 上 内容 生物 化 学 与 分 子 生 物 学 领域 虽然 很 宽 , 但 就 其 主要 内 容 则 可 归纳 为 如 下 帮 个 方面 : 1) 生物 分 子 及 其 组 合体 的 化 学 与 三 维 结构 的 研究 , 以 及 结构 与 功能 之 间 的 关系 。 2) 蛋白 质 功能 的 研究 , 例 如 酶 促 作 用 ,, 受 体 识别 , 分 子 间 专 一 性 结合 的 机 理 ; 信息 通过 受 体 本 身 或 通过 分 子 间 的 作用 而 传递 的 机 理 。 : 3) 基因 的 表达 、 调 控 、 传 代 等 的 机 理 。 4) 生物 分 子 的 合成 和 组 装 。 5) 细胞 分 裂 和 繁殖 的 生物 化 学 过 程 及 控制 机 理 。 6) 细胞 及 组 织 的 生长 、 分 化 、 训 老 的 分 子 基础 。 生物 化 学 与 分 子 生 物 学 是 当前 各 学 科 中 发 展 最 为 迅速 的 学 科 .。 它 的 迅速 发 展 一 方面 得 益 于 化 学 、 物 理学 、 数 学 和 电子 技术 、 计算 机 技术 等 学 科 内 的 新 理论 、 新 技术 、 新 方法 向 生物 学 的 广泛 渗入 和 应 用 ;, 另 一 方面 亦 由 于 生物 化 学 与 分 子 生 物 学 的 原理 和 技 术 向 生物 学 其 他 领域 的 广泛 渗透 。 由 此 而 发 展 产生 许多 新 的 领域 、 学 科 和 形成 一 些 高 新 技术 , 如 分 子 遗传 学 、 分 子 病 毒 学 、 分 子 药 理学 、 基 因 工 程 、 蛋 白质 工程 、 酶 工程 、 生 物 传感器 、 生 物 芯 片 等 。 这 种 广泛 的 渗透 仍 在 不 断 进 行 中 。 因 此 , 企 图 全 面 而 无 遗漏 地 讨论 本 学 科 的 发 展 是 困难 的 。 这 里 仅 讨论 本 学 科 发 展 中 最 主要 的 一 些 分 支 领 域 , 内 容 偏 重 于 本 学 科 中 的 基础 研究 及 部 分 应 用 基 础 研究 方面 。 。26 。 2 EM tCFSn TEMS WARES 2.1 生命 科学 的 未 来 与 希望 生物 化 学 与 分 子 生 物 学 是 生命 科学 中 的 一 个 非常 重要 的 学 科 领 域 , 它 代表 了 生 命 科 学 的 未 来 与 希望 。 回 顾 本 世纪 初 , 生 物 学 分 科 十 分 细 , 各 学 科 所 讨论 的 领域 彼 此 间 界 限 甚 是 分 明 , 例如 解剖 学 、 细 胞 学 、 微生物 学 、 病 理学 、 生 理学 、 药 理学 等 , 各 自 都 有 明确 的 学 科 边 界 。 但 是 到 了 20 世纪 未 期 的 今天 ,学 科 间 的 界限 变 得 模糊 不 清 , 方法 学 上 相互 运用 , 理 论 上 彼此 借鉴 , 大 家 有 了 共同 的 语言 。 这 是 因为 生命 科学 家 都 在 用 化 学 的 和 物理 的 方法 、 手 段 和 理论 。27 。 去 探讨 生命 现象 中 的 诸多 问题 。 目 前 生物 学 家 已 有 了 共识 : 只 有 把 维系 生命 现象 的 过 程 如 同 研究 化 学 反应 一 样 去 研究 它 ,理解 它 , 才 有 可 能 从 分 子 水 平 揭示 生命 现象 的 本 质 , 这 是 生命 科学 发 展 的 必然 趋势 。 诸 如 分 子 细胞 生物 学 、 分 子 生 理学 、 分 子 免疫 学 、 分 子 药理 学 、 分 子 病毒 学 等 无 不 以 分 子 为 研究 对 象 , 甚 至 像 寄生 由 学 这 样 的 学 科 也 要 借助 生化 理论 与 手段 去 开发 诊断 与 防治 办 法 。 遗传 现象 以 往 一 直 可 见 而 不 可 知 。 运 用 经 典 遗 传 学 方法 可 以 得 出 遗传 规律 , 但 讲 不 清 内 在 机 理 。 自 从 发 现 了 核酸 , 遗 传 现 象 不 再 扑朔迷离 , 遗 传 性 状 可 以 通过 变异 和 物种 间 基 因 转移 而 改变 。 由 LAY OL, 从 分 子 水 平 去 研究 生命 现象 可 以 抓 住 问题 的 本 质 。 当然, 基础 理论 上 的 重大 发 现 和 构思 巧妙 的 方法 结合 应 用 于 解决 实际 问 题 是 非常 重要 的 。 近 年 来 生物 技术 应 用 于 医学 如 糖尿 病 、 肿 瘤 、 代 谢 性 疾病 等 等 已 开辟 出 新 的 诊治 途径 。 人 的 心理 状态 和 行为 往往 被 认为 是 由 意识 及 潜意识 所 支配 , 事实 上 这 些 也 都 是 一 定 物质 作用 的 结果 。 心 胜 和 肝 的 功能 已 能 用 化 学 语言 去 阐明 ;有 关 脑 的 退行 性 疾病 的 化 学 基础 目前 也 已 有 初 步 结果 ; 脑 细 胞 的 再 生 也 因 一 些 生长 因子 的 发 现 而 成 为 可 能 。 最 近 又 有 报道 称 动物 的 性 行为 是 受 催产 素 所 调节 和 控制 , 至 少 催产 素 在 性 行为 中 起 着 不 可 忽视 的 主导 作用 。 被 称 为 21 世纪 热点 的 神 经 生物 学 , 由 于 人 们 开始 从 分 子 水 平 进行 研究 而 变 得 更 有 前 途 。 核酸 的 复制 、 转 录 、 修 复 和 重组 的 研究 成 果 促 进 了 生物 工程 技术 的 发 展 , 并 使 生物 工程 渗透 到 医药 工业 、 食 品 工业 、 畜 牧 业 、 农业 等 各 个 领域 。 28 。 2.2 高 速 发 展 趋势 50 年 代 以 来 , 生 物化 学 与 分 子 生物 学 取得 了 举世 瞩目 的 成 就 , 解 决 了 生物 学 中 许多 重大 问题 。 如 核酸 的 双 螺 旋 结 构 、 核 酸 复制 、 遗 传 密码 、 遗 传 的 中 心 法 则 等 。 病 毒 闻 转录 酶 的 发 现 , 更 加 速 了 基因 工程 技术 的 现实 可 行 性 。 蛋 白质 的 纯化 方法 及 结构 分 桥 的 快速 发 展 、 激 素 受 体 学 说 、 信 息 传 递 的 第 二 信使 的 发 现 等 等 , 都 使 生命 科学 上 了 一 个 新 台阶 。 因 此 , 几 乎 每 年 的 诺 贝 尔 医学 与 生理 学 奖 以 及 若干 诺 贝 尔 化 学 奖 都 颁发 给 了 从 事 生 物化 学 与 分 子 生物 学 的 科学 家 。 他 们 的 贡献 在 生命 科学 历史 上 留 下 了 光辉 的 一 页 。 这 些 发 明 创造 影响 着 生命 科学 的 各 个 领域 , 同 时 也 为 它 今后 的 发 展 色 勾画 出 了 前 进 的 方向 。 目前 已 是 20 世纪 的 最 后 几 年 , 即 将 进入 新 的 世纪 。 可 以 预见 ,21 世纪 的 生物 化 学 与 分 子 生物 学 更 加 会 充满 生机 , 并 将 继续 影响 生命 科学 的 各 个 领域 。 在 此 , 我 们 无 法 介绍 本 学 科 涉及 的 全 部 内 容 , 而 只 能 以 生物 大 分 子 为 主线 ,并 述 其 发 展 趋 势 。 。29 。 ee ee RT ch RE -一 nn 3 EM CFDS EOS HRRAMK 3.1 看 白质 化 学 .3.1.1 和 蛋白质 的 三 维 结构 与 功能 。30 。 蛋白 质 的 功能 丰富 多 样 , 诸如 运动 、 消 化 、 吸收 、 信 息 传递 无 一 不 是 蛋白 质 功能 的 表现 。 如 果 没 有 一 个 基本 原理 去 解释 这 众多 功能 的 现 象 , 则 有 可 能 陷入 被 各 种 功能 现象 的 描述 所 淹 没 而 迷失 方向 的 危险 。 过 去 用 严 谭 的 物理 学 和 化 学 理论 以 及 强 有 力 的 实验 技术 揭示 了 小 分 子 物质 的 性 质 与 功能 , 同 样 , 也 应 该 能 推导 和 预 测 像 蛋白 质 那样 复杂 大 分 子 的 性 质 , 最 终了 解 恒 白 质 的 结构 与 功能 。 (1) 蛋白质 一 级 结构 的 基础 。 和 氨基酸 的 线性 序列 的 测定 是 蛋白 质 研 究 在 这 方面 , 过 去 40 年 已 有 长 足 进展 , 其 分 析 技 术 已 经 达到 极 微量 水 平 :10 一 100 pmol 样品 足以 分 析 数 个 N 末端 氨基 酸 序列 和 氨基 酸 组 成 ; 100 一 200 pmol 样品 可 以 作 肽 链 的 指纹 图 或 HPLC 谱 、 氨 基 酸 序列 和 质谱 分 析 , 从 中 还 可 获得 许多 重要 信息 ; 100 一 1000 pmol 足以 测定 全 部 (90% 以 上 ) 的 氨基 酸 序列 , 包括 多 个 肽 图 和 翻译 后 修饰 。 质谱 的 应 用 是 近 十 年 来 多 肽 分 析 的 又 一 新 的 分 析 手 段 , 其 中 应 用 最 广泛 的 是 快 原子 色 击 质谱 (FAB/MS)。 用 此 方法 ,多 肽 不 iil MTA BRET RM, APPR GI kee BPR GE) 产生 质子 化 的 分 子 离子 。 在 高 磁场 下 能 够 扫描 10000 m/z, 即 可 分 析 大 多 数 多 肽 片段 。 能 测 出 质量 在 1000 以 下 的 多 肽 结构 式 , 其 准确 度 可 达 1 一 10000 质量 数 。 足 以 分 辨 一 COOH 和 一 CONH: . 灵敏 度 可 达 几 个 pmol, 能 与 微量 序列 分 析 及 氨基 酸 组 分 分 析 相 匹敌 。 此 外 , 结构 测定 是 根据 测 出 的 质量 数据 , 没有 鉴别 化 学 本 生物 〈 一 般 质 谱 ) 或 测定 保留 时 间 CHPLC) 等 复 杂 步 又 。 随 着 数据 的 积累 , 可 以 很 容易 地 定 出 结构 式 以 及 翻译 后 转录 等 信息 。 现 在 新 的 质谱 仪 和 新 的 进 样 方式 以 及 更 灵敏 的 检测 手段 还 在 不 断 开 发 , 质 谱 仪 也 在 不 断 更 新 。 编码 蛋白 质 基因 的 分 子 克 隆 技术 以 及 快速 DNA 序列 分 析 的 建立 , 是 蛋白 质 结构 分 析 的 又 一 有 力 分 析 手 段 。 人 们 一 度 认 为 从 此 可 跳 过 复杂 的 氨基 酸 序 列 分 析 ,但 是 蛋白 质 往往 有 翻译 后 修饰 , 我 们 不 能 从 DNA 序列 中 获知 这 方面 的 信息 。 此 外 , 初步 的 蛋白 质 结构 信息 是 鉴定 基因 的 基础 , 由 重组 DNA PEM KERR AI, 又 。 31 。 i y ee Ga Souter 3 oe T 可 检验 测 得 氨基 酸 序列 的 正确 性 。 事 实 上 , 现 代 蛋 白质 结构 分 析 和 分 子 遗 传 学 是 相辅相成 的 。 目前 的 序列 分 析 都 从 N 未 端 开始 , 如 果 能 开发 出 C 未 端 开 始 的 氨基 酸 序列 分 析 , 将 有 助 于 对 序列 的 了 解 , 也 可 不 必 对 从 新 生 蛋白 质 到 成 熟 蛋 白质 加 工 过 程 进行 猜测 。 国 内 用 羧 肽 酶 降解 羧基 端 氨基 酸 以 测定 其 序列 , 已 取得 了 若干 经 验 。 除 酶 法 以 外 , 尚 可 用 硫 氰 酸 等 化 学 法 。 | ! 目前 已 有 的 序列 分 析 方法 正在 进一步 微量 化 和 联机 化 , 例 如 毛细 管 电泳 仪 与 序列 分 析 仪 联机 以 及 用 荧光 标记 以 提高 检测 的 灵 敏 度 等 。 由 于 分 析 方法 快速 可 靠 , 可 以 积累 大 量 数据 , 并 由 计算 机 奸 立 起 有 效 的 数据 库 。 一 些 未 知 功能 的 蛋白 质 通过 与 其 他 性 白 质 之 间 的 氨基 酸 序列 比较 , 而 得 到 有 用 的 信息 。 例如 癌 基 因 sis 编码 的 蛋白 , 经 比较 发 现 它 与 血小板 产生 的 生长 因子 PDGF 非常 相似 , 并 且 也 具 促进 生长 的 作用 。 再 如 热 休 克 和 蛋白 分 子 中 有 一 段 氨基 酸 序列 与 ATP 酶 分 子 中 的 一 个 片段 亦 很 相似 , 即 所 谓 同 源 性 , 后 来 证 明 热 休 克 蛋 白 确实 具有 ATP 酶 作用 。 许 多 Cas+ 结 合 蛋白 都 有 同 源 的 氨基 酸 片 眉 。 这 样 就 产生 了 一 个 新 概念 一 一 蛋 白质 结构 家 族 。 我 们 可 以 根据 蛋白 质 的 同 源 性 确定 其 应 属 哪 一 个 蛋白 质 结构 家 族 , 并 可 推测 其 功能 。 若 某 一 蛋白 质 的 结构 中 含有 信和 号 肽 , 我 们 可 以 预测 是 膜 蛋白 , 若 其 结构 中 有 核酸 结合 序列 , 我 们 可 以 推 测 此 蛋白 可 能 结合 DNA 或 RNA 等 等 。 (2) 重 白质 三 维 结构 描绘 出 蛋白 质 分 子 中 每 一 原子 的 空间 位 置 \ 相 , 邻 关系 及 电子 云 密度 蛋白 质 三 维 结构 测定 , 除 了 X 射线 晶体 学 以 外 ,近年 又 发 展 。32 。 了 核磁 共振 (NMR) 技术 。 虽 然 目 前 核磁 共振 能 测定 的 蛋白 质 的 分 子 量 较 小 〈20kD 以 下 ) , 但 此 方法 有 其 不 可 替代 的 优点 : 它 可 以 测定 在 溶液 中 的 样品 。 因 为 蛋白 质 在 溶液 体系 中 更 接近 于 生理 状态 , 而 且 用 核磁 共振 方法 无 需 使 蛋白 质 结 晶 , 而 结晶 往往 是 很 难 的 。 核 磁 共 振 谱 能 给 出 蛋白 质 三 维 结构 的 指纹 图 谱 , 这 是 早已 知道 的 事 , 但 其 作为 测定 蛋 白 质 结构 的 一 种 有 力 方 法 , 是 在 许多 领域 取得 进展 之 后 才 得 以 实现 。 如 超 导 磁 技术 的 成 就 , 产 生 了 今 日 的 500 及 600 MHz 核磁 共振 仪 ; 2DNMR 分 辩 蛋 白质 群集 的 !H 谱 ; 结构 较为 松弛 的 蛋白 质 构象 计算 机 计算 的 NMR 谱 等 。 自从 1960 年 X 射 线 衔 射 技术 成 功 地 应 用 于 蛋 日 质 结构 分 析 以 来 ,, 它 仍然 是 提供 分 子 结构 高 清晰 图 象 的 方法 。 对 于 小 至 NaCl 晶体 ,大 至 病毒 晶体 ,X 射线 衍射 技术 都 能 确切 地 显示 其 中 的 原子 排 布 和 电子 云 密度 。 目 前 已 经 收录 到 数据 库 的 蛋白 质 唱 体 结构 已 超过 400 个 。 随 着 基因 克隆 生产 足够 量 的 蛋白 质 , 可 以 预计 将 会 获得 更 多 的 蛋 晶 质 , 包 括 它 们 的 基因 突变 产物 的 晶体 结构 。 就 方法 学 而 论 , X 射线 衍射 技术 从 结晶 制备 、 数 据 收集 、 相 位 测定 、 制 图 到 结果 判断 都 尚 在 不 断 发展 之 中 , 新 的 计算 方法 和 仪 器 的 不 断 出 现 , 都 大 大 提高 了 此 项 技术 解析 蛋白 质 结 构 的 能 力 。 蛋白 质 三 维 结构 测定 加 深 了 对 现代 生物 化 学 中 两 个 中 心 问题 的 理解 : 首先 , 通 过 对 蛋白 质 折 丢 的 分 析 , 得 知 氨基 酸 序列 与 三 维 结构 之 间 的 关系 ; 其 次 , 三 维 结构 是 分 子 识别 及 配 体 和 和 蛋白质 分 子 间 结合 的 分 子 基 础 。 此 外 在 分 子 组 装 、 药 物 设计 、 多 肽 合成 设计 、 蛋 日 质 的 结构 与 其 稳定 性 及 功能 关系 等 方面 , 蛋 日 质 三 维 结构 的 测定 也 是 非常 有 意义 的 。 总 之 , 蛋 日 质 三 维 结构 的 研究 有 助 于 了 解 蛋 日 质 是 如 何 发 挥 作用 的 。 下 面 再 举 几 项 近年 发 表 的 重要 成 果 : 紫 菌 光合 反应 中 心 ° 33° a ey LR Ne 一 A Ne 是 镶嵌 在 膜 中 的 蛋白 质 ,其 三 维 结构 于 1987 年 被 测 出 。 这 是 个 含 四 个 蛋白 质 分 子 的 复合 物 , 能 将 光 能 转化 为 跨 膜 的 电势 梯度 。 得 出 的 三 维 结构 显示 出 电子 通过 蛋白 质 穿 过 光合 成 膜 的 途径 ;又 如 , 免疫 系统 中 的 抗原 抗体 复合 物 于 1986 年 第 一 次 被 测定 出 来 ,这 一 结构 的 直接 测定 , 使 我 们 开始 了 解 到 有 关 免 疫 系统 是 如 何 识别 及 摧毁 外 来 分 子 的 基本 信息 ;再 如 , 在 药物 设计 上 运用 蛋白 质 三 维 结构 所 提供 的 信息 ,已 合成 了 像 抗 高 血压 药 Captopril 及 抗菌 增 效 剂 三 甲 氧 革 二 氨 喀 啶 等 。 由 此 可 见 , 如 何 从 三 维 结构 所 提供 的 信 息 , 去 了 解 蛋 白质 发 挥 功能 的 机 理 , 以 及 应 用 这 些 信息 去 开发 新 药物 , 这 是 值得 我 们 今后 重视 的 课题 。 (3) Ak aT BS Zaye (Anfinson) HRRERBEAE ARTAHARS 验 , 说 明 氮 基 酸 序列 决定 了 有 蛋 日 质 的 高 级 结构 。 蛋 白质 复 性 过 程 有 的 需要 十 多 小 时 , 有 的 则 不 到 一 秒 钟 。 如 果 由 奈 个 残 基 组 成 的 多 肽 , 就 可 以 有 10" 种 以 上 构 型 。 在 如 此 之 多 的 可 能 性 中 , 最 后 只 可 能 形成 一 种 天 然 的 稳定 构 型 , 其 中 如 果 没 有 一 种 规律 起 作用 是 不 可 想象 的 。 过 去 数 十 年 来 , 许 多 生物 化 学 家 一 直 为 此 而 努力 探 索 , 提 出 了 各 种 肽 链 折 硬 的 可 能 途径 。 其 中 有 一 途径 与 近年 克 里 ti (Creighton) 对 牛 胰 和 蛋白 酶 抑制 剂 (58 肽 ) 的 实验 结果 相 吻 合 : 不 规则 的 多 肽 链 首先 在 局 部 形成 短 的 oc BREA BH. FHWA 核心 逐渐 形成 较 大 的 稳定 结构 结构 域 (domain) , 结构 域 一 般 不 超过 200 个 氨基 酸 残 基 。 有 多 个 结构 域 的 蛋 日 质 , 其 结构 域 之 间 形 成 较为 松散 的 结构 , 再 经 芯 水 程度 的 调整 , 芯 水 基 团 转 疝 内 部 , 折 县 成 蛋白 质 的 三 级 结构 。 其 间 有 一 些 酶 参与 , 如 二 硫 键 异 构 酶 和 肽 酰 - 且 所 酰 顺 反 异 构 酶 识别 并 纠正 不 正确 的 结构 。 gas 蛋白 质 在 粗糙 内 质 网 系 合成 时 , 肽 链 的 折 县 受到 如 引导 肽 的 存在 、 肽 链 与 膜 的 相互 作用 、 侧 链 的 修饰 等 诸多 因素 影响 。 近 年 来 发 现 相 当 多 的 新 生 肽 在 细胞 内 的 正确 折 丢 需要 有 辅助 折 重 的 重 白质 一 一 分 子 伴 侣 (chaperon) 的 存在 。 分 子 伴 侣 的 作用 , 是 防止 不 合适 的 相互 作用 或 摧毁 任何 存在 不 合适 的 相互 作用 。 它 与 新 生 蛋白 结合 , 保 护 了 一 些 高 度 朴 水 或 高 度 亲 水 的 面 , 这 就 防止 了 蛋 AY BER (4) 蛋白 质 的 结构 域 蛋白 质 的 肽 链 往 往 是 由 几 个 相同 或 不 相同 的 结构 域 所 组 成 。 每 一 结构 域 具有 特定 的 生物 功能 。 实 际 上 可 以 把 每 个 结构 域 看 作 为 一 个 构件 。 结 构 域 与 蛋白 质 亚 基 是 不 同 的 概念 , 它 是 指 肽 链 中 的 局 部 肽 段 , 有 其 相对 的 独立 性 , 其 同 源 结构 可 在 其 他 蛋白 质 中 找到 。 目 前 了 解 较 多 的 , 有 与 蛋白 质 分 泌 有 关 的 结构 域 , 即 位 于 N 端 之 前 的 信和 号 肽 ;有 与 蛋白 质 残 基 修 饰 有 关 的 结构 域 , 例 如 在 凝血 因子 FXK、FX、FVEY、C 蛋白 等 的 N 端 , 有 一 个 所 谓 Gla . 结构 域 , 有 与 蛋白 质 活 性 激活 有 关 的 结构 域 , 有 与 蛋白 质 生 物 功 能 有 关 的 结构 域 , 如 一 些 蛋白 酶 抑制 剂 有 几 个 活性 中 心 。 由 不 同 源 结构 域 组 成 的 蛋白 质 , 一 般 功能 比较 复杂 , 分 子 量 也 大 。 例 如 与 凝血 及 纤 溶 有关 的 各 种 蛋白 酶 就 是 由 以 下 几 种 结构 域 以 不 同 的 组 合 方式 装配 而 成 : Gla (7- 羧 基 谷 氨 酸 ) 区 、EGF (上 皮 生 长 因 子 ) 区 、Kringle ( 环 饼 结 构 ) 区 、Finger 区 、CF (接触 因子 )、 类 胰 蛋 白 酶 催化 区 。 许多 大 的 蛋 白 质 在 结构 上 往往 都 有 重复 的 序列 出 现 , 尽 管 对 它们 的 功能 还 不 是 很 清楚 , 习 惯 上 也 称 之 为 结构 域 。 从 基因 水 平 看 ,DNA 序列 中 的 内 含 子 都 位 于 各 结构 域 之 间 。 。35。 3.1.2 生物 活性 肽 生物 活性 肽 , 通 过 内 分 变 、 劳 分 泌 、 神 经 内 分 谈 、 乃 至 神经 分 弯 等 作用 方式 行使 其 微妙 的 传讯 功能 。 它 们 含量 极 微 而 生物 活 性 却 很 强 , 对 生物 体内 环境 的 恒定 起 关键 性 的 调节 作用 。 生 命 科 学 中 的 许多 重要 谋 题 , 如 细胞 分 化 、 免 凑 、 应 急 反 应 、 肿 瘤 、 衰 老 、 生 殖 、 生 物 钟 以 及 分 子 进化 等 都 涉及 有 关 的 活性 多 肽 , 因 此 这 方面 的 研究 不 仅 在 理论 上 , 而 且 在 应 用 上 都 有 重要 意义 。 它 的 类 似 物 、 持 抗 物 以 及 模拟 物 都 是 潜在 的 重要 药物 。 由 于 内 源 性 药 物 的 副 反 应 较 少 , 因此 近年 来 发 展 很 快 。 随 着 各 种 新 的 神经 肽 、 生 长 因子 、 组 织 激 肽 的 不 断 发 现 , 多 肽 生物 学 正 以 新 的 面貌 跨 学 科 迅猛 地 发 展 , 除 以 往 研究 较 多 的 各 种 下 丘脑 释放 及 抑制 因子 、 垂 体 多 肽 、 胃 肠 道 活性 肽 、 组 织 激 肽 外 , 下 面 将 特别 讨论 一 些 近 年 来 国际 上 受 重 视 的 活性 多 肽 。 (1) 神经 肽 自 1975 年 休 斯 (Hughes) 等 人 从 脑 中 分 离 纯化 了 两 个 脑 啡 肽 以 来 , 目 前 对 神经 肽 的 种 类 分 布 、 作 用 特征 、 分 析 手 段 和 生理 意 义 各 方面 都 已 积累 了 丰富 的 资料 。 各 种 高 级 神经 活动 都 与 神经 肽 有 密切 关系 。 神 经 肽 可 以 是 信息 传递 者 , 也 可 以 是 神经 调 质 。 无 论 痛觉 或 愉快 感 、 睡 眠 或 亢奋 、 学 习 和 记忆 、 进 食 和 渴 饮 、 以 至 神经 系统 本 身 的 分 化 及 发 育 都 受 神经 肽 的 影响 。 一 些 功能 不 同 的 神经 肽 在 结构 上 相似 , 其 原因 可 能 是 : 系统 发 育 上 基因 的 突变 ,或 者 是 mRNA 在 成 熟 过程 中 在 各 自 器 官 内 的 特异 加 工 , 如 P 物质 和 K 物质 原 处 于 同一 基因 组 , 但 在 脑 内 和 周 边 加 工 出 各 自 的 成 熟 mRNA,, 造成 两 者 的 不 同 分 布 , 再 有 可 能 是 。36 。 某 些 神经 肽 可 以 激 肽 方式 产生 , 如 AVP4 一 8 失去 了 其 母体 AVP 的 周边 加 压 或 抗 利尿 功 能 , 却 对 中 枢 神经 系统 有 上 百倍 的 促 记忆 功效 。 (2) 细胞 素 细胞 素 是 另 一 类 细胞 间 的 调控 因子 , 与 激素 多 肽 相似 , 它 们 也 是 信息 多 肽 , 但 多 数 属 自主 分 泌 或 旁 分 变性 质 , 自 细胞 分 谈 后 通过 体液 介 导 与 靶 细 胞 受 体 结 合 , 从 而 调节 受 体 细胞 的 生长 或 分 化 。 血 液 和 淋巴 内 各 类 细胞 都 有 各 自 独 特 的 细胞 因子 , 如 白细胞 介 素 就 已 被 发 现 8 一 10 种 之 多 , 功 能 各 不 相同 。 由 于 体液 内 各 种 多 肽 因子 共存 , 同 一 细胞 上 不 同 种 受 体 共存 , 活 性 肽 的 相互 影响 和 共同 作用 决定 了 最 后 的 生物 效应 。 (3) RR FH 借助 计算 机 , 人 们 已 合成 了 许多 抗原 性 多 肽 , 作 为 预防 或 治 疗 某 些 疾病 的 药物 。 如 合成 的 hCG C 端 重复 序列 74 肽 的 抗 早孕 效果 已 在 狮 卯 身上 试验 证 实 , 乙 型 肝炎 表面 抗原 多 肽 、 口 蹄 疫病 毒 表面 蛋白 片段 、 举 疾 原虫 抗原 多 肽 等 都 显示 出 很 好 的 前 景 。 在 对 爱滋病 病毒 作用 机 理 研 究 的 基础 上 合成 了 三 种 多 肽 : 四 合成 可 溶性 的 CD4 结合 区 , 以 减少 病毒 向 活 细胞 CD4 受 体 的 攻击 ; OF 成 二 个 外 壳 和 蛋白 (GP120,GP41) 的 保守 区 , 是 一 段 两 亲 性 螺旋 , 可 以 与 CD4 结合 从 而 降低 感染 颗粒 上 反 转 录 酶 的 活力 ; @ 合 成 外 这 蛋白 水 解 酶 , 以 抑制 病毒 活性 蛋白 的 成 熟 过 程 。 (4) Ak# (endothelin) 1988 年 耶 那 奇 沙 瓦 (Yanagisawa) 等 在 内 皮 细 胞 培养 中 发 现 。37 。 一 种 平滑 肌 收 缩 物质 , 为 含有 两 对 硫 硫 键 的 21 肽 , 是 至 今 已 知 的 最 强 缩 血 管 活 质 , 较 之 血管 紧张 肽 的 活性 高 10 倍 以 上 。 已 知 体内 有 三 种 内 皮 素 类 似 物 分 布 于 体内 各 种 组 织 。 随 着 研究 的 深入 , 生 物 活 性 肽 的 生物 学 意义 将 您 来 愈 显 得 重 要 , 估 计 今 后 还 将 不 断 发 现 类 似 细胞 素 那 种 旁 分 泌 或 自分 泌 的 重 要 活性 肽 , 并 像 脑 啡 乓 和 心房 肽 的 发 现 一 样 给 学 科 发 展 带 来 重大 影响 。 3.1.3 人 香 晶 质 与 核酸 的 相互 作用 蛋 日 质 是 基因 表达 的 产物 , 基 因 表 达 又 离 不 开 蛋白 质 , 两 者 相互 依存 , 相 互 制约 。 旱 白 质 与 核酸 的 相互 作用 存在 于 基因 表达 的 各 个 水 平 上 , 也 即 基因 的 复制 、 转 录 和 翻译 。 其 分 子 机 理 的 核 心 是 量 日 质 与 核酸 的 专 一 识别 和 相互 作用 。 (1) 蛋白质 与 DNA 的 相互 作用 DNA 复制 过 程 中 , 链 的 引发 、 延 伸 、 终 止 所 涉及 的 反应 都 由 相应 的 酶 催化 , 同 时 还 需要 许多 具有 调节 功能 的 蛋白 质 对 DNA 复制 进行 调节 。 通 过 对 一 些 DNA 结合 蛋白 及 其 相应 的 DNA 片段 的 复合 物 , 如 大 肠 杆 菌 DNA 聚合 酶 I 、 限 制 性 内 切 酶 ECoR I , 组 蛋白 及 其 复合 物 等 的 三 维 结构 的 测定 ,已 经 积累 了 一 些 知识 。 目 前 了 解 得 最 为 详细 的 还 是 一 系列 基因 转录 调节 蛋白 及 其 与 DNA 的 复合 物 。 现 至 少 已 有 7 个 阻 遇 蛋白 和 5 个 阻 巡 蛋 白 复 合 物 的 三 维 结构 得 到 测定 。 因 而 揭示 了 蛋白质 与 DNA 识别 和 相互 作用 的 一 些 规律 : 四 调控 蛋白 是 通过 处 于 分 子 表面 的 一 对 二 重 相关 的 螺旋 与 DNA 识别 并 结合 。 迄 今 所 知 的 调控 蛋白 的 结构 中 都 具有 相同 的 构象 , 彼 此 倾斜 , 中 心 距 离 约 34A , 以 螺旋 -转折 -螺旋 的 。38。 模式 参与 识别 和 结合 。 包 位 置 专 一 的 识别 主要 涉及 as Rie, Elie 于 DNA 的 主 槽 中 , 通过 氨基 酸 残 基 的 侧 链 进行 识 员 和 结合 。as BR 旋 的 N 端 主 链 和 侧 链 与 DNA 磷酸 酯 链 相 互 作 用 , 参 与 识别 和 结 &.@DNA 主要 以 B 型 构象 参与 结合 , 但 在 结合 过 程 中 有 扭曲 变 形 。 真 核 生 物 转 录 调 控 蛋 白 与 DNA 识别 和 结合 的 模式 包括 三 种 类 型 : 中 螺旋 -转折 -螺旋 : 两 段 螺 旋 被 一 B 转 折 分 开 , 其 中 一 段 为 “识别 螺旋 ”, 直 接 与 暴露 在 DNA EM PH MEE. QOH 块 : 单个 Zn 与 半 胱 氨 酸 、 组 氨 酸 残 基 配 位 , 在 两 配 位 位 置 之 间 有 13 个 残 基 的 肽 段 像 手 指 一 样 伸 出 。 每 个 锌 指 可 与 核酸 上 含有 多 个 连续 鸟 便 叶 叭 的 5 至 6 个 碱 基 对 相 结 合 , 大 约 为 DNA WER ie 的 半 圈 。G@@ 亮 氨 酸 拉链 式 模块 : 两 段 v 螺旋 在 对 侧 相 间 排 列 4 至 5 个 亮 氨 酸 残 基 , 其 蔓 水 侧 链 交 错 对 插 形 成 拉链 式 结构 。 (2) 有 蛋白 质 与 RNA 的 相互 作用 RNA 病毒 是 研究 蛋白 质 -RNA 相互 作用 的 很 好 模型 , 但 是 由 FRNA 结构 柔性 , 在 大 多 数 已 经 测定 结构 的 病毒 中 RNA 都 是 不 能 被 观察 到 的 。 近 来 研究 豆荚 斑纹 病毒 时 观察 到 了 RNA 的 结构 , 提供 了 和 蛋白质-RNA 相互 作用 的 一 些 信息 。 tRNA 合成 酶 与 tRNA 相互 作用 。 斯 德尔 效 (Steltz) 报道 了 tRNAGIn 合成 酶 -tRNAGln-ATP 复合 物 的 晶体 结构 , 首 先 直 接 看 到 tRNA 合成 酶 与 tRNA 分 子 的 结合 与 作用 ,从 而 了 解 二 者 专 一 识别 的 机 理 。 这 是 遗传 密码 翻译 中 的 关键 一 步 。 因 为 遗传 密码 的 翻译 如 果 需 要 字典 , 它 就 存在 于 tRNA 合成 酶 与 同类 tRNA 分 子 的 专 一 识别 中 , 有 人 称 它 为 “第 二 遗传 密码 ”>。 上 述 研 究 成 果 为 “第 二 遗传 密码 ”的 解 译 芮 定 了 坚实 的 基础 , 为 这 一 领域 的 一 个 里 程 碑 。 © 39。 (3) 核 蛋 白 体 三 维 结构 蛋白 质 生 物 合成 时 , 氢 基 酸 按 特定 序列 在 核 蛋白 体 上 装配 成 为 多 肽 链 。 核 蛋白 体 是 包括 复杂 的 核酸 -蛋白 质 相 互 作用 的 超 分 子 体系 。 细 菌 核 蛋 白 体 的 分 子 量 约 为 230 万 , 其 中 大 亚 基 (50S) 含 35 个 不 同 的 蛋白 质 和 两 条 RNA 链 , 小 亚 基 (30S) 含 21 个 蛋白 质 和 一 条 RNA 链 。 最 近 活 性 核 蛋白 体 颗 粒 已 经 获得 结晶 , 并 开始 研究 它 的 三 维 结构 , 这 项 工作 可 望 在 90 年 代 获 得 突破 。 3.1.4 多 肽 工程 与 重 白质 工程 多 肽 工程 与 蛋白 质 工 程 是 80 年 代 兴 起 并 且 发 展 十 分 迅速 的 领域 。 开 始 时 主要 是 通过 点 突变 来 改造 天 然 恒 日 质 , 以 后 发 展 到 蛋白 质 分 子 的 全 新 设计 (denovo design) 以 至 非 肽 模拟 。 蛋 白质 的 不 同 功能 来 源 于 它 的 空间 结构 , 因 此 对 蛋白 质 三 维 结构 的 知识 以 及 结构 与 生物 功能 的 关系 是 多 肽 、 蛋 白质 工 程 的 基础 。 多 肽 、 蛋 白质 工程 的 发 展 最 终 将 改变 传统 工业 的 高 温 、 高 压 、 高 能 耗 的 状 况 , 从 而 成 为 节省 能 源 的 、 比 较 温 和 与 更 加 高 效 的 生产 方式 。 为 了 向 这 个 目标 迈进 , 已 经 开展 并 将 继续 作为 研究 方向 的 有 以 下 几 方面 工作 。 (1) 改造 天 然 蛋 白质 以 已 知 的 蛋白 质 结构 -功能 关系 的 知识 为 基础 , 改造 天 然 蛋 日 质 。 这 包括 : 呈 改 善 天 然 蛋白 质 的 性 能 , 如 提高 热 稳定 性 、 抗 氧 化 能 力 、 改 变 最 适 作用 PH、 提高 酶 的 催化 效率 等 。@ 通 过 分 子 前 裁 或 残 基 置 换 , 使 天 然 蛋 日 质 获 得 新 的 性 质 , 如 新 的 抗体 特征 、 酶 的 新 的 底 物 专 一 性 或 辅酶 专 一 性 等 。 。40 。 (2) AMAR MM 蛋白 质 构象 的 预测 , 即 从 已 知 序 列 来 预测 恒 日 质 的 构象 , 这 是 进行 天 然 蛋 白质 分 子 改造 与 设计 新 的 多 肽 与 蛋 日 质 的 基础 。 目 前 预测 蛋 日 质 二 级 结构 的 方法 至 少 有 20 种 , 准 确 率 在 60—80% 左右 。 三 维 结构 的 预测 还 没有 有 效 的 方法 ,准确 率 一 般 都 比较 低 , 只 有 在 对 同 源 蛋 日 质 的 预测 中 有 效 。 这 方面 迫切 需要 新 思想 、 新 方法 , 以 及 更 多 的 重 日 质 三 维 结构 知识 的 积累 , 特 别 是 通过 高 分 辨 核磁 共振 技术 的 改进 ,积累 大 量 蛋 日 质 溶 液 构 象 和 运动 的 知识 , 以 用 于 三 维 结构 的 预测 。 (3) 多 肽 与 蛋白 质 分 子 全 新 设计 多 肽 与 蛋白 质 分 子 的 全 新 设计 , 即 要 合成 一 种 预定 空间 结构 的 恒 昌 质 , 从 而 可 以 人 工 制 造 具 有 全 新 的 化 学 性 质 、 生 物 学 活性 或 催化 活性 的 蛋 白 质 。 要 完成 这 个 设想 首先 要 使 肽 链 定向 卷曲 和 集合 成 球状 , 除了 按 侧 链 个 性 安排 残 基 序 列 外 , 还 必须 克服 能 障 、 提供 合适 的 环境 。 计 算 表 明 , 发 夹 结 构 是 理想 底板 , 两 亲 性 螺旋 似乎 可 提供 肽 链 间 相互 蕊 水 聚集 的 动力 。1985 年 默 特 尔 (Mutter) 通过 分 子 相 关 样 板 计算 系统 模拟 出 一 个 理想 化 的 结构 能 量 最 低 的 “多 螺旋 共 舟 ”模型 。 该 模型 由 126 个 氨基 酸 残 基 组 成 , 通 过 合成 得 到 含有 8 条 两 亲 性 螺旋 分 支 及 一 个 发 夹 结 构 底 概 的 多 肽 , 这 样 形成 一 个 刚性 和 和 柔性 结合 的 骨架 , 含 有 下 水 内 核 和 亲 水 表面 , 而 活性 基 团 可 以 根据 设计 而 在 空间 任意 定向 。 霍 夫 曼 (Hoffman) 最 近 报 道 了 以 糖 环 为 底座 、 伸 出 四 个 活性 基 团 的 小 分 子 , 模 拟 生长 激素 释放 抑制 因子 与 受 体 结合 部 位 , 得 到 了 部 分 成 功 。 斯 图 尔 德 〈Steward) 已 合成 一 模拟 胰 凝 乳 蛋白 酶 , 为 一 分 支 oA] 四 螺旋 多 肽 结构 ,其 酶 催化 活性 与 天 然 的 相 比 仅 差 两 个 数量 级 。 另 外 有 人 已 合成 了 钙 选 择 性 的 离子 通道 ,也 是 类 似 的 全 新 合成 产物 . 全 新 设计 多 肽 与 蛋白 质 分 子 可 以 按照 人 的 意愿 创造 自然 界 不 存在 的 而 又 能 为 人 类 所 利用 的 功能 蛋白 质 , 随 着 对 蛋白 质 结构 与 功能 的 深入 了 解 , 蛋 白质 分 子 设计 必 将 以 越 来 越 快 的 速度 得 到 发 展 ,对 生命 科学 将 产生 深刻 的 影响 。 (4) 非 肽 模拟 利用 非 所 基 酸 作为 结构 元 件 来 模拟 多 肽 、 蛋 昌 质 的 功能 称 为 非 肽 模拟 。 目 前 第 用 普通 有 机 分 子 来 搭建 活性 与 构象 都 与 某 一 活 性 肽 类 似 的 化 合 物 。 例如 与 脑 啡 肽 在 空间 上 “两 葵 环 相互 接近 ” 模 式 相 似 的 吗啡 和 葵 并 吗啡 就 都 是 阿片 受 体 的 激动 剂 。 胆 面 收缩 素 (CCK) 的 降解 产物 CCK-4 的 最 低能 量 构象 与 麦角 胺 相似 , 而 麦角 胺 具有 与 胆 宫 收 缩 素 相 同 的 中 枢 药 理 作 用 。CCK-4 Wat 收缩 素 的 天 然 有 机 持 抗 物 一 一 含 叫 唆 环 的 MSD 也 很 相似 , 进 一 步 证 明 结构 功能 相似 的 类 似 物 常 具 类 似 的 空间 特征 , 这 对 于 今后 新 药 设 计 、 酶 抑制 剂 和 活性 肽 的 研究 将 会 有 所 借鉴 。 3.2 Hee 酶 学 是 蛋白 质 结构 、 功 能 和 生物 催化 机 理 研 究 的 结合 。 由 于 生物 化 学 与 分 子 生 物 学 的 每 个 领域 都 涉及 酶 学 的 理论 和 实验 手 段 , 因 此 酶 学 和 蛋 白 质 化 学 研究 都 是 生物 化 学 与 分 子 生 物 学 的 基 础 分 支 学 科 。 © 42。 3.2.1 酶 学 的 两 大 突破 性 进展 一 一 酶 活性 RNA 和 抗体 Big 80 年 代 以 来 , 酶 学 中 具有 突破 性 进展 的 是 酶 活性 RNA (ribozyme) 和 抗体 酶 (abzyme) 的 发 现 。 科 罗拉 多 (Colorado) 大 学 的 切 赫 (Cech) 等 在 研究 原始 的 真 核 生 物 四 膜 虫 (Tetrathymena) 的 rRNA 加 工 过 程 中 发 现 , ERA EEA 类 的 情况 下 ,该 rRNA 可 以 自身 剪接 加 工 , 并 最 终 分 离 到 一 段 具 有 催化 活性 的 内 含 子 (IVS), 它 具有 转 磷 酸 、 转 核 苷 酸 和 水 解 等 多 种 催化 功能 。 了 耶鲁 (Yale) 大 学 的 奥 特 曼 (Altman) HRMS 与 tRNA 后 加 工 的 核糖 核酸 酶 P (RNase) 是 由 MIRNA ff C5 & 白 两 部 分 组 成 的 .起 催化 作用 的 是 RNA 组 分 ,而 生日 质 只 是 表现 调节 作用 的 辅 基 . 这 一 重大 发 现 打破 了 酶 是 皇 晶 质 的 经 典 概念 。 抗 体 酶 是 继 酶 活性 RNA 后 的 又 一 重大 发 现 。 美 国 的 莱 纳 (Lerner) 等 人 在 研究 抗原 抗体 相互 作用 的 机 理 中 发 现 , 某 些 抗原 决定 复 并 非 原来 就 处 于 抗原 分 子 的 表面 , 而 是 当 抗原 与 抗体 结合 时 才 转 位 到 抗原 分 子 的 表面 。 这 种 现象 类 似 于 酶 与 底 物 诱导 契合 。 酶 之 所 以 能 催化 化 学 反应 , 在 于 它 和 底 物 形成 中 间 产 物 时 提供 了 一 个 过 渡 态 , 从 而 降低 反应 的 活化 能 。 而 抗原 和 抗体 的 结合 也 可 能 有 一 个 过 渡 态 , 使 抗原 分 子 的 某 些 化 学 键 断裂 或 形成 新 的 化 学 键 。 在 此 思想 指导 下 , 特 拉 蒙 塔 罗 (Tramontano) 等 人 选择 了 一 种 在 结 构 上 与 某 些 酯 类 水 解 反 应 的 过 渡 态 相 类 似 的 化 合 物 作为 半 抗 原 制 备 单 克 隆 抗体 。 发 现 此 抗体 竞 能 使 酯 的 水 解 反 应 加 速 1000 倍 , 并 具有 酶 的 基本 特征 , 如 底 物 特异 性 、pH 依赖 性 和 可 被 抑制 性 等 。 推测 其 机 理 可 能 是 抗体 与 此 半 抗 原 契 合 时 , 使 其 形成 类 似 于 酶 - 底 物 过 渡 态 的 构象 , 从 而 催化 其 水 解 。 鉴于 这 类 抗体 兼 有 抗体 (anti- 。43 。 7 body) 和 酶 (enzyme) 的 双重 特性 , 故 命名 为 抗体 酶 (abzyme) 。 进而 舒 茨 (Schultz) 等 人 又 发 现 , 对 硝 基 酚 碳酸 酯 的 过 渡 态 类 似 物 一 一 对 硝 基 酚 磷酸 胆 碱 的 单 克 隆 抗体 可 使 上 述 碳 酸 酯 的 水 解 反 应 加 速 15000 倍 。 可 以 预期 , 抗 体 酶 的 技术 将 为 酶 的 定向 设计 展 现 广泛 前 景 , 如 果 能 制造 出 对 氨基 酸 序列 有 特异 性 的 抗体 酶 , 限 制 性 地 切割 不 同 氨基 酸 残 基 间 的 肽 键 , 则 将 对 蛋白 质 结 构 的 研究 提供 新 的 手段 , 并 且 抗 体 酶 的 定向 设计 也 开辟 了 一 个 不 依赖 于 蛋 白质 工程 的 真正 酶 工程 领域 。 3.2.2 酶 的 结构 和 功能 研究 (1) 有 蛋白 质 工 程 技术 的 应 用 这 是 一 种 研究 酶 结构 和 功能 关系 的 十 分 有 效 的 方法 , 它 的 许 SiRF ii RA ic CA HY. AAR RH 可 改变 酶 分 子 中 任 一 氨基 酸 而 观察 其 与 功能 的 关系 , 例 如 改变 磷 酸化 或 糖化 位 点 , 研 究 磷 酸化 和 糖化 对 酶 结构 和 功能 的 影响 。 (2) 酶 蛋白 空间 构象 的 研究 物理 学 技术 的 引进 使 酶 空间 构象 的 研究 进入 更 高 的 水 平 。 交 光 六 灭 法 测量 活性 中 心 基 团 能 量 的 转移 可 计算 出 相应 基 团 的 空间 距离 , 圆 二 色谱 、 谱 核磁 共振 等 研究 结合 晶体 X 射线 衍射 方法 ,已 可 描绘 出 酶 蛋白 详细 的 立体 构象 , 籍 以 进行 分 子 的 解剖 而 开辟 了 分 子 拓扑 学 。 3.2.3 固 相 化 酶 和 生物 传 感 兹 60 年 代 后 期 兴起 的 固定 化 酶 技术 , 在 工农 业 和 医学 中 实际 应 用 的 巨大 效益 已 受到 科学 界 和 产业 界 的 注意 , 在 食品 、 轻 化 及 制 。44 。 药 行业 已 获得 较 多 的 应 用 。 高 效率 生产 果 葡 糖 、 氨 基 酸 、 有 机 酸 、 酒精 、 青 霉 素 、 头 孢 霉 素 等 。 选择 各 种 材料 , 如 陶瓷 、 氧 化 铝 、 纤 维 素 、 琼 脂 糖 、 聚 丙烯 酰胺 、 聚 氨 酯 等 作为 酶 的 固定 化 载体 。 建 立 在 吸附 、 共 价 结合 、 交 联 、 包 埋 等 物理 和 化 学 原理 基础 上 的 各 种 方法 已 被 用 来 将 酶 固定 化 在 载体 上 或 载体 内 。 今 天 人 们 已 能 根 据 应 用 目的 和 酶 的 特性 , 选 择 合适 的 固定 化 方法 和 载体 。 固 相 栈 的 理论 研究 也 因 需 要 而 获得 发 展 , 诸如 固 相 酶 的 稳定 性 、 动 力学 、 底 物 专 一 性 的 改变 等 都 已 有 不 少 报道 和 研究 。 通 过 固 相 化 , 使 酶 在 有 机 溶剂 中 的 催化 成 为 可 能 , 有 机 化 合 物 的 不 对 称 水 解 、 不 对 称 合成 、 氧 化 还 原 反应 和 加 成 反应 都 有 可 能 用 固 相 化 酶 在 温和 条 件 下 催化 。 并 且 在 单一 酶 固 相 化 的 基础 上 , 发 展 了 多 酶 体系 的 共 固 相 化 , 如 天 冬 氨 酸 酶 和 天 冬 氨 酸 脱羧 酶 的 共 固 相 化 可 从 延 胡 素 酸 生产 L- 丙 氨 酸 。 近 几 年 来 又 进一步 建立 了 固 相 活 细胞 技术 , 使 细胞 能 在 载体 上 生长 繁殖 , 并 能 将 细胞 生长 期 和 生产 期 分 开 , 延 长 生产 期 , 使 用 后 衰减 的 生产 能 力 还 可 再 生 , 如 利用 固 相 化 酵母 细胞 生产 酒精 和 啤酒 已 在 国内 外 应 用 。 为 了 生产 高 等 生物 体内 某 些 具 有 经 济 价值 的 酶 、 激 素 、 免 疫 化 合 物 、 生 物 碱 、 色 素 和 香料 等 ,又 从 固定 化 微生物 细胞 发 展 至 难度 较 高 的 固定 化 动 植物 细胞 各 种 微 载体 和 大 和 孔 胶 材 料 为 贴 壁 的 动物 细胞 提供 了 较 大 的 比 表 面 , 如 琼脂 糖 凝 胶 、 海 治 酸 聚 赖 氨 酸 微 囊 和 中 孔 纤维 可 用 来 包 埋 贴 壁 细胞 和 悬浮 细胞 。 已 有 报道 应 用 固定 化 动物 细胞 生产 单 克 隆 抗体 、 干 扰 素 和 乙肝 疫苗 等 。 利 用 固 相 化 植物 细胞 , 从 简单 碳 源 合成 生物 碱 或 进行 生物 碱 等 药物 中 间 体 的 转化 , 也 有 不 少 成 功 的 例子 。 固 相 酶 技术 的 发 展 使 生物 传感器 应 运 而 生 。 生 物 传感器 是 具 有 专 一 识别 功能 的 生物 材料 (如 酶 ), 是 基于 化 学 或 物理 学 原理 的 。45 。 a A RO TT LTE I ITI ee Ae 和 换 能 检测 朔 置 结 合 而 构成 的 , 酶 电极 就 是 最 早期 的 生物 传感器 。 目 前 约 有 10 种 可 用 于 临床 生化 测定 的 酶 电极 商品 化 ,分 别 可 测定 葡 萄 糖 、 尿 素 、 尿 酸 、 乳 酸 和 谷 氨 酸 等 。 近 几 年 来 , 生 物 传 感 器 的 发 展 十 分 迅速 ,有 专 一 识别 能 力 的 生物 材料 已 从 酶 发 展 到 抗体 、 受 体 、 细 胞 器 甚至 细胞 组 成 功能 元 件 ,, 换 能 检测 恬 也 从 电极 〈 气 敏 、 离子 敏 ) 发 展 到 离子 敏 场 效 应 晶体 管 、 热 敏 电阻 右 、 发 光 二 极 管 、 光纤 和 石英 压 电 振 功 右 , 能 把 各 种 化 学 信息 转变 成 电信 和 号 加 以 度 量 。 目 前 生物 传 感 历 的 主要 趋 问 是 微型 化 和 多 功能 化 , 并 发 展 成 生物 必 片 , 把 具有 信息 传递 、 记 忆 、 分 子 识别 、 能 量 传递 和 放大 功能 的 生物 分 子 组 成 像 集成 电路 那样 的 必 片 , 这 将 促进 未 来 的 生 物 电 脑 的 出 现 。 3.3 核酸 化 学 3.3.1 核酸 研究 的 中 心 课 题 “核酸 是 一 类 重要 的 生物 活性 大 分 子 。40 年 代 艾 弗 里 (Avery) 等 人 发 现 遗 传 物质 是 核酸 ,1953 年 沃 森 和 克 里 克 创 立 了 DNA 双 螺旋 结构 学 说 , 黄 定 了 现代 分 子 生物 学 的 基础 。 此 后 , 随 着 学 科 的 发 展 , 和 本 生出 了 分 子 遗 传 学 和 基因 工程 。30 多 年 来 核酸 研究 方 面 的 科学 家 15 次 获得 了 诺 贝 尔 化 学 奖 或 生理 医学 奖 , 几 占 总 颁奖 数 的 四 分 之 一 。 这 也 说 明了 核酸 研究 的 重要 和 发 展 的 迅速 。 当 前 核酸 研究 已 经 成 为 生物 化 学 与 分 子 生 物 学 的 一 个 重要 分 支 领域 , 并 且 渗 透 到 生物 学 的 各 个 领域 。 3.3.2 ”核酸 研究 的 新 动向 80 年 代 以 来 , 核 酸 研 究 的 新 动向 有 四 个 方面 : 一 是 RNA 的 ° 46° 研究 又 趋 活跃 , 不 断 有 新 的 发 现 。 如 酶 活性 RNA 的 发 现 , 打破 了 “ 酶 就 是 蛋白 质 ” 的 经 典 概念 , 并 提示 着 生命 起 源 过 程 中 曾经 有 过 一 个 RNA 世界 .RNA 曾经 既 携带 遗传 信息 , 又 具有 催化 活性 .再 如 RNA 编辑 机 制 的 发 现 是 对 中 心 法 则 的 一 个 非常 重要 的 补充 。 一 个 基因 在 不 同 组 织 或 不 同 生 理 状态 下 , 从 不 同 转录 起 始 位 点 开 始 转录 、 不 同 的 剪接 方式 和 不 同 的 3' 端 成 熟 而 形成 多 种 不 同 的 蛋 A. 这 是 比 基 因 重 排 更 为 灵活 的 调控 方式 .RNA 的 应 用 前 景 也 日 a ot). 如 酶 活性 RNA 阻 断 各 种 有 害 基因 的 表达 、 反 义 核 酸 的 应 用 等 。 因 此 , 有 人 称 20 世纪 90 年 代 是 RNA WT. 核酸 研究 的 第 二 个 动向 ,是 研究 的 材料 从 80 年 代 前 的 主要 为 原核 生物 转向 为 真 核 生物 。 在 真 核 生物 中 , DNA Ril], RNA 转录 及 前 体 加 工 、 蛋 白质 的 生物 合成 , 都 比 原核 生物 复杂 得 多 。 尽 管 真 核 生 物 的 的 基因 表达 调控 尚未 完全 阐明 , 但 研究 材料 的 改变 已 经 导致 了 如 酶 活性 RNA、RNA 编辑 mRNA 前 体 剪接 、_DNA 聚 合 酶 等 一 系列 重要 发 现 , 大 大 推动 了 核酸 研究 的 发 展 。 核酸 研究 的 第 三 个 动向 , 是 核酸 与 核酸 、 核 酸 与 其 他 生物 大 分 子 的 相互 作用 越 来 越 引 起 人 们 的 重视 。 事 实 上 , 生 物体 内 的 绝 大 多 数 核酸 一 直 处 于 核酸 与 蛋白 质 、 核 酸 与 核酸 、 核 酸 与 其 他 生 物 大 分 子 的 复合 物 中 , 其 各 种 生物 功能 也 是 在 复杂 的 核 蛋白 体 中 完成 的 。 如 在 基因 转录 的 起 始 过 程 , 涉 及 很 多 核酸 与 蛋白 质 、 蛋 白质 与 蛋 日 质 间 的 相互 作用 。 不 同 基因 的 表达 受 不 同 组 合 蛋 白 因 子 的 协同 调节 控制 。 真 核 基 因 转 录 调 控 的 研究 正 集中 在 顺 式 作用 元 件 〈cis-acting elements). 和 反 式 作用 因子 (trans-acting factor) ,以 及 它们 的 相互 作用 等 方面 。 顺 式 作 用 元 件 包 括 转录 起 始 位 点 及 其 上 游 的 约 30bp 处 的 .TATA 盒 , 上 游 几 百 碱 基 对 处 的 CCAAT 序列 或 GGGCGG 序列 (GC 盒 ), 或 其 他 特异 基因 的 调控 «es A ea HS TE eR RN RI a 序列 。 有 的 基因 中 有 抑制 子 (silencer) 。 反 式 作 用 因子 分 两 类 : 结 合 TATA 盒 附近 核 苷 酸 序列 的 称 转录 因子 , 有 TFIA、IB、1 D、IE 等 ;结合 上 游 调 控 序 列 的 称 为 转录 调控 因子 ,如 SP1、.CTF、 AP1, AP2, Oct-1, Oct-2, CRER 等 。 已 被 分 离 纯化 或 鉴定 的 蛋 白质 因子 有 几 百 种 , 新 的 因子 还 在 不 断 地 被 发 现 。 反 式 作 用 因子 通过 与 顺 式 元 件 结合 起 调控 作用 。 一 些 当 体 激 素 进 入 靶 细 胞 后 与 受 体 结合 , 引 发 一 系列 核酸 与 蛋白 质 、 蛋 白质 与 蛋白 质 的 相互 作 用 , 最 后 调控 基因 的 表达 。 核 酸 结合 蛋白 的 结构 特点 参见 本 书 蛋 白质 与 多 肽 部 分 .核糖 体 的 结构 与 功能 .tRNA SAR tRNA 合成 酶 的 相互 作用 一 直 是 研究 核酸 蛋白 质 相 互 作用 的 两 个 重要 对 象 。 近来 又 形成 剪接 体 (spliceo-some) 、 核 不 均一 核糖 核 蛋 白 体 (hn- RNP)、 核 小 分 子 核糖 核 蛋 白 体 (snRNP)、 编 辑 体 (editosome) 等 研究 热点 。 最 后 一 点 , 是 生物 科学 已 经 历 了 从 生物 整体 水 平 研究 向 分 子 水 平 研究 的 转移 , 近 年 来 一 些 研究 又 开始 从 分 子 水 平 研究 转向 整 体 与 分 子 水 平 研究 结合 的 阶段 。 比 如 果 蝇 的 发 育 受 调控 基因 网 络 的 控制 , 一 些 实验 室 正 在 以 整体 与 分 子 水 平 研究 结合 的 方式 研究 这 一 问题 。 核 酸 研 究 在 这 第 二 次 转移 中 正在 并 且 将 继续 发 挥 重 要 作用 。 3.3.3 核酸 的 结构 自从 霍 莱 (Holley) 于 1965 年 测 出 酵母 两 氨 酸 tRNA 的 结构 以 来 , 已 经 获得 了 15000 多 种 核酸 的 序列 。 目 前 已 前 明 的 最 长 的 连续 DNA 序列 有 100000 碱 基 对 。 目 前 新 的 DNA、RNA 序列 测 定 方法 还 在 不 断 出 现 , 改 进 主 要 在 非 随 机 法 测定 DNA 序列 的 战 略 〈 我 国 科学 家 在 这 方面 作出 了 较 多 贡献 ), 序 列 测定 的 自动 化 。 48 。 (如 荧光 染料 代替 放射 性 同位 素 标记 ; 激光 扫描 检测 、 计 算 机 数据 分 析 , 一 种 由 六 个 固定 化 酶 串联 , 通 过 检测 不 同 dNTP HEART RR 合 酶 反应 释放 出 来 的 焦 磷 酸 , 测 定 DNA 序列 的 方法 可 能 更 有 利 于 测序 的 自动 化 ;一 种 新 的 RNA、DNA 序列 测定 的 通用 方法 已 有 报道 ), 以 及 其 他 各 种 技术 的 改进 (载体 、 新 试剂 、 新 的 电泳 装 置 ) 等 。 自 动 化 序列 测定 仪 的 错 读 机 率 已 经 大 为 降低 , 但 是 按照 人 类 基因 组 计划 提出 的 测序 要 求 , 序 列 测定 方法 还 需 进 一 步 的 发 展 。 生物 体 基 因 组 DNA 作 图 与 序列 测定 是 90 年 代 科 学 的 一 大 课题 。 美 国 国家 科学 研究 委员 会 耗 时 15 年 、 耗 资 30 亿美 元 的 人 类 基因 组 计划 已 经 启动 4 年 ,该 计划 将 在 15 年 内 完成 人 类 基因 组 全 部 30 亿 核 背 酸 序列 的 作 图 与 测序 , 以 期 给 人 类 生物 学 提供 一 个 永恒 的 数据 库 ,而 对 生物 学 和 医学 研究 的 价值 将 随 着 对 它 的 分 析 、 研究 和 实验 的 深入 开展 而 提高 。 不 少 国家 还 对 一 些 重要 农作物 例 如 水 稻 、 烟 草 的 基因 组 开展 研究 。 当 然 , 仅 仅 得 出 全 序列 也 只 不 过 是 对 硬件 配置 的 了 解 , 还 必须 通过 各 种 途径 , 包 括 与 其 他 模型 生物 基因 组 的 比较 , 才 能 逐步 解 出 重要 的 信息 。 近年 来 发 现 DNA 有 精细 结构 。 合 成 朝 核 苷 酸 链 的 单 晶 X 射 ZA a Ot Fe Ze HA, A 型 、B 型 或 Z 型 DNA 都 是 不 均匀 的 。 螺 旋 参 数 随 碱 基 序列 不 同 而 在 一 定 范围 内 变化 。 高 分 辩 率 的 核磁 共振 可 以 研究 水 溶液 中 DNA 片段 的 精细 结构 。 结 果 也 同样 表明 DNA 确 有 精细 结构 。 它 是 蛋白 质 和 其 他 生物 活性 分 子 识 别 DNA 的 结构 基础 。 根 据 DNA 的 精细 结构 已 能 较 好 的 解释 Pribnow 盒 、Hog- ness 盒 等 DNA 原件 的 结构 与 功能 的 关系 。 扫描 隧道 显微镜 STM) 可 以 测定 分 子 的 表面 结构 , 特 别 适 应 于 不 易 得 到 结晶 的 样品 分 析 。 STM 已 开始 用 于 生物 学 研究 。 我 ee 国 科 学 工作 者 用 STM 观察 了 tRNA HAIL 型 结构 ,DNA 的 B 型 、Z 型 及 三 链 发 送 型 等 结构 , 观 察 了 DNA 与 蛋白 质 的 相互 作 用 , 发 现 了 DNA 复制 过 程 中 的 构 型 改变 。 近年 来 发 现 RNA 中 有 假 结 结构 。 它 是 由 荟 环 结构 单 链 区 相 互 作用 形成 带 有 两 蕉 两 环 的 连续 螺旋 。 两 个 单 链 环 突 在 连续 螺旋 Sh, 因此 更 容易 被 单 链 结合 蛋白 识别 。 假 结 结构 在 某 些 翻译 调控 、 mRNA 翻译 的 跳跃 以 及 酶 活性 RNA 等 方面 均 有 作用 。 3.3.4 DNA 的 复制 DNA 复制 研究 的 目的 是 探索 生物 体 党 殖 的 机 理 。 原 核 生物 DNA 复制 研究 已 经 取得 很 大 的 进展 。DNA 合成 过 程 与 DNA & 合 酶 已 研究 得 比较 清楚 ,而 DNA 复制 的 调控 还 知道 得 不 多 。 BE 生物 DNA 复制 研究 则 差距 较 大 。80 年 代 后 期 真 核 生 物 DNA 复 制 研 究 有 所 突破 , 形 成 新 的 热点 。 DNA 合成 过 程 包 括 引 发 、 新 生 DNA 链 延 伸 、 终 止 等 步骤 。 DNA 合成 的 开始 要 有 一 段 RNA 作 引 物 。RNA 引物 的 合成 机 理 是 当前 DNA 复制 研究 的 一 个 重要 方面 。 合 成 引物 的 酶 称 引发 酶 (primase) , 大 肠 杆菌 引发 酶 与 近 20 条 多 肽 链 一 起 组 成 多 功能 的 引发 体 (primosome), 不 同 生 物 的 引发 酶 差别 很 大 , 作 用 机 理 亦 不 尽 相 同 。 现 在 还 不 清楚 引发 酶 如 何 识别 启动 子 以 及 如 何 终止 引 物 的 合成 。 新 生 DNA 链 的 延伸 在 DNA 聚合 酶 及 附属 因子 的 作用 下 完 成 。DNA 聚合 酶 及 附属 因子 的 研究 是 DNA 复制 研究 的 另 一 重要 方面 , 包 括 酶 与 附属 因子 的 分 离 、 纯 化 及 体外 重建 DNA 复制 体 A; 酶 及 附属 因子 基因 的 研究 ; 酶 的 结构 与 构象 ; 酶 反应 的 物理 化 学 等 。 在 DNA 链 延 伸 过 程 中 , 还 存在 DNA 聚合 酶 催化 DNA © DO。 合成 的 真实 性 、DNA 合成 效率 及 DNA 合成 酶 的 催化 反应 的 进行 性 、 复 制 又 前 进 时 双 链 的 解 开 及 超 螺 旋 松 开 与 引入 等 问题 。DNA 合成 的 真实 性 依赖 DNA 聚合 酶 的 “ 碱 基 选 择 ” 和 “校正 阅读 ” 作 用 。 碱 基 选 择 的 作用 机 理 是 目前 研究 的 热点 之 一 。 校 正 阅 读 由 DNA 聚合 酶 3' 一 5 外 切 活 性 承担 , 这 在 原核 生物 中 早已 有 证 据 。 近年 已 证 明 真 核 生 物 的 具 3' 一 5 外 切 活性 的 DNA 聚合 酶 , 是 细 胞 DNA 复制 的 酶 。DNA 聚合 酶 催化 DNA 合成 的 进行 性 高 低 与 它 的 生物 功能 有 关 。 如 大 肠 杆菌 DNA 聚合 酶 I 合 成 进行 性 较 低 , 它 的 主要 功能 是 DNA 的 修复 ; 聚合 酶 正 合成 进行 性 高 , 主要 功能 是 DNA 的 复制 。 合 成 进行 性 高 的 真 核 DNA 聚合 酶 ,催化 合成 前 导 链 ; 合成 进行 性 低 的 DNA 聚合 酶 , 催 化 合成 后 随 链 。DNA 聚 合 酶 合成 进行 性 常 取决 于 某 一 亚 基 或 附属 因子 。 复 制 叉 前 进 时 双 链 的 解 开 涉及 拓扑 异 构 酶 、 解 链 酶 、 单 链 结合 蛋白 等 。 在 复制 又 处 有 一 个 包括 两 个 DNA 聚合 酶 的 复制 体 。 该 复合 体 随 着 复制 又 的 前 进 方向 一 起 前 进 , 分 别 合成 前 导 链 和 后 随 链 。 后 随 链 合成 时 通过 成 环 使 DNA 链 的 延伸 方向 与 复制 又 的 前 进 方向 保持 一 致 。 合成 一 定 长 度 后 环 解 开 , 又 在 近 复制 叉 处 形成 新 环 。 染色 体 DNA 复制 如 何 起 始 还 很 不 清楚 。 大 肠 杆菌 的 带 复制 起 点 (oric) 区 域 的 质粒 研究 表明 , 很 多 蛋白 参与 了 复制 的 起 始 。 鸣 菌 体 等 复制 起 始 研究 表明 , 它 们 各 自 有 自己 的 调控 机 理 。 现 正 利用 病毒 DNA 作 模 型 研究 真 核 生物 基因 复制 的 起 始 。 真 核 生 物 染 色 体 端 区 有 重复 序列 , 由 端 聚 酶 加 以 延长 。 端 聚 酶 是 一 种 含 RNA 模板 的 反 转 录 酶 , 初 步 研 究 表明 染色 体 端 区 重 复 序 列 长 短 与 细胞 生理 状态 有 关 。 真 核 生 物 染 色 体 的 复制 元 件 包 括 复制 起 始 序 列 、 着 丝 粒 及 端 区 重复 序列 , 包 括 这 些 元 件 的 人 造 染 色 体 可 作为 大 容量 的 基因 库 。51 。 载体 。 3.3.5 RNA 的 转录 后 加 工 RNA 的 转录 是 核酸 研究 的 另 一 个 重要 方面 ,近年 来 的 进展 主 要 是 在 真 核 系 统 。 转 录 调 控 更 是 核酸 、 分 子 遗传 以 及 蛋白 质 多 肽 研究 的 热点 。 真 核 生 物 具 有 多 种 RNA 聚合 酶 以 催化 不 同 RNA 的 转录 。 酵 母 RNA SAMI (HSS mRNA 转录 的 酶 ) 的 组 成 已 经 基本 清楚 , 它 由 十 个 亚 基 所 组 成 ,可 分 成 三 组 , 即 酵母 三 种 RNA 聚合 酶 共有 的 、RNA RAM | 特有 的 和 不 必需 的 。 真 核 生 物 的 转 录 还 需 很 多 转录 因子 的 参与 。 转 录 调 控 主 要 通过 各 种 蛋白 因子 结 合 DNA 上 的 各 种 元 件 来 达到 。 有 很 多 RNA 初始 转录 物 必须 经 过 后 加 工 过 程 才 能 成 为 有 生 EVEN BARNA. 真 核 生 物 RNA 后 加 工 过 程 比 原核 生物 更 为 复杂 .原核 生物 中 转录 与 翻译 是 偶 联 的 ,mRNA 一 般 不 需 加 工 .而 在 真 核 生 物 中 ,mRNA 的 初始 转录 物 必 须 经 过 5 端 加 帽 式 结构 、 3' 端 的 成 熟 、 剪接 和 腺 苷 甲 基 化 ,有 的 还 需要 经 过 编辑 等 多 步 加 工 过 程 。 成 熟 的 mRNA 通过 核 膜 进入 细胞 质 才 能 被 核糖 体 识别 和 翻 译 。 后 加 工 与 运输 是 真 核 基 因 表 达 的 重要 调控 点 , 因 此 也 是 当前 研究 的 热点 之 一 。 不 同 的 核酸 有 不 同 的 加 工 过 程 。 与 mRNA 前 体 加 工 不 同 , 原核 tRNA 前 体 需 经 过 前 切 、 内 部 修饰 等 多 步 加 工 , 有 些 还 需 加 CCA 未 端 。 真 核 tRNA 前 体 除 上 述 三 个 加 工 过 程 外 , 有 些 还 需要 进行 剪接 .rRNA 前 体 的 加 工 包 括 剪 切 、 修 饰 两 步 .四 膜 虫 大 核 rRNA 前 体 还 需 经 过 剪接 过 程 。 同 样 的 加 工 过 程 , 在 不 同 RNA 中 或 不 同 细 胞 中 , 反应 的 机 理 也 不 同 。tRNA 前 体 的 剪接 有 植物 方式 或 动物 方式 两 种 , 但 反应 都 是 由 内 切 核酸 酶 切 去 间 插 顺 序 , 由 连接 酶 把 两 个 外 显 子 连接 成 成 熟 的 整 分 子 。 四 膜 虫 大 核 。52 。 CRNA 前 体 及 线粒体 内 第 一 组 和 第 二 组 RNA 的 剪接 都 是 通过 自 我 前 接 机 理 . 真 核 生 物 核 内 mRNA 前 体 的 剪接 ,在 反应 历程 方面 , 与 线粒体 第 二 组 RNA 剪接 相似 , 但 机 理 不 同 。 许多 真 核 生物 核 内 mRNA 前 体 的 拷贝 区 是 不 连续 的 ,它们 被 一 个 或 数 个 间 插 序列 (IVS) 所 分 开 。 间 插 序 列 通过 剪接 被 除去 。 夏普 (Sharp) 于 80 年 代 中 期 提出 细胞 核 mRNA 前 体 在 剪接 体 上 色 过 套 环 结构 中 间 产 物 而 进行 剪接 的 机 理 。 剪 接 体 至 少 由 U1、 U2. U5, U4/6 四 种 细胞 核 小 分 子 RNA 与 蛋白 质 的 复合 体 (snRNP) 以 及 C1 和 C2 两 种 细胞 核 不 均一 核 蛋 白 体 蛋白 参与 组 装 而 成 , 而 线粒体 RNA 前 体 的 剪接 分 属于 I 型 和 工 型 内 含 子 的 _ 自我 剪接 。 某 些 单 基因 的 初始 转录 物 可 含有 多 个 剪接 位 点 , 因 而 通过 不 同 的 剪接 可 以 得 到 多 种 不 同 的 蛋 日 。 mRNA 的 编辑 是 1986 年 发 现 的 一 种 新 的 加 工 方式 。 在 锥 虫 线粒体 细胞 色素 氧化 酶 亚 基 工 的 mRNA 中 , 存 在 着 不 同 于 其 DNA 序列 的 阅读 框架 .差异 是 由 于 初始 转录 物 的 某 些 位 点 被 加 入 若干 尿 喀 啶 核 苷 酸 引起 的 。 实 验 结果 表明 mRNA 的 编辑 是 3 Fim 向 纪 端 方向 进行 的 , 可 以 通过 加 入 尿 苷 酸 、 删 除 尿 苷 酸 、 将 胞 并 酸 转 换 成 尿 苷 酸 或 将 尿 苷 酸 转换 成 胞 苷 酸 、 以 及 加 鸟 音 酸 等 多 种 方式 来 进行 。 近来 发 现 tRNA 编辑 也 可 能 存在 。 mRNA 的 编辑 可 以 发 生 在 编码 区 、3' 端 不 翻译 区 和 PolyA 区 。 但 没有 发 现 所 有 上 述 区 域 均 被 编辑 的 。 编 码 区 的 编辑 可 以 引起 阅读 框架 的 开放 或 关 PA. £6. 增加 信息 、 改 变 mRNA 与 核糖 体 的 结合 状态 、 改 变 密 码 子 的 种 类 等 功能 。 在 锥 虫 线粒体 细胞 色素 氧化 酶 亚 基 正 的 mR- NA 中 , 因 编辑 增 加 了 376 MRR. 占 该 mRNA 总 编码 区 长 度 的 55%. 因此 该 基因 被 称 为 隐匿 基因 (crypto-gene)。 近 年 来 在 锥 昌 中 找到 一 些小 于 80 核 苷 酸 的 指导 RNA (gRNA), 是 由 其 他 基 。53 。 因 编码 的 。gRNA 有 5 ' 端 锚 式 结构 和 3' 端 守 聚 尿 背 酸 结构 。 它 被 作为 编辑 的 模板 , 反应 的 历程 类 似 于 四 膜 虫 酶 活性 RNA 的 方式 。 因此 切 赫 (Cech) 认为 RNA 编辑 可 能 是 最 小 的 插入 序列 。 其 他 几 种 编辑 的 机 理 还 不 清楚 。 3' 端 的 成 熟 有 两 种 方式 :组 蛋白 mRNA 前 体 只 需要 切 去 3' 端 多 余 序 列 , 其 他 mRNA 前 体 则 还 需 加 上 PolyA 末端 。 3.3.6 蛋白质 生物 合成 tRNA 在 蛋白 质 生物 合成 中 起 着 把 mRNA 的 遗传 信息 翻译 成 氨基 酸 序列 的 关键 性 作用 。 到 1990 年 底 , 已 经 测定 序列 的 ttR- NA 及 tRNA 基因 有 1710 个 。tRNA 含有 大 量 的 修饰 核 苷 酸 ,, 已 发 现 的 修饰 核 苷 酸 超过 50 种 ,它们 的 生物 功能 是 tRNA 研究 的 一 个 重要 方面 。 在 tRNA 与 氨 酰 tRNA 合成 酶 的 相互 识别 中 , 对 某 些 tRNA 来 说 ,1 一 2 个 核 苷 酸 的 改变 就 可 以 造成 识别 的 改变 。 这 被 称 为 tRNA 的 个 性 (identity), REPS LEER BAAR tRNA 与 合成 酶 识别 时 的 结构 需要 方面 , 及 该 tRNA 分 子 中 修饰 核 苷 酸 在 蛋白 质 生物 合成 中 的 作用 方面 做 了 大 量 工作 。 tRNA 在 蛋白 质 生 物 合成 过 程 中 与 其 他 核酸 和 和 蛋白 质 发 生 相 互 作 用 。 tRNA 反 密 码 子 与 mRNA 密码 子 的 相互 配对 , 除 苯 循 碱 基 配 对 原则 外 , 还 可 能 受 tRNA 分 子 中 其 他 部 分 核 苷 酸 、mRNA 上 的 其 他 序列 以 及 核糖 体 识别 的 影响 。 近年 来 发 现 tRNA 尚 有 一 些 其 他 功能 , 诸 如 与 谷 氨 酰 tRNA 和 叶绿素 的 生物 合成 有 关 ; 含 硒 的 tRNA 可 以 促进 mRNA 的 翻 译 ; 反 转 录 病 毒 在 反 转 录 时 需要 tRNA 作 引 物 ; 在 蛋白 质 N 端 加 一 个 氨基 酸 残 基 ;, CRARRRAR HI: KRIZRHADWeA 质 降解 需要 氨 酰 tRNA; 合成 脂 多 糖 ; 合成 细菌 细胞 壁 ;, 含 硒 氨 基 。54 。 酸 的 合成 以 及 含 硒 蛋白 质 的 生物 合成 需要 特殊 的 以 UAG 为 密码 子 的 tRNA 等 。 核糖 体 是 细胞 合成 蛋白 质 的 场所 。 早 先 的 模型 认为 核糖 体 只 有 两 个 tRNA 结合 位 点 : A 位 为 氨 酰 tRNA 结合 位 点 ,P 位 为 肽 酰 tRNA 结合 位 点 。 近 来 的 三 点 模型 认为 核糖 体 上 有 三 个 tRNA 结合 位 点 。 除 A、P 两 个 位 点 外 , BATE 1B tRNA 出 口 位 。 按 新 的 模型 , 肽 键 形成 时 , 原 来 在 P 位 的 空 载 tRNA 并 不 立即 从 核糖 体 上 解 离 下 来 , 而 是 移 位 到 下 上 。 当 新 的 氨 酰 tRNA 结合 A 位 时 , 核 糖 体 构 象 发 生 改 变 , E ii tRNA 才 解 离 下 来 。 构 象 的 改变 提高 了 对 氨 酰 tRNA 的 识别 作用 , 从 而 提高 了 有 蛋 日 质 合 成 的 正确 性 .整个 过 程 涉及 到 200 多 种 生物 大 分 子 的 协同 作用 ,各 种 蛋白 质 与 RNA 的 具体 作用 目前 尚 不 甚 了 解 。 大 肠 杆菌 核糖 体 有 三 种 RNA (5S, 16S, 23S) 和 50 多 种 和 蛋白质, 它们 的 序列 已 全 部 被 测定 。 诡 勒 (Noller) 等 提出 了 一 个 被 广泛 接受 的 16S rRNA 二 级 结构 模型 。 嗜 热 杆 菌 核糖 体 结 晶 已 获得 成 功 , 为 核糖 体高 级 结构 的 研究 创造 了 条 件 。 替 尔 (Herr) 等 认为 大 肠 杆菌 核糖 体 的 两 个 亚 基 之 间 的 结合 主要 人 靠 16S 与 23S rRNA 之 间 的 碱 基 配 对 来 实现 ;实验 表明 16SrRNA 的 一 个 含 790 个 核 昔 酸 的 环 位 于 两 个 亚 基 相 接触 的 平面 上 。 在 16SrRNA 中 有 三 个 区 域 可 因 与 tRNA 的 结合 而 被 保护 。 它 们 是 核糖 体 上 mRNA 和 tRNA 的 结合 部 位 , 亦 即 核糖 体 解 码 部 位 。23SrRNA 的 区 域 V 与 肽 基 转 移 酶 有 关 。 区 域 V 的 中 心 环 上 许多 保守 的 核 苷 酸 序列 代表 了 A fit, P AE 位 。 植物 毒 蛋 日 对 真 核 细 胞 蛋白 质 生 物 合成 的 抑制 作用 主要 是 使 BBR EG. MAH BH (a-sarcin) 专 一 水 解 真 核 细 胞 28S rRNA4325 和 4326 位 间 的 磷酸 二 酯 键 ; ERR BES A (ricin)、 天 花 。55。 - 8 POO EE IEE 粉 毒 蛋白 (trichosanthin) #—7K ## 28S rRNA4324 位 腺 苷 酸 的 糖 昔 键 。 虽 然 这 些 毒 蛋白 只 导致 一 个 化 学 键 的 断裂 , 但 已 使 核糖 体 完全 失 活 。 这 说 明了 rRNA 有 着 非常 重要 的 生物 功能 。 而 在 肽 键 合成 的 起 始 、 延 伸 和 终止 阶段 , rRNA 与 mRNA 也 通过 碱 基 配 对 而 发 生 相互 作用 。 以 前 认为 ,mRNA 编码 区 内 每 三 个 核 苷 酸 编码 一 个 氨基 酸 , 密码 子 间 没有 停顿 间隔 , 但 近来 却 发 现 有 些 情 况 下 翻译 过 程 可 以 发 生 跳 跃 , 可 以 向 回 跳 , 使 某 些 核 苷 酸 被 阅读 两 次 ; 也 可 以 向 前 跳 , 使 某 些 区 域 不 被 翻译 。 一 种 观点 是 发 生 跳 跃 的 区 域 常 可 形成 假 结 结构 。 核 糖 体 从 假 结 结构 的 一 个 单 链 环 上 可 轻易 地 跳 到 另 一 个 单 链 环 上 。 真 核 生 物 蛋白 质 合成 的 短期 调控 发 生 在 翻译 的 起 始 阶段 。 合 成 起 始 阶段 包括 几 个 过 程 : 核糖 体 解 离 成 大 小 亚 基 ; elF、GTP 和 甲 硫 氨 酰 起 始 tRNA 形成 三 元 复合 物 ; 三 元 复合 物 与 40S 小 亚 基 结合 形成 43S 起 始 复合 体 ;,43S 起 始 复合 体 与 mRNA 结合 形成 48S 起 始 复合 体 ,48S 起 始 复合 体 与 60S 大 亚 基 结合 形成 80S 起 始 复合 体 。 整 个 过 程 需要 十 个 以 上 的 不 同 起 始 因子 协同 而 有 序 的 作用 。 核糖 体 对 起 始 密码 子 的 识别 ,一般 认为 是 核糖 体 亚 基 在 mR- NA 上 扫描 完成 的 。 近 来 , 索 尔 伦 堡 (Sonenberg) 认为 mRNA 首 先 与 elF-4B 结合 , 再 与 43S 起 始 复合 物 结合 , elF-4B 在 mRNA5' 端 区 扫描 发 现 起 始 密码 子 , 进 而 使 核糖 体 亚 基 与 mRNA 结合 到 合 适 的 部 位 。 但 是 最 近 有 一 些 实验 表明 , 有 一 些 mRNA 并 不 遵循 上 述 扫描 机 理 。 核 糖 体 并 不 扫描 mRNA 的 5 端 区 而 直接 与 mRNA 内 部 的 起 始 密码 子 结合 并 开始 翻译 。 大 多 数 真 核 mRNA 具有 5' 帽 式 结构 , 它 与 mRNA HEAR ere 合成 效率 有 密切 的 关系 。 已 知 elF-4E 和 elF-4F 参与 对 帽 式 结构 的 识别 , 并 且 这 种 识别 可 能 是 肽 链 起 始 的 总 的 调控 方式 。 网 织 红 细胞 在 缺少 血红 素 时 , 肽 链 的 起 始 即 被 特异 性 地 阻 断 。 一 般 认 为 elF-2 和 GEF 的 相对 含量 是 控制 肽 链 起 始 的 关键 。 3.3.7 反 义 核 酸 与 酶 活性 RNA 反 义 RNA 发 现 于 1983 年 ,尽管 1969 年 就 已 观察 到 入 噬菌体 DNA 同一 区 段 的 双 链 都 被 转录 。 天然 存在 的 反 义 RNA 只 是 相当 短 的 序列 , 但 也 有 相当 长 的 反 义 RNA。 它 们 是 正 链 RNA 的 互补 链 , 是 生物 体内 的 一 种 重要 调控 物质 , 可 在 多 层次 上 进行 调控 。 例 如 抑制 质粒 的 复制 、 调 节 细 菌 内 质粒 的 拷贝 数 , 阻 止 两 种 类 似 质 粒 在 同一 细胞 内 存在 。 反 义 RNA 可 以 在 转录 和 翻译 水 平 上 调控 细菌 和 叭 菌 体 基因 的 表达 。 虽 然 至 今 没 有 直接 证 据 表 明 真 核 生 物 中 存在 反 义 RNA, 但 有 迹象 表明 真 核 生 物 内 亦 有 反 义 RNA, 并 主要 在 翻译 水 平 上 进行 调控 。 反 义 RNA 的 发 现 使 人 们 找到 了 一 条 通过 调节 病毒 或 癌 基 因 表达 来 控制 、 治 疗 病毒 病 或 恶性 肿瘤 的 可 能 途径 。 方 法 可 以 是 把 反 义 基 因 导 入 细胞 , 细胞 可 以 转录 出 反 义 RNA.。 或 是 用 人 工 合成 的 宅 聚 核酸 直接 导入 生物 体内 。 反 义 核 酸 作 用 的 机 理 主要 有 位 阻 《可 以 分 别 抑制 翻译 、 转 录 和 转录 后 加 工 )、 核 糖 核酸 酶 H 降解 与 反 义 DNA 互补 的 病毒 RNA 以 及 还 不 清楚 的 非 序列 特异 性 机 理 、 反 义 核酸 与 DNA 双 链 结合 成 三 链 形式 而 影响 转录 等 .此 外 , 双 链 DNA 与 共 价 连接 EDTA/VFe、 氯 乙 胺 等 入 生 物 的 反 义 核酸 形成 三 链 结构 后 , 可 被 修饰 或 降解 。 近 年 来 , 用 朝 聚 反 义 核 酸 直 接 导 入 细胞 以 抑制 艾滋 病 病毒 的 研究 发 展 极 快 。 我 国 用 反 义 核 酸 直接 导 入 小 鼠 抑 制 小 鼠 白 血 病 病 毒 的 生长 也 已 成 功 。 研 究 多 着 眼 于 合成 2 576 ——— = 不 易 被 降解 的 核酸 类 似 物 , 选 择 反 义 核 酸 的 攻击 位 点 以 及 导入 方 法 等 , REEVE RNA 实际 上 也 是 反 义 RNA 的 一 种 。 切 赫 和 奥 特 曼 因 80 年 代 初 发 现 酶 活性 RNA 而 获得 1989 年 诺 贝 尔 化 学 奖 。 几 年 来 ,已 相继 发 现 了 几 十 种 酶 活性 RNA。 按 其 作用 底 物 , 可 分 为 自 体 催 化 和 有 异体 催化 两 类 。 按 作用 方式 可 分 为 剪 切 型 cleavage) 和 BY BAW (splicing) ,催化 tRNA 前 体 5 端 成 熟 的 核糖 核酸 酶 P 以 及 植物 类 病毒 、 拟 病毒 和 卫星 RNA 的 自我 剪 切 属于 前 者 ; 剪接 型 又 可 分 为 I 型 (如 四 膜 虫 rRNA 前 体 及 线粒体 第 一 组 RNA ABH) 和 工 型 (如 线粒体 第 二 组 RNA AGF). 各 类 酶 活性 RNA 的 一 级 结构 中 都 有 进化 上 高 度 保守 的 序 列 , 这 些 序列 与 其 催化 活性 有 关 。 大 多 数 已 知 具 有 自我 前 切 活 力 Ay RNA 都 能 形成 “ 锤 头 ” 状 或 “发 夹 ” 式 的 二 级 结构 。 四 膜 虫 酶 活性 RNA ( 即 rRNA 前 体 中 的 间 插 序列 ) 的 结构 已 比较 清楚 。 它 含有 一 个 G 结合 位 点 , 靠 间 播 序列 内 的 一 个 内 部 导 引 序列 使 中 端 剪接 位 点 、3' 端 剪接 位 点 以 及 G 结合 位 点 靠拢 在 一 起 。 然 后 由 G 引发 一 连 串 的 转 酯 反应 而 完成 自我 剪接 。 核 糖 核酸 酶 P 作用 机 理 中 有 一 外 部 导 引 序列 来 决定 酶 切 位 点 。 已 知 的 酶 活性 RNA 主要 催化 各 类 RNA (包括 tRNA rRNA 和 mRNA) 前 体 的 加 工 或 参与 类 病毒 、 拟 病毒 和 卫星 RNA 的 复 制 过程 。 某 些 第 一 组 内 含 子 是 可 移动 的 元 件 。 某 些 第 二 组 内 含 子 的 编码 蛋白 与 反 转 录 病 毒 的 反 转 录 有 关 。 相当 一 部 分 酶 活性 RNA 在 体内 处 于 核 蛋 白 体 内 。 尽 管 RNA 与 蛋白 质 结合 可 以 提高 催化 效率 , 但 在 较 高 的 阳离子 浓度 下 , 在 试管 内 仅 核 酸 部 分 就 具 催化 活性 。 因 此 可 以 设想 核糖 体 、snRNP 等 核 蛋白 体 的 RNA 也 可 能 具有 催化 活力 。 。58 。 酶 活性 RNA 的 发 现 , 表 明 RNA 是 一 种 既 能 携带 遗传 信息 又 有 生物 催化 功能 的 生物 大 分 子 。 因 此 很 可 能 RNA 是 生命 起 源 中 首先 出 现 的 生物 大 分 子 , 而 一 些 有 酶 活性 的 内 含 子 可 能 是 生物 进 化 过 程 中 残存 的 “分 子 化 石 ”。 多 尔 特 纳 (Doudna) 和 索 尔 斯 得 区 (CSzostak) 最 近 用 四 膜 虫 酶 活性 RNA FE LSE RR BK RE HR RG RNA 模板 互补 的 42 核糖 核 苷 酸 。 这 个 实验 证 明 RNA 具有 自我 复制 的 能 力 。 可见, SHE RNA 的 研究 促进 了 分 子 水平 上 的 生命 起 源 的 研究 。 根据 酶 活性 RNA 结构 与 功能 关系 的 研究 , 可 以 设计 并 人 工 合成 自然 界 不 存在 的 酶 活性 RNA, 一 般 都 是 按 “ 锤 头 ”结构 模 型 设计 合成 。 人 工 合成 的 最 小 酶 活性 RNA 是 十 三 聚 核糖 核 苷 酸 。 人 工 合成 的 酶 活性 RNA 可 以 用 来 防治 动 植物 、 人 类 疾病 。 国 外 用 酶 活性 RNA 阻止 艾滋 病 病 毒 的 复制 已 获得 初步 结果 。 我 国 也 已 在 体外 用 酶 活性 RNA 成 功 地 剪 切 了 乙肝 病毒 、 甲肝 病毒 、 和 蛋 核 多 角 体 病 毒 、 鸡 法 氏 圳 病 病 毒 及 烟草 斑纹 病毒 等 核酸 片段 。 3.4 糖 复合 物 糖 复合 物 包括 糖 恒 日 、 蛋 白 聚 糖 和 糖 脂 三 大 类 。 直 至 本 世纪 60 年 代 , 糖 复合 物 的 研究 才 得 到 重视 。 特 别 是 近 二 三 十 年 来 , 发 现 大 多 数量 日 质 都 含有 糖 。 糖 蛋白 中 糖 的 含量 差别 很 大 , 少 则 不 足 1%, 多 者 可 达 90% 以 上 。 在 生物 界 普 遍 存在 , 出 现在 具有 不 同 功能 的 蛋白 质 中 , 如 酶 、 受 体 、 激 素 及 结构 蛋 日 等 。 同 时 发 现 糖 链 担负 着 一 些 重要 生理 功能 , 如 细胞 粘着 、 生 长 、 分 化 、 识 别 等 等 , 从 而 使 糖 复 合 物 的 研究 成 为 当今 的 一 项 热门 课题 。 近 年 来 有 机 化 学 分 析 技 术 飞 路 发 展 ,解决 了 许多 复合 糖 结构 的 测定 困难 。 。59 。 测定 细胞 表面 糖 重 日 上 的 糖 链 全 结构 的 技术 已 经 发 展 起 来 , 从 而 大 大 推动 了 此 领域 的 研究 。 3. 4. 1, 糖 复合 物 的 结构 糖 复合 物 的 结构 从 某 种 意义 上 说 比 蛋白 质 与 核酸 的 结构 还 要 复杂 。 蛋 白质 中 氨基 酸 之 间 的 连接 形成 一 条 没有 分 支 的 肽 链 , 核 酸 中 核 苷 酸 之 间 连 接 也 不 形成 分 支 ; 而 单 糖 之 间 的 结合 可 以 有 许 多 方式 而 且 往 往 是 分 支 的 。 过 去 测定 一 个 复合 糖 结构 , 首 先 要 制 成 衍生 物 ,, 然后 水 解 成 单 糖 ,最 后 用 气相 色谱 -质谱 仪 定 出 单 糖 组 成 。 再 结合 外 切 糖苷 酶 等 方法 推断 出 糖 基 顺 序 。 这 种 方法 样品 的 用 量 大 , 又 费时 。 近 年 来 推出 了 一 系列 新 技术 和 新 仪器 , 例 如 雍 集 素 亲 和 柱 , 可 以 把 复合 糖分 成 几 个 类 别 , 如 果 同 时 把 复合 糖 标 上 放射 性 同位 素 或 荧光 物质 , 则 可 检 出 极 微量 物质 。 用 凝集 素 亲 和 层 析 柱 可 分 出 糖 蛋白 上 糖 链 的 某 些 特性 二 天 线 、 三 天 线 、 核 心 岩 藻 糖 等 , 把 它们 和 细胞 的 生长 发 育 、 癌 变 等 联系 起 来 可 得 到 一 些 有 意义 的 结果 。 近年 高 压 液 相 色谱 (HPLC) 也 已 广泛 用 于 糖 的 分 析 。 用 HPLC 可 以 对 复合 糖 的 单 糖 残 基 进 行 定 性 或 定量 分 析 。HPLC 又 可 用 来 分 离 和 测定 复合 糖 的 结构 .用 2D-HPLC 法 , 一 相 用 闭 相 柱 (ODS 柱 ), 另 一 相 用 氢 酰 吸附 柱 (AMIDE 柱 ), 可 把 层 析 行为 十 分 接近 的 复合 糖分 开 。 如 果 同 时 有 标准 品 对 比 , 就 有 可 能 得 出 未 知 糖 的 结构 。 但 是 目前 的 标准 品 太 少 , 积 累 标准 品 的 数据 成 为 当 前 十 分 关注 的 问题 。 NMR 技术 不 仅 成 为 测定 复合 糖 的 空间 结构 , 而 且 是 复合 糖 结构 定性 的 重要 手段 。 由 于 它 所 显示 的 出 峰 图 谱 都 相当 稳定 , 所 以 各 实验 室 之 间 所 得 结果 容易 比较 。 目 前 的 问题 仍 是 标准 样品 的 。60 。 图 谱 太 少 。 NMR 可 以 测定 溶液 中 样品 的 构象 , 因 此 复合 糖 和 其 受 体 或 凝集 素 之 间 结 合 后 的 构象 也 可 用 NMR 测定 , 这 样 就 可 从 分 子 水 平 上 研究 结合 机 理 , 也 可 用 来 进行 糖苷 酶 和 糖苷 转移 酶 催化 机 理 的 研究 。 快 原子 猴 击 质谱 是 研究 复合 糖 结构 的 另 一 种 重要 技术 手段 。 此 外 , 应 用 生化 方法 研究 复合 糖 结构 也 卓有成效 。 体 内 或 体 外 放射 性 同位 素 标记 , 或 用 纯化 的 糖苷 酶 逐步 降解 复合 糖 以 测定 复合 糖 的 “一 级 结构 ”, 乃 是 沿用 较 久 的 分 析 方 法 。 内 切 糖苷 酶 使 糖 链 从 蛋白 质 或 糖 脂 上 游离 出 来 , 便 于 糖 链 结构 测定 。 目 前 已 知 的 内 切 糖 苷 酶 的 种 类 不 多 , 同 时 这 些 内 切 糖 苷 酶 也 只 能 选择 性 地 对 某 些 糖 链 有 作用 。 更 多 地 开发 内 切 糖苷 酶 也 是 很 重要 的 工作 。 高 度 专 一 和 高 效 价 的 单 克隆 抗体 已 被 用 于 糖 链 结构 的 测定 。 小 鼠 似乎 对 糖 链 有 较 高 的 免疫 反应 性 , 因 此 许多 针对 糖 复合 物 的 单 克隆 抗体 几乎 有 半数 以 上 是 针对 糖 链 的 , 所 以 有 可 能 用 作 糖 链 结构 检测 , 例 如 单 抗 R24 用 以 检测 GD3。 综 上 所 述 , 由 于 近年 来 新 技术 、 新 方法 的 开发 , 使 数 百 种 糖 链 结构 得 以 前 明 , 这 一 势头 正方 兴 未 艾 , 研 究 的 深入 必 将 大 大 促 进 糖 复合 物 功能 的 了 解 。 3.4.2 ” 糖 链 的 合成 代谢 与 糖苷 转移 酶 虽然 近年 来 人 们 对 糖 链 结构 才 有 较 深 理解 , 可 是 糖 链 的 合成 代谢 及 分 解 代谢 在 70 年 代 已 具 轮廓 。 核 酸 分 子 中 的 单 核 苷 酸 顺序 是 通过 复制 而 子 代 相传 , 蛋 日 质 分 子 中 的 氨基 酸 序列 是 以 核酸 为 模板 保持 其 正确 的 排列 , 糖 复合 物 中 糖 基 顺 序 是 依赖 糖苷 转移 酶 逐个 延伸 。 糖 苷 转移 酶 多 数 存 在 于 高 尔 基体 中 , 同 时 多 数 糖 将 转 * 0]。 移 酶 有 很 高 的 底 物 专 一 性 , 众 化 特定 的 连接 键 , 其 在 高 尔 基体 中 的 分 布 一 般 认 为 有 其 一 定 的 规律 性 。 上 述 因素 可 能 起 着 有 序 地 将 各 个 糖 基 加 到 糖 链 上 的 作用 。 糖苷 转移 酶 镶嵌 于 细胞 膜 中 , 需 要 去 污 剂 助 党, 含量 少 , 稳 定性 极 差 , 酶 活性 的 检测 十 分 烦琐 , 底 物 又 不 易 获得 , 因 此 对 它 们 的 结构 研究 进展 甚 慢 , 近 年 来 有 了 一 些 重要 突破 。 至 今 已 弄 清 了 10 余 个 酶 的 一 级 结构 。 由 此 发 现 糖苷 转移 酶 在 转录 水 平 上 得 到 调节 酶 , 有 些 糖苷 转移 酶 的 活性 受 磷酸 化 与 脱 磷酸 化 调控 。 这 些 结果 为 今后 研究 糖 链 功 能 提供 了 十 分 有 力 的 手段 。 纯 化 糖苷 转移 酶 并 弄 清 其 氨基 酸 一 级 序列 ,是 当今 既 热 门 又 被 视 为 县 途 的 课题 。 深 酶 体 中 富 含 各 种 糖苷 酶 , 它 们 担负 着 水 解 糖 链 的 功能 。 由 于 缺失 某 一 种 糖苷 酶 会 造成 一 些 先天 性 疾病 , 临 床 实 践 中 的 这 一 发 现 , 曾 促进 了 糖 脂 的 研究 。 之 后 又 发 现 糖 蛋白 上 糖 链 未 端的 甘 露 糖 -6- 磷 酸 是 一 种 信号 , 带 有 这 一 信号 的 蛋白 质 在 高 尔 基体 中 合 成 后 , 将 转移 至 溶 酶 体内 。 但 是 后 来 又 发 现 并 非 所 有 溶 酶 体 中 蛋 白质 都 带 有 这 一 信号 , 说 明细 胞 内 蛋白 质 定 位 于 溶 酶 体 还 有 其 他 机 理 。 3.4.3 糖 链 的 功能 糖 的 种 类 及 连接 方式 的 高 度 多 样 性 , 表 明 糖 重 折 和 糖 脂 上 的 糖 链 可 能 编码 大 量 信息 。 许 多 实验 证 明 : 糖 链 可 以 作为 识别 信号; 细胞 的 不 同 分 化 阶段 细胞 表面 糖 链 的 表达 也 不 同 ; 瘤 细 胞 表面 的 糖 链 也 不 同 于 正常 细胞 , 糖 链 也 参与 细胞 的 粘着 ; 糖 脂 可 以 影响 细胞 的 内 吞 作用 , 也 可 能 影响 细胞 膜 中 的 受 体 或 蛋 日 质 的 功能 等 等 。 蛋白 质 分 子 上 的 糖 链 对 蛋 日 质 本 身 的 影响 是 人 们 很 感 兴趣 的 ° 62° 问题 。 糖 对 蛋白 质 的 折 大 、 大 分 子 装配 、 蛋 白质 构象 稳定 、 细 胞 内 定位 、 分 泌 出 细胞 等 都 尚 待 研究 。 有 些 糖 蛋白 当 不 含 糖 的 时 候 , 似乎 还 能 很 好 地 执行 功能 , 但 对 另 一 些 则 糖 基 化 是 必要 的 , 我 们 尚 不 了 解 这 一 差异 的 基础 , 还 没有 发 现 依存 性 的 规律 。 糖 蛋白 可 能 糖 基 化 的 位 点 常 多 于 实际 糖 链 数 , 这 些 特定 的 糖 基 化 位 点 及 特定 糖 基 化 位 点 上 的 糖 链 结构 与 蛋白 质 本 身 结构 的 关 系 以 及 和 加 工 酶 的 底 物 专 一 性 的 关系 等 都 是 有 待 研究 的 课题 。 对 于 功能 的 理解 往往 借助 于 对 不 同 发 育 或 分 化 阶段 细胞 糖 链 的 分 析 , 或 是 外 加 某 种 糖 复合 物 于 培养 细胞 中 等 手段 。 但 是 , 这 种 静态 的 或 外 加 因素 的 观察 , 其 缺点 很 明显 。 如 果 人 们 能 操纵 机 体 及 细胞 内 糖 链 的 合成 和 加 工 , 那 未 可 能 了 解 机 体 不 同 发 生 阶段 糖 链 变 化 的 意义 , 从 而 得 出 十 分 有 意义 的 结果 。 这 就 需要 发 展 更 多 的 特异 的 糖苷 转移 酶 抑制 剂 , 或 将 糖苷 转移 酶 基因 转移 到 本 来 不 表达 的 细胞 中 去 , 以 观察 糖 链 的 影响 。 3.4.4 BEF 凝集 素 是 一 类 能 和 糖 类 结合 的 非 酶 、 非 抗体 的 蛋白 质 。 糖 类 作为 信息 分 子 的 功能 要 通过 糖 类 和 蛋白 质 的 相互 作用 而 体现 。 此 , 雍 集 素 和 糖 类 相互 作用 的 研究 就 成 了 糖 生 物化 学 的 一 个 重要 方面 。 凝集 素 的 研究 至 今 已 有 百 余 年 的 历史 , 纯 化 的 植物 凝集 素 已 有 百 余 种 , 测 得 一 级 结构 的 也 有 数 十 种 。 它 们 的 氨基 酸 序列 至 少 有 30 狼 的 同 源 性 。 如 果糖 结合 专 一 性 相同 , 同 源 性 可 达 70-80%, 约 有 7 种 植物 的 凝集 素 的 空间 结构 已 被 测定 。 它 们 高 级 结构 的 同 深 性 超过 一 级 结构 的 同 源 性 。 动物 凝集 素 的 研究 始 于 1968 年 . 几 类 动物 凝集 素 的 糖 结合 。 63° ay as NS 与 钙 离 子 有 关 , 它 们 都 有 一 个 约 130 个 残 基 的 糖 识别 域 (CRD), 此 类 凝集 素 中 最 引 人 注 目的 是 与 炎症 的 发 生 、 肿 瘤 的 转移 有 密切 关系 。 如 S 动物 凝集 素 与 细胞 分 化 以 及 组 织 形成 有 关 。 此 外 尚 有 P 凝集 素 等 与 此 有 关 。 3.5 生物 膜 细胞 外 面 有 一 层 质 膜 包 庄 。 真 核 细胞 除 质 膜 外 , 还 有 组 成 各 种 细胞 器 的 膜 , 如 线粒体 膜 、 内 质 网 系 膜 、 溶 酶 体 膜 、 高 尔 基体 膜 、 核 膜 等 。 由 于 细胞 内 膜 的 存在 ,细胞 被 分 隔 成 多 个 功能 区 域 。 3.5.1 生物 膜 的 结构 虽然 不 同 的 生物 膜 的 基本 结构 均 为 脂 双 层 , 但 由 于 其 中 所 含 的 蛋白 质 和 糖 复 合 物 等 的 不 同 , 而 具有 不 同 的 生物 功能 。 过 去 用 电镜 、 冰 冻 蚀 刻 、 小 角度 X 射线 衍射 研究 膜 结构 获得 了 许多 信息 , 并 于 1972 年 提出 了 “流体 灸 钳 ” 模 型 。 近 年 更 增加 了 电子 顺 磁 共 振 、 核 磁 共 振 等 新 技术 , 又 提出 了 生物 膜 的 “板块 镶 钳 ”模型 。 认 为 整个 膜 可 视 为 具有 不 同 流动 性 的 “ 微 区 ”Cdomain) 相间 隔 的 动 态 结构 。 生物 膜 在 一 般 条 件 下 都 呈现 脂 双 层 结构 , 但 在 某 些 生理 条 件 下 , 如 细胞 内 大 与 外 排 、 细 胞 融合 、 蛋 白质 跨 膜 运送 等 , 均 可 出 现 非 脂 双 层 结构 , 如 六 角形 及 微 团 等 结构 。 据 估计 ,, 细胞 中 大 约 有 20--50%% 的 蛋白 质 是 与 生物 膜 结构 联 系 的 。 一 些 蛋 白质 穿插 在 膜 中 , 如 血型 糖 蛋白 。 近 年 对 于 光 反 应 中 心 X 射线 晶体 学 的 研究 有 了 较 好 的 进展 , 第 一 次 成 功 地 在 原子 水 平 上 阑 明 了 一 个 膜 蛋白 的 结构 ,促进 了 对 这 个 复合 蛋白 的 了 解 。 。64。 需要 更 多 这 样 的 进展 , 才 能 推动 对 膜 蛋 日 结构 与 功能 的 了 解 。 3.5.2 生物 膜 的 功能 生物 膜 是 生物 分 子 的 组 装 , 是 超 分 子 结构 。 过 去 的 研究 已 提 HET REARS BRIAR, MARA, APR. Al 道 、 电 子 传递 体系 等 , 它 们 参与 细胞 识别 、 细 胞 粘着 、 传 送 功 能 、 信息 放大 功能 、 电 子 传 递 功 能 等 等 。 当 今 这 方面 的 研究 仍然 受到 很 大 关注 。 同 时 由 于 结构 研究 的 快速 进展 , 结 构 与 功能 的 关系 以 及 它们 的 作用 机 理 也 逐步 得 到 了 解 , 例 如 乙酰 胆 碱 受 体 的 作用 机 理 。 跨 膜 信息 传递 则 已 取得 了 很 大 成 就 。 膜 蛋 日 与 膜 脂 的 相互 作 用 也 有 不 少 报道 。 关于 分 子 组 装 也 已 有 很 好 的 开端 , 诸 如 信号 肽 的 发 现 、 磷 酸 甘露 糖 残 基 的 导向 作用 等 等 。 3.6 激素 激素 是 沟通 细胞 间 与 器 官 间 的 重要 化 学 信使 ,通过 内 分 泌 、 自 分 泌 、 旁 分 泌 、 神 经 内 分 泌 等 作用 方式 行使 传讯 功能 , 从 而 使 机 体 组 合成 一 系列 高 度 严 密 的 控制 系统 , 调 节 生命 的 全 过 程 。 生 物 从 受精 卵 开 始 , 生 长 、 发 育 、 成 熟 乃 至 衰老 , 都 受 激素 的 影响 和 调节 。 激 素 作用 的 本 质 和 活动 规律 的 盖 明 , 不 仅 对 于 生命 科学 具 有 重要 的 理论 意义 , 而 且 对 于 人 类 的 内 分 泌 疾 病 〈 如 糖尿 病 、 脑 垂体 病 和 甲状 腺 病 等 ) 及 非 内 分 泌 疾 病 (如 心血 管 疾病 、 肿 瘤 、 精 神 疾 病 等 ) 的 发 病 机 理 、 临 床 诊断 与 治疗 , 对 于 实现 人 类 计划 生 育 , 延 缓 衰老 均 有 实际 意义 。 动 物 激素 研究 对 于 家 畜 饲 养 、 鱼 类 。 65 。 aa a ae ~ 增产 以 及 植物 激素 研究 对 农业 增产 和 农产品 储存 , 均 有 广泛 应 用 价值 。 此 外 , 新 型 激素 及 生物 活性 肽 类 药品 的 研究 也 有 良好 应 用 前 景 。 3.6.1 新 肽 类 激素 的 发 现 近年 来 由 于 放射 免疫 组 织 化 学 、 免 疫 细 胞 化 学 、 高 效 液 相 层 析 和 分 子 生物 学 技术 等 新 方法 、 新 技术 的 应 用 , 大 大 加 速 了 新 肽 类 激素 发 现 的 速度 。 其 中 神经 肽 类 激素 、 胃 肠 肽 类 激素 、 循 环 系 统 肽 类 激素 以 及 肽 生长 因子 尤为 突出 。 迄 今 为 止 陆续 发 现 的 神经 肽 有 50 余 种 , 如 吗啡 调节 肽 、 催 眠 肽 等 ; 胃 肠 肽 类 激素 已 达 40 余 种 ; 循环 系统 肽 类 激素 有 数 十 种 , 如 心 钠 素 、 血 管 紧 张 素 、 心 律 失常 肽 、 内 皮 素 等 , 肽 类 生长 因子 有 50 余 种 , 如 表皮 生长 因子 、 血小板 衍生 的 生长 因子 、 胰 乌 素 样 生长 因子 、 成 纤维 细胞 生长 因 子 、 神 经 生长 因子 等 。 此 外 还 有 胰 抑 素 、 甘 丙 素 、 降 钙 素 基因 相 关 肽 vc 和 8 等 。 3.6.2 ” 肽 类 激素 受 体 结构 与 功能 的 研究 近年 来 由 于 分 子 生 物 学 的 飞速 发 展 , 提 供 了 各 种 制备 和 纯化 受 体 的 新 技术 新 方法 。 如 单 克 隆 抗体 技术 和 亲 和 层 析 结 合 可 得 到 纯度 十 分 高 的 受 体 量 白 , 利 用 突变 细胞 体外 培养 可 增加 细胞 株 上 的 受 体 数 , 而 增加 受 体 的 来 源 ; 利用 DNA BEA TN aR Ae I 和 激素 受 体 等 , 使 受 体 的 结构 和 功能 的 研究 成 为 可 能 。 目 前 利用 基因 工程 方法 已 确定 多 种 受 体 蛋 白 如 胰岛 素 受 体 IRD, 上皮 生 长 因子 受 体 (EGFR ) 等 的 一 级 结构 。 进一步 利用 基因 剪接 和 突变 方 法 , 把 突变 基因 导入 细胞 中 , 得 到 含有 不 同 突变 受 体 的 细胞 株 , 利 用 受 体 的 结构 和 功能 表达 的 关系 , 精 细 地 确定 受 体 恒 日 的 各 个 功 ° 66° 能 部 位 , 这 是 目前 受 体 研 究 的 十 分 活跃 的 领域 , 它 将 有 力 推动 细 胞 识别 、 信 和 号 转 导 和 调控 的 分 子 机 理 的 研究 。 配 体 与 受 体 相互 作用 的 生物 化 学 过 程 的 研究 有 赖 于 提供 足够 纯化 的 受 体 蛋白 。 用 核磁 共振 技术 和 X 射线 衍射 技术 , 研 究 配 体 与 受 体 在 溶液 中 或 晶体 三 维 结构 中 相互 作用 、 缔 合 和 解 离 过 程 , 这 对 阐明 受 体 的 结构 与 功能 的 关系 以 及 配 体 与 受 体 相互 作用 的 分 子 机 理 都 是 十 分 重要 的 。 目前 已 知 膜 受 体 的 结构 可 分 为 胞 外 .路 膜 和 胞 内 三 个 片段 。 胞 外 片段 被 糖 基 化 , 而 路 膜 片段 包含 有 葡 水 的 螺 放 结构。 上 上 生 长 因子 受 体 、 胰 岛 素 受 体 及 血小板 衍生 的 生长 因子 是 典型 的 具有 胞 质 酪 氨 酸 蛋白 激酶 (TPK) 活力 的 简单 路 膜 受 体 。 其 胞 外 片段 相 WHA, PCA, 并 且 可 能 包含 有 配 体 结 合 与 受 体 - 受 体 间 相互 作用 的 部 位 。 生 长 激素 及 促 乳 素 属于 不 具有 TPK 活力 的 简单 跨 膜 受 体 。 多 重 跨 膜 受 体 已 经 确定 的 有 两 类 , 即 单 链 七 次 跨 膜 受 体 与 多 链 受 体 。 前 者 与 G 蛋白 偶 联 , 如 肾上腺 素 能 受 体 可 与 G. 及 Gi 蛋白 结合 ,, 草 毒 碱 乙 酰 胆 碱 受 体 可 与 G 蛋白 结合 。 调 PACA SRA RK KAS. ao Y 氨基 丁 酸 受 体 及 烟 碱 乙酰 胆 碱 受 体 乃 配 体 控 制 的 通道 。 现 已 了 解 绝 大 多 数 已 知 的 受 体 是 由 不 相互 依赖 的 功能 片段 结构 域 组 成 的 和 谍 入 蛋白 .如 EGF 受 体 的 胞 RRA ARR a SAR RE, RRA AA RA TR 及 负 调 Gy 654) 功能 膜 内 片段 的 TPK 部 分 具有 ATP 结合 CR 721)、 底 物 结合 及 催化 功能 , 羧 端 尾部 具有 信和 号 调节 功能 。 由 于 受 体 的 氨基 酸 序列 的 确定 , 目 前 已 经 能 够 对 不 同 氨基 酸 残 基 在 参 与 受 体 功能 中 的 意义 作出 一 些 论 断 。 在 探讨 激素 的 受 体 持 抗 物 方面 也 有 不 少 成果 。 近 年 来 对 肽 类 激素 衍生 物 研究 的 结果 发 现 , 改 变 多 肽 的 结构 使 其 失去 原 有 的 激 ° 67° 素 功 能 , 但 羧 端 片段 仍 能 识别 受 体 , 这 样 的 多 肽 衍生 物 往往 可 以 VEAGS KA SORT. HA RRS SEK (CCK)、 血 管 活性 肠 肽 (VIP), FRRWA. BRAM P 物质 的 一 些 衍 生物 就 有 这 种 作 用 。 受 体 研 究 对 一 些 新 的 生物 分 子 和 新 合成 药物 的 设计 和 评价 作 出 了 很 大 贡献 。 很 多 生物 分 子 和 药物 可 以 利用 与 受 体 结合 的 方法 进行 筛选 , 并 可 以 发 现 新 的 物质 。 例 如 脑 啡 肽 就 是 在 研究 识别 吗 啡 的 阿片 受 体 工作 中 发 现 的 。 人 们 通过 进一步 对 分 子 结构 的 改造 就 有 可 能 制 成 镇 痛 效 果 强 但 不 能 成 瘾 的 药物 。 大 脑 的 神经 递 质 激 素 和 其 他 物质 的 受 体 与 学 习 、 记 忆 、 思 维和 情绪 等 密切 相关 。 如 脑 中 神经 递 质 或 其 他 活性 物质 的 受 体 脱 敏 可 引起 机 体 反应 迟滞 和 障碍 。 因 此 神经 兴奋 物 和 它 的 抑制 剂 与 记忆 和 智能 关系 的 研究 也 是 受 体 研究 的 重大 课题 之 一 。 3.6.3 受 体 后 信息 转 导 机 理 的 研究 肽 类 激素 与 靶 细胞 的 受 体 结合 后 , 其 信号 的 转 导 机 理 可 分 为 三 类 : 中 通过 cAMP 介 导 的 激素 有 胰 高 血糖 素 、 胰 记 素 、 生 长 抑 素 、TRH、ACTH、FSH、TSH、LH、MSH、 甲 状 旁 腺 激素 、 加 RE (V:) 、 催 产 素 等 。@ 经 过 PI、 钙 离子 介 导 的 激素 有 胃 泌 素 、 峙 皮 素 、ACTH、 加 压 素 、CCK 等 。@@ 经 酷 氨 酸 激酶 介 导 的 激素 有 胰岛 素 、 表 皮 生 长 因子 等 。 激素 与 膜 受 体 结 合 后 , 引 发 细胞 内 信和 号 物质 的 生成 , 其 中 包 括 第 二 信使 : Ca 、cAMP、 甘 油 二 酯 、 三 磷酸 肌 醇 CIP;), OB 酸 肌 醇 GP.) 等 ; 然后 经 第 二 信使 介 导 活化 细胞 内 的 一 些 蛋 白 激 酶 系统 (依赖 于 cAMP 的 蛋白 激酶 、 依 赖 于 cGMP 的 蛋白 激酶 、 依 PIF Ca2+ 钙 调 素 的 蛋白 激酶 、 依 赖 于 Ca2+ 磷 脂 的 蛋白 激酶 以 及 依 赖 于 多 胺 的 蛋白 激酶 ) 2 A BY a YR ae, PE 。68 。 各 种 生理 效应 。 当 然 调节 蛋 日 质 磷 酸化 过 程 的 逆反 应 还 有 各 种 类 型 的 蛋白 磷酸 酶 蛋白 磷酸 酶 1、2A、2B、2C 及 酷 氨 酸 蛋 白 磷酸 酶 ) BA. UPROAR, MAIR ARE EE fo ee FE PREC EE AD. SCART] AS BY) SE A SR a HB UE 能 是 一 种 新 的 信号 转 导 途径 中 所 发 生 的 早期 事件 。 目前 对 于 激素 及 生长 因子 与 受 体 相互 作用 后 所 产生 的 一 系列 复杂 的 反应 过 程 , 已 比 过 去 了 解 得 更 为 详细 , 但 反应 过 程 相当 复 杂 , 其 详细 的 分 子 反 应 过 程 有 竺 进一步 前 明 , 其 终端 效应 物 是 哪 些 关 键 分 子 有 待 研究。 此 外 各 种 类 型 蛋白 激酶 与 重 昌 磁 酸 酶 的 生 理 底 物 绝 大 多 数 尚 不 了 解 , 也 需 进一步 探索 。 3.6.4 固 醇 类 激素 作用 机 理 的 研究 固 醇 类 激素 作用 在 于 调控 基因 表达 的 假设 , 早 在 60 年 代 初 卡 尔 逊 (Karlson) 发 现 昆虫 晓 皮 素 导 致 其 巨 染 色 体形 态 变 化 时 已 经 $e). HR Jensen) 等 发 现 峻 激素 受 体 蛋 白 的 存在 后 , 提出 了 两 步 机 理学 说 , 即 激素 在 靶 细 胞 中 以 高 亲和力 专 一 性 地 结合 特定 的 受 体 蛋 白 后 , 进 入 细胞 核 , 与 染色 质 结 合 , 从 而 导致 某 些 特定 基 因 的 激活 或 抑制 。 随 后 大 量 的 工作 都 集中 于 各 种 激素 受 体 的 鉴定 、 提纯 、 结 构 功 能 分 析 , 以 及 受 激素 调控 的 靶 基 因 的 分 离 与 鉴定 。 借 助 于 DNA 重组 克隆 等 分 子 遗传 学 新 技术 , 最 近 五 六 年 来 几乎 所 有 固 醇 类 激素 受 体 基因 均 得 以 克隆 和 序列 测定 , 可 以 看 到 它们 的 绪 构 有 很 大 的 同 源 性 , 形 成 一 个 所 谓 的 男 醇 类 受 体 超大 家 族 。 其 成 员 除 已 知 的 固 醇 类 受 体外 , 还 包括 甲状 腺 素 、 维生素 D3 及 视 黄 酸 等 的 受 体 , 某 些 癌 基 因 如 verbA , 甚 至 一 些 通过 cDNA RUA 交 发 现 的 配 基 不 明 的 类 似 蛋白 , 它 们 的 结构 特征 是 都 有 三 段 保守 性 氨基 酸 组 成 : C 端 有 激素 配 基 结 合 域 , 中 间 为 保守 性 很 强 的 “ithe DNA 结合 域 , N 端的 长 度 及 氨基 酸 保守 性 较 低 , 一 般 认 为 是 起 转 录 增 强 作用 的 区 域 。 与 此 同时 , 受 控 靶 基因 的 研究 表明 它们 的 5 端 上 游 调 控 区 具有 对 激素 受 体 复合 物 起 反应 的 顺 式 元 件 , 即 所 谓 HRE (hormone responsive element) 利用 离 体 转录 系统 , 通 过 遗 传 工程 技术 , 特 别 是 基因 转移 、 点 突变 、 结 构 域 交换 实验 , 对 受 体 分 子 的 功能 域 的 确定 , 受 体 与 其 靶 基 因 DNA 及 其 他 转录 因子 间 相 互 作 用 的 分 子 细节 , 染 色 体 结构 的 参与 、 激 素 配 基 的 作用 等 方面 均 有 所 阐明 。 目 前 认为 激素 诱导 的 基因 转录 增强 作用 可 能 是 通过 下 述 模式 完成 的 : 固 醇 类 激素 与 丢 细胞 内 受 体 结合 形 成 复合 物 后 与 受 体 偶 联 存在 的 90kD 热 休 克 蛋 白 自 受 体 分 子 上 解 离 ; 受 体 的 构象 改变 , 引起 DNA 结合 区 暴露 ; 不 同 受 体 的 DNA 结合 域 中 专 一 的 氨基 酸 “ 寻 找 ” 特 异 的 DNA 序列 保守 的 氨基 酸 形成 的 环 或 指 状 结构 与 特异 DNA 序列 结合 。 受 体 蛋 日 很 可 能 是 以 二 聚 体 形式 起 作用 , 结合 于 HRE 后 , 还 与 其 他 起 反 式 作用 的 核 蛋白 因子 相互 作用 , 促 进 了 以 RNA 聚合 酶 工 为 中 心 的 转录 启 始 前 复合 机 制 的 形成 与 稳定 , 从 而 使 转录 作用 迅速 进行 。 受 体 蛋 折 因 而 也 可 以 被 看 作 是 一 种 转录 蛋 日 , 是 需 有 特定 的 配 基 〈 激 素 ) 激活 的 转 录 因 子 。 最 近 报 道 的 结合 于 鸡 卵 清和 蛋白 基因 上 游 启 动 子 的 转录 因 子 (coup-TF) 也 具有 受 体 大 家 族 共有 的 结构。 利用 cDNA 交叉 杂 交 , 还 发 现 不 少 类 似 结 构 的 因子 , 它 们 的 功能 尚 属 未 知 , 其 配 基 为 何 也 竺 鉴定, 可 以 设想 也 是 蔓 水 性 小 分 子 , 为 不 同 细胞 所 特有 的 , 很 可 能 是 细胞 代谢 或 营养 产物 , 起 着 细胞 内 在 调节 (intracrine) 作用 。 这 些 新 发 现 , 使 固 醇 类 激素 受 体 的 研究 不 仅 成 为 基因 表达 及 调控 领域 的 前 治 阵地 , 可 能 还 将 为 发 展 细胞 内 在 调 节 系 统 的 探讨 提供 线索 。 鉴于 固 醇 类 激素 的 效应 极为 复杂 和 广泛 , 除 通过 受 体 起 作用 - 70° 外 , 是 否 还 有 不 属于 直接 调控 基因 表达 的 其 他 作用 , 特 别 是 与 细 胞 膜 的 相互 作用 如 何 , 还 是 在 争论 中 的 问题 , 有 符 进 一 步 研 究 。 3.6.5 激素 、 生 长 因子 与 癌 基 因 关 系 的 研究 癌 基 因 的 发 现 是 肿瘤 研究 的 一 个 里 程 碑 , 而 阐明 激素 、 生 长 因子 受 体 与 瘤 基 因 及 其 产物 的 关系 是 近年 分 子 生 物 学 和 分 子 肿瘤 学 研究 的 热点 。 近 几 年 来 , 大量 实验 结果 表明 , 不 同 的 原 瘤 基 因 产 物 都 是 复 杂 的 细胞 信号 转 导 网 络 中 的 组 分 , 在 信号 网 络 中 这 些 量 日 质 完 成 不 同 的 功能 , 其 中 包括 : 在 细胞 外 侧 表现 为 配 体 及 生长 因子 功能 (sis, hst, fgf-5, int-2 等 ), 在 质 膜 中 表现 为 受 体 的 功能 (ras, erb, fms, neu, ros, trk, met, kit, ,ret,sea 等 ) , 在 胞 质 中 具有 信和 号 转 导 物 的 作用 (raf-1,mos,pim-1,abl 等 ), 以 及 在 核 中 作为 转 KA (erb A, C-jun, jun-B, jun-D, C-fos, fra-l, fos-B, C- myc,myb?,ets-1,ets-2,ski,rel 等 ) 。 这 些 实验 提示 我 们 , 即 使 不 是 全 部 , 大 多 数 交 基 因 的 产物 参与 生长 因子 一 受 体 一 应 答 途 径 , 由 于 在 这 点 上 的 变化 导致 恶性 转化 。 生长 因子 与 受 体 结合 后 , 通 过 受 体 后 的 信号 传递 , 最 后 导致 特定 的 基因 激活 , 蛋 日 质 生物 合成 以 及 细胞 的 分 裂 、 增 殖 、 分 化 等 活动 的 产生 。 目 前 受 体 后 的 信号 传递 途径 的 研究 已 成 为 前 沿 领 域 , 特 别 是 生长 因子 和 癌 基 因 产 物 在 信和 号 传递 中 的 相互 关连 更 是 令 人 注目 酷 氨 酸 蛋 日 激酶 (TPK) 途径 是 人 们 熟悉 的 途径 之 一 。 非 转 化 细胞 蛋 昌 质 酷 氨 酸 磷酸 化 反应 仅 占 总 磷酸 化 的 0.03%%,, 而 转化 细胞 约 增加 30 倍 , 故 现在 认为 酷 氨 酸 残 基础 酸化 是 细胞 生长 调节 的 关键 之 一 。 多 种 生长 因子 受 体 , 如 EGF. PDGF, CSF-1, FGF ea 及 IGF 受 体 都 具有 TPK 活性 。 一 些 癌 基因 产物 如 src, yes, 、fgr、 lck 、fyn、lyn、hck 、abl、arg 、fes 等 也 具有 TPK 活性 , 并 且 不 需 与 配 体 结合 就 处 于 激活 状态 。 使 细胞 内 和 蛋白质 的 栈 氨 酸 残 基础 酸化 , 产 生 细 胞 分 裂 的 信号 , 这 也 许 是 转化 蛋白 促进 细胞 转化 的 重要 原因 之 一 。 此 外 在 许多 分 化 及 无 核 细胞 中 也 发 现 有 较 高 水 平 的 TPK 活力 ,这 说 明 TPK 不 仅 与 癌 化 及 生长 因子 介 导 的 有 丝 分 裂 有 关 , 而 且 也 能 调节 已 分 化 及 生长 着 的 细胞 .。 最 近 又 发 现 与 Src. XH) TPK, P56, Lek, p59, fyn 能 与 工 淋 巴 细胞 的 CD4 和 CD8 AM BRAVE. ULAR ARR A ER LB] REE T Ae 起 重要 作用 。 35 Fe Pa 免疫 生物 学 是 当今 生物 科学 的 核心 内 容 之 一 。 分 子 免疫 学 和 分 子 生物 学 以 及 细胞 生物 学 的 许多 前 沿 课题 有 关 , 其 中 包括 大 分 子 的 结构 和 功能 、 分 子 识 别 、 多 样 性 起 源 和 分 子 进化 、 信 和 号 的 路 膜 传 递 , 以 及 细胞 激活 、 细 胞 的 相互 作用 和 分 化 等 , 同 时 它 又 是 现代 医学 的 主要 基础 领域 之 一 , 与 诸如 器 官 移植 、 上 自身 免 疫 、 预 防 医学 等 密切 相关 。 分 子 免疫 学 在 当今 的 生命 科学 中 点 有 重要 地 但 。 当今 国际 上 分 子 免疫 学 的 主要 课题 是 识别 分 子 和 效应 分 子 的 结构 、 功 能 和 基因 。 3.7.1 免疫 球 和 蛋白 及 其 基因 免疫 球 蛋 日 Ug) 既是 B 淋巴 细胞 识别 抗原 的 受 体 , 又 是 免 疫 应 答 中 的 效应 分 子 。 ° 726 Ig 分 子 是 由 两 条 重 链 CH 链 ) 和 两 条 轻 链 (上 链 ,k 或 入 链 ) 组 成 。 链 内 存在 球状 的 功能 区 (domain) 结构 , 有 可 变 功 能 区 (V 区 ) 和 恒定 功能 区 〈C 区 )。 在 轻重 链 V 区 , 间 隔 在 支架 区 内 的 各 3 个 高 变 区 (或 互补 决定 区 ,CDR) 共同 组 成 抗原 结合 部 位 , 是 抗体 识别 抗原 决定 复 的 结构 基础 。 现 已 建立 前 明 抗 原 - 抗 体 结合 关系 的 晶体 结构 , 进 一 步 的 研究 将 有 助 于 改进 抗体 的 特异 性 和 到 和 力 。 > Ig 分 子 有 膜 型 和 分 这 型 两 种 型 式 。 它 们 在 羧基 端的 氨基 酸 不 同 , 膜 型 Ig 具有 朴 水 氨基 酸 , 因 而 可 固着 在 膜 上 。 这 两 种 形式 不 同 的 Ig 是 通过 RNA 剪接 造成 的 。 重 链 和 KA 轻 链 各 有 其 独立 的 基因 簇 位 于 三 对 不 同 的 染色 体 上 .。 重 链 的 V 区 是 由 三 个 独立 的 基因 片段 共同 编码 的 。 是 由 数目 众多 的 胚 系 基因 随机 组 合成 的 。 不 同 的 组 合 可 造成 数目 巨大 的 不 同 V 区 基因 。 在 重 排 过 程 中 涉及 部 位 特异 的 重组 酶 。 通 过 酶 切 和 有 序 但 不 一 定 准确 的 连接 , 去 除了 插入 序列 , 将 V- (D) -J SA 片段 连 在 一 起 。 迄 今 这 些 重 组 酶 尚未 被 分 离 出 来 , 什 么 机 理 引 起 重 排 也 不 清楚 。 造 成 抗体 V 区 多 样 性 除 上 述 机 理 外 ,, 尚 存在 体 细 胞 突变 的 机 理 。 这 些 突变 只 发 生 在 V 区 基因 ,而且 突变 频率 很 高 (010 一 10“/bp 代 ), 高 突变 常 和 高 亲和力 抗体 的 产生 相关 , 引起 高 突变 的 原因 尚 不 清楚 。 Ig 基因 虽然 位 于 成 对 染色 体 上 , 但 它 只 表达 其 中 一 条 上 的 基 因 , 称 为 “等 位 基因 排斥 ”。 在 重 排 时 有 的 有 效 , 有 的 无 效 。 一 旦 产生 有 效 重 排 就 可 表达 。 一 个 B 细胞 的 抗体 只 有 一 种 抗原 特异 性 , 但 却 可 有 不 同 的 Ig 类 别 , 如 IgM、IgG 等 。 这 是 由 于 重 链 C 区 基因 的 转换 所 致 。 重 链 C 基因 位 于 V 区 基因 片段 的 下 游 。 FS ,。 a Ig 基因 的 表达 和 重 排 是 由 转录 控制 的 .其 启动 子 在 V BAR Rey Ede, 增强 子 位 于 J、C 基因 片段 之 间 。 最 近 找 到 很 多 结合 Ig 启动 子 和 增强 子 的 转录 因子 。 有 些 因子 已 获得 基因 克隆 , 所 有 Ig 的 启动 子 都 共有 两 个 序列 , 八 聚 体 (ATGCAAAT) fl TATA HE. 现 已 找到 多 种 能 和 局 动 子 结合 的 因子 , 多 数 是 非 组 织 特 异 的 , 也 有 些 是 特异 的 , 如 和 八 聚 体 结合 的 oct-2 结合 蛋白 。 在 增强 子 上 也 有 多 个 蛋白 结合 位 点 ,在 找到 的 结合 蛋 日 中 少数 是 组 织 特异 的 ,如 结合 在 重 链 增强 子 eB 部 位 的 NF-AB, 在 r 部 位 的 NF-r, 绪 合 k 链 增强 子 kB 部 位 的 NF-kB 等 。 对 入 链 增强 子 的 了 解 较 少 。 今后 将 会 加 强 特 异 转录 因子 基因 调节 的 研究 。 由 于 对 抗体 及 其 基因 的 了 解 以 及 高 技术 的 渗透 , 使 当今 种 种 抗体 基因 工程 崛起 , 如 诡 合 抗体 、 重 构 抗体 、 催 化 抗体 以 及 将 抗体 和 毒素 、 酶 等 重组 在 一 起 产生 新 效应 的 抗体 分 子 。 现 还 建立 了 库 克 隆 化 技术 (repertoire cloning) ,构成 联合 免疫 球 蛋 白文 库 , 能 将 小 鼠 或 人 的 Ig BARA 细菌 内 表达 , 并 分 刻 有 特异 结合 能 力 的 单 抗 片段 一 -VH 或 Fab, 该 技术 据 称 有 可 能 取代 目前 的 杂交 瘤 技术 。 最 近 还 报道 , 通 过 有 机 合成 获得 模拟 抗体 互补 决定 区 的 化 合 物 , 它 具有 原 抗 体 的 结合 功能 。 但 由 于 它 不 是 肽 , 因 而 没有 一 般 肽 的 弱点 , 如 半衰期 短 和 免疫 原 性 强 等 。 抗 体 工程 的 发 展 日 新 月 异 。 3.7.2 TARR Re (TCR) SEM Xt TCR AY SA RILEY SF. Et ee EER AE 家 族 成 员 之 一 , 在 结构 、 基 因 组 成 和 重 排 方 式 以 及 多 样 性 产生 的 机 理 方面 都 和 Ig 的 情况 很 相似 , 但 也 有 自己 的 特点 。 (1) TCR 是 二 硫 键 相 连 的 异 二 聚 体 , 构成 TCR 的 多 肽 链 有 4 种 : ac、B、7Y、8$, 它 们 分 别 构成 vB 型 和 vs 型 两 种 TCR , 具 有 不 。74。 同 的 功能 和 分 布 。xw、Y BERN V 区 是 由 重 排 后 的 V、J 丁 基因 片段 编 码 的 , B、7 链 的 V 区 是 由 重 排 后 的 VD) 片段 编码 的 。C 区 是 由 一 个 或 几 个 C 基因 编码 的 。 在 产生 TCR 多 样 性 的 机 理 中 迄今 未 发 现 有 体 细 胞 突变 的 机 理 参与 。 (2) 两 个 TCR 都 和 CD3 分 子 结合 成 复合 结构 。CD3 分 子 是 指 三 种 20kD 左右 的 肽 链 (7. 8. ©), WG RRMA C. 1 HBS. 完整 的 TCR-CD3 包括 至 少 8 个 亚 单位 , 它 们 结合 成 四 种 基本 结 构 : TCRopB 或 TCRY3S、ys、h AICS RAC. ENA RE 的 相互 作用 对 受 体 复 合 物 的 组 装 十 分 重要 。CD3 分 子 〈 特 别 是 胞 PAK BER CBE) 可 能 是 将 TCR 接受 的 信息 传递 到 胞 内 ,通过 磷酸 酰 肌 醇 途 径 导 致 工 细 胞 的 早期 激活 。 最 近 发 现 工 细胞 表面 的 其 他 分 子 如 CD4, 通 过 酷 氨 酸 激酶 等 也 参与 了 激活 。 3.7.3 组 织 相 容 性 基因 复合 物 MHOC) 及 抗原 的 加 工 和 = MHC 分 子 是 免疫 细胞 间 相 互 作用 时 的 关键 表面 分 子 。 从 80 年 代 开 始 , 人 们 对 人 和 小 鼠 的 MHC 基因 作 了 大 量 克 隆 、 定 位 、 测 序 工 作 , 并 研究 其 产物 的 生化 性 质 。 1) MHSC 分 子 分 三 大 类 : I 类 分 子 涉及 递 呈 胞 内 合成 的 内 源 性 抗原 给 CD8 TI Aid. IRA PRIA SHUR CD4*T AA 胞 , 开 类 分 子 涉及 补体 的 C2、C4、Bf 及 21- 羟 化 酶 。MHC I I 类 分 子 也 是 免疫 球 蛋 白 超 家 族 的 成 员 。 1 类 分 子 由 一 条 重 链 和 一 条 82- 微 球 和 蛋白 组 成 。I 类 分 子 由 链 和 有 链 构成 。 目 前 已 分 析 了 人 的 MHC 分 子 HLA-A2 和 HLA-AW68 的 晶体 结构 ,HLA-B27 的 三 维 结构 分 析 也 将 完成 。 从 对 HLA-A2 的 研究 表明 ,分子 的 顶 部 有 一 个 和 抗原 片段 结合 的 沟 汪 ,, 长 25 入 , 宽 10A 。 °75 。 2) 工 细 胞 只 识别 位 于 MHC 分 子 上 的 抗原 片段 , 目 前 很 多 研 究 涉 及 抗原 在 细胞 内 的 加 工 以 及 加 工 后 的 抗原 肽 如 何 与 MHC 1 类 或 工 类 分 子 结合 。 胞 内 合成 的 抗原 如 病毒 的 蛋白 是 在 胞 质 溶胶 中 降解 并 被 转运 到 内 质 网 , 和 新 合成 的 I 类 分 子 的 重 链 结合 , 以 后 B2- 微 球 蛋白 再 和 重 链 结合 。 和 I 类 分 子 结合 的 肽 的 大 小 为 8 一 9 个 氨基 酸 。 工 类 分 子 在 合成 后 先 和 不 变 链 Cnvariant chain) 4 合 , 以 后 解 离 掉 再 和 内 香 后 降解 的 抗原 肽 结合 。 和 工 类 分 子 结合 的 抗原 肽 的 大 小 , 现 已 证 明 为 13 一 17 FREER. BIH HH 运送 抗原 肽 穿 过 胞 内 膜 结 构 时 所 涉及 的 转运 体 (transporter) 及 其 基因 。 | 3)MHC 是 迄今 所 知 最 复杂 的 多 态 性 系统 。 过 去 MHC 分 子 多 用 血清 学 和 细胞 学 分 型 , 80 年 代 开 始 引用 RFLP, 现 因 PCR 技术 的 开展 , 可 直接 分 析 MHC 基因 的 DNA 序列 。 目 前 已 定名 的 工 类 分 子 的 等 位 基因 近 80 个 ,I 类 分 子 的 等 位 基因 约 110 个 ,今后 可 望 有 更 多 新 的 发 现 。 4) 对 MHC 基因 的 表达 和 调控 方面 研究 主要 也 是 在 调控 序列 及 其 相关 的 DNA 结合 蛋白 。 在 MHSC I 类 基因 的 调控 方面 已 在 启 动 子 区 找到 一 个 干扰 素 反 应 序列 , 它 常 要 和 增强 子 A 协同 才 起 作 用 。 此 外 已 经 克隆 了 至 少 四 个 相应 的 结合 蛋白 , 其 中 三 个 是 和 增 强 子 A 所 在 的 区 域 结 合 , 一 个 是 和 干扰 素 反 应 序列 结合 。 现 又 开 始 对 起 负 调 节 作 用 的 元 件 和 结合 蛋白 进行 研究 。 在 MHC I 类 基 因 的 调控 方面 , 现 认为 主要 和 启动 子 一 近 侧 区 有 关 , 此 区 兼 有 启 动 子 和 增强 子 的 特点 。 现 找 出 了 与 转录 有 关 的 X_、Y、 允 RZ 元 件 及 其 结合 蛋 日 , 如 结合 X 元 件 的 RF-X M24 Y A NF-Y 等 。 结 合 W 元 件 的 蛋白 也 已 发 现 , 但 尚未 得 到 基因 克隆 。 Be MHC 分 子 是 免疫 细胞 间 相互 作用 的 重要 分 子 外 , 一 类 调 i 可, 节 淋 巴 细胞 远 移 和 细胞 间 相 互 作用 的 粘 合 分 子 (adhension molecule) 也 起 重要 作用 , 如 淋巴 细胞 功能 相关 抗原 (LFA1,2, 3) 和 胞 间 粘 合 分 子 (ICAM) 等 。 这 部 分 的 研究 最 近 发 展 很 快 , 值 得 引起 注意 。 3.7.4 补体 补体 在 抗 感染 和 清除 免疫 复合 物 中 起 重要 作用 。 它 是 一 个 庞 大 的 系统 ,已 知 有 30 多 种 蛋白 ,包括 溶血 的 补体 成 分 、 调 节 恒 日 和 补体 受 体 , 并 建立 了 几乎 所 有 补体 成 分 的 基因 克隆 以 及 部 分 调 节 蛋 白 和 受 体 的 基因 克隆 。 近 年 来 在 补体 的 结构 、 功 能 、 生 物 合 成 、 基 因 组 成 、 多 态 性 方面 进展 都 很 快 , 其 中 主要 包括 下 述 几 个 方面 : 1) 补体 的 活化 有 两 条 途经 : 经 典 途 经 和 旁 路 途经 。 两 条 途经 在 C3 组 分 处 相交 , 由 此 走向 活化 后 段 共 同 的 效应 途经 。 在 研究 活 化 机 理 方 面 最 主要 的 几 项 进展 为 :DC1 活化 的 机 理 、Cl 分 子 结构 和 活化 的 关系 以 及 Cl 抑制 物 抑制 Cl 自发 活化 的 方式 ;GDC5 一 C9 攻 膜 复合 物 形成 的 机 , 包括 C5 一 C9 的 作用 次 序 和 集合 过 程 ,证 明 补体 在 膜 上 造成 的 穿孔 是 C9 聚合 形成 的 简 状 结构 所 致 , BC3 转 化 酶 和 C5 转化 酶 形成 的 机 理 。 2) 发 现 一 群 位 于 血浆 或 膜 上 的 调节 和 蛋白质, 前 者 如 Cl 抑制 物 和 C4 结合 蛋白 , AAMAS DAF) 和 膜 辅 因子 蛋白 (MCP) 等 。 调节 蛋 日 质 的 作用 大 体 包括 : 中 抑制 补体 在 液 相 的 自 发 活化 ; 名 增强 或 减弱 补体 对 靶 物 质 的 作用 ;,@@ 保 护 宿 主 细胞 不 受 补体 作用 的 损伤 。 3) 在 多 种 细胞 上 找到 补体 成 分 的 受 体 , 如 CR1 一 CR5、C3a、 C5a 受 体 等 。 补体 受 体 在 识别 相应 的 配 基 后 会 引起 各 种 细胞 应 答 , 六 7。 如 C5a 能 引起 嗜 中 性 日 细胞 的 趋 化 作用 , 并 使 细胞 表面 的 CR1、 CR3 表达 增加 。 红 细胞 上 的 CR1 有 助 于 清除 循环 免疫 复合 物 。 4) 补体 和 疾病 特别 是 和 炎症 的 关系 。 由 于 补体 是 急性 炎症 的 主要 介质 之 一 , 控 制 补体 激活 或 抑制 活性 片段 对 减少 炎症 中 的 组 织 损伤 是 有 效 的 。 已 有 报告 , 注入 重组 的 可 溶性 补体 受 体 CR1 有 助 于 减轻 组 织 损 伤 。 3.7.5 细胞 因子 细胞 因子 (cytokine) 是 一 类 涉及 免疫 应 答 和 炎症 过 程 中 的 调 节 蛋 白质 , 目前 包括 白细胞 介 素 (IL-1 一 IL-12)、 干 扰 素 (IFN-a, -8B,-Y) 、 集 落 刺 激 因子 (G-CSF,M-CSF ,GM-CSF) 、 肿 瘤 坏死 因子 (TNFa, TNF8; 后 者 又 称 淋 巴 毒素 LT) 和 转化 生长 因子 (TGF-B) .新 成 员 还 在 不 断 加 入 。 现 已 获得 上 述 所 有 因子 的 基因 克 隆 和 纯 的 重组 体 , 制 作 了 许多 探 针 , 并 对 它们 的 作用 作 了 大 量 研 究 。 发 现 除 个 别 因 子 外 绝 大 多 数 是 一 种 有 多 种 细胞 调节 作用 的 因 子 , 而 且 各 因子 的 作用 有 重复 , 还 能 彼此 诱发 , 在 免疫 应 答 中 形 成 复杂 的 网 络 关 系 。 分 子 结构 上 已 经 清楚 的 有 IL-2、IL-1IB8、TNF 和 IL-8。 细胞 因子 是 通过 高 亲和力 受 体 起 作用 , 但 细胞 因子 受 体 在 细 胞 表面 上 表达 不 多 〈102 一 104/ 细 胞 ) , 给 研究 带 来 了 困难 。 目 前 已 报道 的 有 : 人 IL1 一 ILL8、GM-CSF、TNFa、TNFB 和 IFN-Y 等 受 体 的 序列 。 对 细胞 因子 受 体 在 胞 内 信和 号 传递 方面 了 解 还 不 多 。 最 近 发 现存 在 天 然 的 可 溶性 细胞 因子 受 体 , 如 在 人 尿 液 中 检 查 的 可 溶性 TNF 和 IFN-Y 受 体 , 在 血清 中 检查 的 可 溶性 IL-2Ra (Tac) 。 这 些 可 溶性 受 体 仍 保持 和 因子 结合 的 能 力 , 可 能 起 持 抗 剂 的 作用 。 有 些 可 能 起 细胞 因子 的 载体 的 作用 。 对 细胞 因子 应 用 于 。78 。 临床 作 了 许多 尝试 , 因 而 细胞 因子 成 为 目前 生物 工程 的 热点 。 3.8 分子 遗传 学 分 子 遗 传 学 是 在 分 子 水 平 上 研究 遗传 与 变异 的 机 理 , 主 要 研 究 DNA 复制 、 基 因 的 结构 、 功 能 及 基因 的 表达 和 调控 。 分子 遗传 学 起 始 于 1953 年 DNA 双 螺 旋 结 构 的 分 子 模型 提出 以 后 。 一 系列 重要 的 研究 方法 , 特 别 是 重组 DNA 技术 以 及 近年 的 聚合 酶 链 反 , 应 (PCR) .DNA 限制 性 片段 多 态 性 (RFLP) 和 快速 放大 多 态 DNA (RAPD) 方法 的 使 用 , 使 分子 遗传 学 研究 日 新 月 异地 发 展 。 在 此 基础 上 建立 的 遗传 工程 不 仅 形成 为 一 个 新 的 产业 , 同 时 又 反 过 来 促进 了 分 子 遗 传 学 、 生 物化 学 、 细 胞 生物 学 等 学 科 的 发 展 。 未 来 发 展 的 一 个 大 趋势 是 反 向 生物 学 , 即 从 内 在 的 基因 入 手 , 研 究 其 结构 和 功能 、 编 码 的 蛋白 产物 在 细胞 或 个 体 生命 活动 中 的 作用 , 盖 明 外 观 上 千变万化 的 生命 现象 的 本 质 。 分 子 遗传 学 研究 应 在 这 一 发 展 趋势 中 占 核心 地 位 。 本 书 第 3. 3 节 核 酸化 学 中 已 对 DNA 复制 、 转 录 、 翻 译 、 基 因 的 表达 和 调控 等 作 了 阐述 , 有 关内 容 不 再 在 本 节 重 复 。 3.8.1 原核 生物 的 分 子 遗 传 原核 生物 基因 组 有 同 源 序列 或 重复 序列 。 这 在 动物 DNA 病 毒 表现 得 十 分 明显 , 在 RNA 病毒 中 也 有 重复 序列 .重复 序列 与 基 因 组 的 复制 和 转录 相关 。 原核 生物 基因 结构 的 特点 是 代谢 功能 相近 的 一 组 基因 连锁 成 艇 排列 , 形 成 一 个 操纵 子 , 其 中 包括 结构 基因 、 操 纵 基 因 、 启 动 基因 和 调节 基因 。 它 们 的 产物 是 一 条 多 顺 反 子 mRNA, 在 翻译 过 。79 。 程 中 形成 各 个 结构 基因 的 不 同 肽 链 。 大 肠 杆菌 中 的 乳糖 操纵 子 、 阿 拉 伯 糖 操纵 子 都 体现 了 这 种 特点 。 关于 转录 的 调控 , 有 转录 起 始 和 终止 调控 。 起 始 调控 中 首先 是 启动 子 。 原 核 生 物 的 启动 子 有 共同 的 契合 序列 〈consenses se- quence) , 一 般 在 一 35bp 和 一 10bp Ki (pribnow box), 是 RNA 聚合 酶 的 识别 位 点 。 在 转录 时 RNA 聚合 酶 结合 在 识别 位 点 .RNA RBS HEH 20, 8, PROM (SF RNA 链 的 延伸 和 终 止 ) 加 上 因子 组 成 , 具有 转录 起 始 功能 。8$ 因子 决定 RNA 聚合 酶 对 启动 子 的 选择 性 ,不 同 $ 因子 与 核心 酶 结合 ,就 决定 了 对 不 同 启动 子 的 专 一 性 。 转录 起 始 过 程 还 有 调节 和 量 日 和 转录 因子 参与 。 转 录 调 节 蛋 日 是 双 链 DNA 结合 蛋 日 , 如 乳糖 操纵 子 的 阻 抑 恒 昌 、 阿拉伯 糖 操纵 子 中 的 激活 蛋白 , 它 们 以 螺旋 -转角 -o 螺旋 的 特征 性 结构 与 DNA #8244 . 转录 因子 如 ppGpp 与 DNA 聚合 酶 非 共 价 结合 , 变 酶 的 构象 。 转录 起 始 调控 中 复制 蛋白 质 DnaA, DnaK 与 RNA 聚合 酶 相 互 作 用 ,使 复制 与 转录 相 偶 联 。 另 一 方面 ,RNA 聚合 酶 与 起 始 tR- NA、 转 译 起 始 因子 IF-2b、 延 伸 因 子 EF-Tu 相互 作用 , 构成 转录 -翻译 相 偶 联 。 转 录 终 止 调控 可 在 基因 的 不 同位 置 进行 ,如 在 结构 基因 上 游 的 衰减 子 、 结 构 基因 的 暂停 位 点 和 下 游 的 终止 子 。 训 减 是 翻译 和 转录 的 偶合 机 制 ,以 前 导 mRNA 的 翻译 速度 调节 下 游 的 基因 转录 。 暂 停 位 点 控制 RNA 链 的 延伸 速度 。 终 止 位 点 避免 操纵 子 之 间 在 转录 上 的 相互 干扰 和 影响 mRNA 的 稳定 性 。 原核 基因 的 转录 产物 是 多 顺 反 子 mRNA, HAUG 起 始 密码 子 前 的 先导 序列 与 16SrRNA 3' 端 相互 补 , 是 核糖 体 的 结合 位 点 。 影响 翻译 效率 的 因素 主要 有 : 翻译 起 始 结构 、 起 始 密码 子 及 其 与 。80 。 核糖 体 结合 位 点 的 间距 、 第 二 密码 子 和 起 始 区 密码 子 的 次 级 结构 、 翻译 调节 因子 〈 如 蛋白 质 和 反 义 RNA) 结合 在 翻译 起 始 区 、 阻 抑 核糖 体 30S 亚 基 、 起 始 tRNA 和 mRNA 三 者 构成 的 复合 物 的 作 用 等 。 原核 生物 的 生理 状态 和 环境 因子 通过 代谢 信和 号 或 环境 因子 、 传感器 、 调 节 基 因 与 被 调节 基因 等 而 影响 基因 表达 。 例 如 : OK 肠 杆 菌 趋 化 性 响应 系统 , 如 果 培 养 基 的 化 学 成 分 改变 , 使 趋 化 传 感 器 一 一 甲 基 受 体 趋 化 性 蛋白 质 (MCP) 的 受 体 区 接受 化 学 刺激 , 通过 连接 区 将 信号 传递 到 信号 区 ,使 该 区 肽 链 的 甲 基 化 程度 变化 , 导致 构象 变化 , 结 果 使 鞭毛 驱动 取向 。 如 果 按 顺 时 针 取 向 , 则 使 调节 蛋白 CHeA 和 正 调控 蛋白 CHeY 磷酸 化 , 使 被 调节 基因 转录 和 表达 。 外 多 基因 响应 系统 传 感 踢 白 和 调节 蛋白 末端 顺序 的 保守 性 和 磷酸 化 作用 .磷酸 盐 系 统 的 phoR. M 基因 渗透 压 系统 的 En- vZ 基因 所 编码 的 蛋白 质 C 端 与 CheA 有 高 度 同 源 性 。PhoB 和 Omp R 编码 产物 N 端 与 CheY 有 高 度 同 源 性 。 磷酸 化 调节 调控 蛋 白质 的 活性 ,是 多 基因 响应 系统 中 一 个 共同 调节 机 理 . 如 CheA 可 以 使 NR I 磷酸 化 , 而 NREI 可 使 CheY 磷酸 化 。 鸣 菌 体 和 质粒 等 染色 体外 基因 与 宿主 的 相互 作用 是 依赖 、 竟 争 和 互补 的 关系 ,如 @X174 的 复制 需要 宿主 10 多 种 蛋白 ,T4 前 期 复制 需 宿主 的 复制 机 器 等 。 依赖 性 又 引起 两 者 在 复制 、 转 录 、 转 译 等 方面 的 竞争 , 如 叭 菌 体 可 以 抑制 或 破坏 宿主 的 功能 , 反之 , 宿 主 也 有 限制 外 源 基因 的 功能 。 竞 争 中 又 起 到 互补 作用 , 如 质粒 编 码 的 抗 药性 、 降 解 酶 可 使 宿主 在 特殊 环境 中 生存 。 外 源 基 因 表 达 依 赖 宿主 细胞 的 转录 和 翻译 机 器 , 但 又 不 完全 受 其 控制 。 如 噬菌体 编码 的 $ 因子 , 或 RNA 聚合 酶 附加 蛋白 , 可 改变 RNA 聚合 酶 识别 启动 子 的 专 一 性 , 达到 转录 调节 ; 质粒 控制 。81] 。 8 EAR (CCD) 系统 的 毒素 蛋白 和 抑制 毒素 蛋白 , 可 以 杀 死 无 质粒 的 往 主 细胞 , 同 时 又 使 质粒 的 复制 和 分 配 与 宿主 细胞 分 裂 偶 联 , 保 证 其 稳定 地 传代 。 3.8.2 真 核 生 物 的 分 子 遗 传 (1) BAAS 真 核 生 物 核 基因 组 的 核 苷 酸 数 一 般 在 10 一 10 BEM. AE 植物 核 基因 组 大 小 有 100 倍 的 差异 。 核 基因 组 大 小 差别 的 最 主要 原因 是 DNA 中 的 重复 序列 含量 不 同 。 小 麦 核 基因 组 中 短 重复 序 列 多 达 百 万 个 ,长 的 重复 序列 如 核糖 体 YRNA 基因 9kb 重复 5000 次 .在 人 的 核 基因 组 中 各 种 重复 序列 约 占 总 DNA 的 35%%。 重 复 序 列 的 发 生 可 以 是 各 种 复制 和 重组 的 结果 , 也 可 以 是 转 座 子 插入 的 结果 。 重 复 序列 功能 可 能 与 基因 表达 和 调节 、 同 源 染 色 体 配对 、 DNA 复制 等 有 关 。 ;村 核 基 因 组 的 基因 数目 约 5 一 10 万 个 , 占 基 因 组 的 5%%, KER 编码 蛋白 的 基因 是 单 考 贝 序 列 。 真 核 生物 中 大 多 数 基因 只 有 低 水 平 表 达 , 只 有 数 百 个 基因 有 足够 表达 。 目前 对 核 基因 组 作 图 和 测序 主要 集中 在 人 类 基因 组 作 图 和 测 序 , 以 利 分 析 和 盖 明 人 的 基因 调控 、 遗 传 病 发 病 机 理 和 有 助 于 对 疾病 的 诊断 。 与 此 同时 , 对 一 些 模型 生物 , 如 大 肠 杆 菌 IT 菌 、 酵 母 、 拟 南 人 芥菜、 玉米、 水 稻 、 线 虫 、 果 蝇 、 小 鼠 等 也 在 进 行 其 核 基 因 组 作 图 和 测序 , 以 了 解 生物 进 化 和 动 植物 分 子 育 种 等 重大 问题 。 基因 作 图 有 两 种 ; 1) 遗 传 图 谱 : 以 基因 连锁 和 重组 交换 值 构成 图 谱 , 图 距 为 CM ( 厘 摩 ) 。 用 STS (sequence tagged site, 序列 标记 位 点 ) 标记 作 鉴 = 82 e 定 。 2) 物理 图 谱 : 指明 如 限制 酶 切 点 、 基 因 等 在 DNA 上 的 位 置 。 图 距 以 物理 长 度 如 染色 体 带 区 、 核 苷 酸 对 数目 等 为 单位 。 在 物理 图 中 有 细胞 遗传 学 图 、 限 制 酶 切 图 (如 RFLP 图 )、STS 图 (染色 体 上 STS 按 其 原 有 次 序 和 间距 构图 ) 和 RAPD 图 。 《2) 核 基因 结构 核 基因 结构 基本 上 可 分 为 三 部 分 , 即 5 端 启 动 区 、 结 构 区 和 3' 端 尾 区 。 5' 端 启动 区 有 :中 转录 起 始 位 点 标志 Cap 结构 .5' -UT 引导 序列 , 这 在 不 同 基因 中 长 度 不 同 , 是 从 Cap 开始 到 起 始 密码 子 ATG 的 一 段 序列 。GTATA 盒 , 一 般 在 一 30bp 处 , 与 精确 转录 AX. @QCAAT &, 一 般 在 一 40bp 到 一 110bp 处 , 参与 转录 调节 , 而 在 植物 基因 组 中 一 般 是 AGGA 盒 。@ 增 强 子 , 可 以 活化 同 源 或 异 源 的 启动 子 。 两 个 方向 都 能 起 作用 。 可 位 于 基因 上 游 , 也 可 在 下 游 , 甚 至 可 以 远 距 离 作 用 。 其 核 苷 酸 序列 一 般 是 GTGGT/VAT/ AG。 增 强 子 的 序列 常 与 叶 哈 和 喀 喧 的 改变 有 关 , 形成 左旋 Z- DNA, 行使 对 基因 调控 。 酵 母 基因 中 的 增强 子 又 称 上 游 激活 序列 (UAS) 。@ 决 定 基 因 的 时 空 性 表达 和 对 环境 信和 号 反应 的 专 一 性 序 列 。 基因 结构 区 有 : ONT (intron) 。 大 多 数 基 因 都 有 内 含 子 , 为 不 翻译 区 , 在 Pre-mRNA 的 加 工 中 被 前 切 去 除 。@ 外 显 子 (ex- tron), 是 基因 的 翻译 区 。 转 录 后 加 工 去 除 内 含 子 , 外 显 子 连 在 一 起 , 成 为 一 个 成 熟 mRNA, 3 端 尾 区 实际 上 也 是 调节 区 , 有 转录 终止 信号 TGA 和 PolyA 序列 , 不 同 基因 的 PolyA 的 数目 也 不 同 。 。83 。 (3) 基因 表达 和 调控 基因 表达 和 调控 包括 转录 调控 与 翻译 调控 。 一 般 所 称 顺 式 元 件 指 核酸 , 反 式 因 子 指 蛋白 质 。 1) 转录 调控 研究 集中 在 顺 式 元 件 和 反 式 因子 及 其 相互 作用 。 顺 式 元 件 如 上 述 基因 5 端 区 转录 起 始 位 点 及 其 上 游 TATA &, CAAT &, £ 下 游 或 内 含 子 内 的 增强 子 和 有 的 基因 的 抑制 子 (silencer) 等 ,, 它 们 是 反 式 因子 作用 的 靶 区 。 反 式 作用 因子 很 多 , 结合 TATA 附近 的 转录 因子 有 TFIA、TFIB、TFID、TEFIE; 结合 上 游 序列 的 转录 调控 因子 有 SP-1, CTF, AP-1, AP-2, Oct-1, Oct-2 等 。 这 些 反 式 因子 一 般 都 有 不 同 的 功能 区 域 ,(domain) 如 DNA 结合 区 、 激 活 基 因 转 录 区 等 。 | RAAF DNA 结合 区 的 结构 有 多 种 不 同类 型 : @ 螺 旋 - 转 角 -螺旋 模式 : 在 两 个 螺旋 中 ,一 个 为 识别 螺旋 , 氨 基 酸 残 基 直 接 与 靶 DNA 大 沟 的 碱 基 专 一 结合 , 另 一 个 螺旋 穿越 大 沟 , 与 DNA 形成 非特 异 结合 。 在 反 式 因子 中 都 有 长 约 60 个 氨基 酸 高 度 同 源 区 或 保守 区 , 广 泛 存 在 于 从 酵母 到 人 的 各 类 生物 中 。 通 过 同 “ 源 区 域 中 螺旋 -转角 -螺旋 结构 ,与 启动 子 或 增强 子 的 特异 DNA JF 列 结合 。@) 和 锌 指 (zinc finger) 模式 : TFIEA 的 DNA 结 合 区 ,大 约 每 30 个 氨基 酸 就 有 一 对 Cys 和 His, 分 别处 在 反 平 行 B 折 又 和 "螺旋 中 , 与 Za2 十 形成 配 位 键 。 共 有 9 个 重复 单位 , 形 成 9 个 “手指 状 结构 ”。 哺乳 动物 SP-1 (26)、 酵母 细胞 的 GAL4 有 类 似 这 种 结构 。 图 亮 氨 酸 拉链 (leusine zipper) 模式 : 酵母 GCN4、 哺 乳 动物 fos AFH) DNA 结合 区 有 4 一 5 ARAM, EZ IRAE 9 个 氨基 酸 残 基 , 在 " 螺旋 上 每 绕 两 圈 就 出 现 一 个 亮 氨 酸 ,并 排 成 一 * 84° 行 。 在 两 个 蛋白 质 分 子 相应 的 螺旋 之 间 , 靠 亮 氨 酸 残 基 的 疏水 作 用 力 形成 一 条 拉链 , 使 蛋白 质 亚 基 形成 双 体形 式 和 亮 氨 酸 重复 区 碱 性 氨基 酸 处 在 适当 位 置 ,决定 DNA 序列 的 专 一 结合 。 此 外 还 有 一 些 其 他 结合 方式 。 反 式 因子 的 激活 基因 转录 区 ,一 般 由 20 一 100 氨基 酸 组 成 。 结 构 的 共同 特点 是 有 很 多 带 负 电荷 的 螺旋 , 但 在 氨基 酸 序列 上 很 少 有 同 源 性 。 激 活 转 录 水 平 与 净 负 电荷 变化 有 关 。 也 有 的 不 是 带 负电 荷 的 o 螺旋 结构 , 而 是 有 20-30% HM ARRESH. Be 和 哺乳 动物 细胞 的 反 式 因 子 激活 转录 区 可 以 互 换 。 一 种 顺 式 元 件 可 作为 多 种 反 式 因子 的 作用 各 区 。 多 种 蛋白 因 子 的 存在 , 能 增加 它们 单独 或 协同 调节 基因 转录 的 精确 性 和 灵活 性 。 反 式 因子 结合 DNA 特异 核 苷 酸 序列 常 以 二 聚 体形 式 作 用 , 有 些 可 以 是 异 源 二 聚 体 。 异 源 二 聚 体 产生 的 新 蛋白 质 , 可 能 具有 新 的 识别 专 一 性 , 或 可 能 在 两 种 生理 条 件 下 影响 基因 表达 。 有 些 反 式 因 子 经 物理 或 化 学 因素 诱导 后 才 具 有 活性 。 磷 酸化 对 一 些 蛋白 因子 的 功能 起 重要 作用 。 反 式 因子 与 特异 DNA 序列 相 作用 还 涉及 反 式 因子 之 间 的 反 应 。 以 二 聚 体 或 异 源 二 聚 体形 式 才 能 与 DNA 相 结合 , 体现 了 这 种 VER. 4¢X AF TFIA, TFIB, TFIID, TFIE#MRNA ¥F4 1 55 TATA 盒 附近 的 DNA 序列 相 作用 时 , 各 种 反 式 因子 之 间 需 遵守 一 定 的 时 、 空 秩序 性 。 位 于 DNA 上 不 同位 点 的 反 式 因子 , 可 以 通过 两 个 位 点 间 的 DNA 形成 环 (oop) 发 生 相 互 作用 , 调 节 基 因 的 转录 过 程 。 不 过 起 作用 的 是 反 式 因子 , 不 是 环 本 身 。 基因 转录 的 调控 机 理 具有 共性 。 有 些 基 因 , 如 鼠 乳腺 瘤 病 毒 。85 。 启动 基因 、SV40 病毒 早期 启动 基因 .单纯 疱疹 病毒 TK 启动 基因 、 腺 病毒 晚期 启动 基因 、8 珠 蛋 白 基因 等 的 上 游 插 入 UAS RATA 17bp, 在 人 的 Hela 细胞 中 的 GAL4 都 可 以 激活 这 些 基 因 的 表达 。 酵母 和 哺乳 动物 细胞 的 TATA 结合 蛋白 质 可 以 互 换 。 酵 母 TATA 结合 蛋白 质 可 以 替代 哺乳 动物 中 的 转录 因子 TF ID。 植物 基因 调控 研究 用 转基因 植物 作为 主要 手段 。 植 物 基因 结 构 、 组 合 方式 及 调控 机 理 与 动物 相 类 似 , 但 不 完全 相同 。 目 前 从 植物 中 已 鉴定 的 顺 式 元 件 有 光 调控 元 件 (LRE)、 热 休克 元 件 CHSE)、 种 子 特异 及 发 育 调控 元 件 CSDRE); 反 式 因子 有 GT-1, EGBF-1 等 。 对 反 式 因子 的 研究 不 如 顺 式 元 件 深入 。 2) 翻译 调控 、 真 核 生 物 的 mRNA 是 单 顺 反 子 , 一 个 mRNA 只 产生 一 个 翻 译 产 物 . 核 基 因 的 mRNA 有 很 长 的 引导 序列 ,其 中 可 有 不 止 一 个 AUG, 引导 序列 对 翻译 可 进行 调节 。 mRNA 与 蛋白 质 结 合 形成 信 使 核糖 核 蛋 白 颗 粒 (mRNP), BARRE mRNA 在 细胞 质 中 的 阻 遏 或 转译 状态 。mRNA 在 转译 和 阻 遏 状态 之 间 可 以 相互 转换 。 mRNA 的 转译 会 受到 反馈 抑制 。 在 首 薪 豆 血 红 和 蛋白 体 外 转译 AS PMA Be BMA SA YW iM HCH mRNA 转译 。 这 种 Se te rel] ZELZL SA EBT Wee) 。 (4) BAF 转 座 子 是 核 基 因 组 内 能 改变 自身 位 置 的 一 段 具 有 特殊 结构 的 DNA 序列 ,在 从 低 等 到 高 等 生物 普遍 存在 .植物 转 座 子 研究 较 多 。 转 座 子 转 座 过 程 是 同一 转 座 子 在 核 基 因 组 上 的 切割 和 插入 。 切 制 时 使 与 转 座 子 相 连接 的 目标 位 点 重复 区 核 苷 酸 增加 、 缺 失 或 倒 位 。 植物 转 座 子 在 组 织 发 育 的 特定 时 期 以 特有 的 频率 发 生 转 座 和 引起 。86 。 遗传 变异 , 并 可 调节 基因 表达 。 转 座 子 DNA 长 度 不 等 , 其 特点 是 末端 有 反 向 重复 序列 以 及 相似 序列 中 在 中 间 的 多 次 重复 。 插 入 目标 位 点 可 在 外 显 子 : Ae 子 、 启 动 子 以 及 5 端的 引导 序列 。 由 于 末端 反 回 重复 序列 , 转 座 时 两 端 配对 形成 蕉 环 结构 。 转 座 子 内 部 缺失 的 DNA bh BAIA], BE 转化 为 很 多 非 自律 性 因子 , 如 I 因子 则 是 En/spm 转 座 子 相生 而 来 ,Ds 则 是 Ac 转 座 子 的 衍生 物 。 非 自律 性 因子 基因 产物 又 产生 不 同 功 能 , 有 的 可 能 起 到 反馈 调节 作用 , 抑 制 转 座 行为 。 转 座 子 有 活动 期 和 非 活动 期 的 周期 变化 ,DNA 的 甲 基 北 修饰 可 以 调节 植 物 转 座 子 活动 。 转 座 作用 不 仅 由 DNA 引起 , 也 可 由 RNA 引起 。 由 了 RNA 引 起 的 遗传 信息 道 向 转移 传 给 DNA, 引 起 DNA 信息 结构 改变 , 称 之 为 逆转 位 作用 。 引 起 逆转 位 作用 的 遗传 因子 则 称 为 逆转 座 子 。 逆 转 座 子 可 分 为 病毒 超 家 族 和 非 病 毒 超 家 族 两 末端 重复 , 中 间 有 pol 等 基因 。 真 核 生物 核 基 因 组 中 有 与 逆转 录 病 毒 前 病毒 DNA 整 合 形态 类 似 的 序列 , 称 逆 转录 转 座 子 ,也 有 末端 重复 和 pol 等 基因 同 源 序列 。 后 者 为 核 基因 组 的 分 散 重复 序列 , 相 应 于 细胞 中 某 类 RNA 的 部 分 或 全 部 序列 , 并 保留 了 RNA 加 工 痕迹 。 可 能 这 类 序 列 是 由 RNA 逆转 录 而 成 , 但 与 真正 的 基因 相 比 , 没有 上 游 启 动 序 列 ,, 通 篆 不 表达 , 故 称道 假 基因 (retro pseudogene) 或 加 工 假 基 KK] (processed pseudogene) ) 。 几乎 所 有 种 类 的 细胞 RNA (BR rRNA 外 ), 都 能 产生 其 逆转 位 序列 。 如 RNA 聚合 酶 工 的 转录 物 构 成 的 逆转 座 子 , 有 mRNA 和 snRNA 的 逆 假 基因 和 半 加 工 的 逆 基 因 以 及 哺乳 类 的 长 分 散 重 复 序列 ; 由 RNA 聚合 酶 下 的 转录 物 (tRNA、7SK RNA, 7SL RNA) 构成 的 逆转 座 子 形成 各 种 短 分 散 重复 顺序 。 疼 转 座 子 的 整 。87 。 合 机 制 可 能 类 似 细 菌 的 转 座 子 , 它 是 核 基因 组 结构 的 重复 变异 因 素 。 高 等 植物 有 较 快 的 进化 速度 和 较 大 的 适应 能 力 , 很 可 能 与 其 数量 极 大 的 闭 转 座 子 有 关 。 由 于 RNA SEM, 发 生 加 工 变异 , 或 阅读 时 移 码 改变 蛋 日 序列 ,通常 可 以 保留 大 干 正常 的 模板 产物 ,不 会 给 生物 带 来 灾难 , 但 却 可 能 为 构建 新 的 更 有 效 的 蛋白 质 提 供 更 多 的 机 会 。 3.8.3 细胞 质 基因 组 (1) 线粒体 基因 组 动物 线粒体 基因 组 一 般 为 15 一 19kb, 包 括 编码 蛋白 的 基因 , rRNA 基因 ,tRNA 基因 和 一 个 D 环 区 或 控制 区 。.D 环 区 有 起 始 线 粒 体 DNA 复制 和 RNA 转录 的 位 点 。 动 物 线粒体 DNA 基因 组 排 列 紧凑 ,结构 基因 没有 内 含 子 . 大 多 数 调节 序列 都 位 于 D 环 区 。 线 粒 体 〈 包 括 植物 与 真菌 ) 的 遗传 密码 与 原核 、 真 核 细 胞 核 “ 通 用 密码 ”不 同 , 如 密码 UGA 在 前 者 编码 色 氨 酸 , 而 后 者 为 终止 子 。 Mu AGA, AGG, 在 前 者 为 终止 子 而 在 后 者 为 精 氨 酸 。 动物 线 粒 体 为 双 链 环 状 , 二 条 链 都 独立 复制 但 延长 方向 正好 相反 。 在 复制 时 有 时 间 差 , 如 果 蝇 、 海 胆 线粒体 DNA 一 条 链 复制 结束 , 另 一 条 链 才 开 始 复制 。 近 来 发 现 许多 神经 肌肉 疾病 与 线粒体 DNA 突变 BRK. 高 等 植物 线粒体 基因 组 大 小 差别 甚大 , 十 字 花 科 约 为 200kb, 瓜 类 的 则 有 2500kb, 其 中 10%% 是 重复 序列 。 植 物 线 粒 体 DNA 含 3 个 rRNA 基因 , 14 个 tRNA EB, 3 个 核糖 体 蛋白 基因 ,3 个 细 胞 色素 氧化 酶 基因 ,1 个 细胞 色素 还 原 酶 基因 ,5 个 ATP Bit 因 和 2 个 NADH 脱氧 酶 基因 ,, 有 的 基因 有 内 含 子 。 植物 细胞 质 雄 性 不 育 是 线粒体 DNA 突变 所 致 。 。88 。 (2) 叶绿体 基因 组 叶绿体 基因 组 一 般 为 120 一 210kb 的 环 状 分 子 。 现 已 对 地 钱 、 烟草 和 水 稻 的 叶绿体 基因 组 进行 了 全 序列 分 析 。 有 2 个 反 回 重复 区 (10 一 25kb), 各 载 1 个 rRNA 基因 操纵 子 (23S、16S 和 4. 5S rRNA)。 豆 科 植 物 只 有 1 个 rRNA 操纵 子 ,1 个 大 单 找 贝 区 (80kb) 和 1 个 小 单 拷贝 区 (20kb)。4 个 rRNA 基因 ,30 一 32 个 rRNA 基因 ,19 个 核糖 体 蛋 白 基 因 ,4 个 RNA 聚合 酶 基因 ,1 个 转译 起 始 和 延伸 因子 ,2 个 PSI 蛋白 基因 ,8 个 PSI SARA, 3 个 细胞 色素 b/ 复合 体 基 因 ,6 个 H+-ATP 酶 基因 和 1 个 Rubisco 大 亚 基 基 因 。 其 他 的 有 6 个 电子 传递 系统 基因 ,3 PARRA SE HAA, 2 个 半 透 性 酶 基因 , 以 及 还 有 28 个 功能 不 明 的 ORFs. Mt 绿 体 基因 结构 与 原核 生物 相同 , 表 达 相 似 。 很 多 基因 与 五 .col 基 因 有 高 度 同 源 性 。 (3) 细胞 质 基因 组 与 核 基 因 组 相互 关系 细胞 质 基因 组 的 遗传 系统 不 完全 , 有 一 些 重要 蛋白 质 是 有 多 个 蛋白 质 亚 基 所 构成 ,而 像 H+-ATP 酶 、 细 胞 色素 氧化 酶 等 , 它 们 有 的 亚 基 是 核 基因 组 编码 ,有 的 亚 基 是 由 细胞 质 基因 组 编码 。 核 基因 组 中 有 线粒体 DNA 同 源 序列 , 也 有 叶绿体 DNA 同 源 序列 。 编码 亚 基 的 核 基 因 和 细胞 质 基因 表达 上 也 有 协同 性 。 核 基因 组 与 细胞 质 基因 组 密切 相关 。 3.8.4 动 植物 -微生物 相互 关系 的 分 子 遗 传 IE EAN fi HE RNA 病毒 基因 组 身 兼 复制 、 转 录 和 病毒 颗粒 装 配 三 种 职能 .TMV、SBMV 、BMYV 侵入 植物 后 , 脱 去 外 壳 的 同时 , 。89。 就 进行 翻译 。 转 外 壳 蛋 白 基 因 植 物 , 因 存在 外 壳 蛋 白 , 抑 制 了 入 侵 病 毒 颗粒 脱 壳 而 抑制 病害 发 生 。 病毒 结合 膜 受 体 以 后 , 可 以 通过 内 香 进 入 胞 内 , 也 可 能 以 与 质 膜 融合 的 形式 进入 胞 内 。- 一 般 DNA 病毒 在 核 内 、RNA 病毒 在 胞 质 内 进行 繁殖 。 这 个 过 程 涉及 多 个 步 又, 任何 一 个 步骤 都 可 成 为 抗 病毒 药物 的 靶 。 和 动物 一 样 , 植 物 遇 到 病原 体 的 侵入 , 一 般 都 有 自卫 的 免疫 能 力 。 免 疫 力 不 同 , 对 病原 体 反 应 不 同 , 植 物 的 这 种 免疫 物质 称 “ 植物 解毒 素 。 这 些 解 毒素 有 丙烯 酰 合成 酶 (CHS), RAARA 裂解 酶 (PAL) Fl AREA (HRGP) 等 , 与 植物 抗 病 害 强 弱 有 关 。CHS、PAL 是 葵 丙 氨 酸 类 代谢 过 程 中 生物 合成 黄酮 类 的 酶 。 抗 性 品种 中 , 这 些 酶 的 基因 转录 、 翻 译 十 分 迅速 AT 品种 则 相反 。HRGPs 是 植物 细胞 壁 的 主要 结构 组 分 , 是 病原 菌 的 凝集 剂 , 或 使 木质 素 沉 积 , 成 为 病原 入 侵 时 的 细胞 结构 屏障 。 以 上 这 些 酶 的 基因 已 经 分 离 和 克隆 , 它 们 是 多 基因 家 族 , 不 同 的 外 界 信和 号, 诱导 激活 不 同 成 员 。 根瘤 菌 共生 固氮 与 宿主 基因 密切 相关 。 根 瘤 菌 引起 致 瘤 是 由 于 含有 结 瘤 基因 (nodD). nodD 是 调节 基因 , 其 产物 是 正 调 控 因 子 , 但 是 它 必须 受 宿 主 的 类 黄酮 激活 才 起 作用 。 被 激活 的 nodD 产 物 与 nod 基因 启动 子 区 的 47bp nod 盒 相 结合 ,nod 基因 才 表 达 。 在 一 定 条 件 下 , nodD 产物 又 是 负 调 控 因 子 。 所 以 根瘤 菌 与 宿主 间 在 结 瘤 阶 段 的 有 效 相互 作用 是 双 控制 作用 。 宿 主 的 豆 血 红 蛋 自在 根瘤 固氮 中 起 重要 作用 , 但 其 基因 必须 要 在 根瘤 菌 侵 入 后 才能 在 根瘤 中 表达 。 土壤 农 杆 菌 使 多 种 双子 叶 植 物 致 瘤 或 生根 。 对 其 Ti 质粒 或 Ri 质粒 作 了 详尽 的 研究 , 特 别 是 TDNA 的 致 瘤 基因 和 转 座 性 质 。90 。 的 研究 以 及 对 T-DNA 的 改造 , 成 为 植物 基因 工程 中 外 源 基因 的 良好 载体 .对 T-DNA 插入 的 机 理 以 及 Ti 质粒 基因 表达 与 核 基 因 的 关系 、 宿 主 植物 对 Ti 质粒 中 基因 的 诱导 等 研究 都 有 了 很 大 进 展 。 3.9 分 子 病毒 学 病毒 学 是 一 门路 生物 学 、 医 学 和 农学 的 独立 学 科 。 噬 菌 体 的 定量 遗传 研究 曾经 为 分 子 遗 传 学 的 创立 芮 定 了 基础 。 近 30 年 来 , 随 着 生物 化 学 、 细 胞 学 、 遗 传 学 、 免 疫 学 、 临 床 医学 和 动 、 植 物 病理 学 的 相互 渗透 , 相 互 促进 , 各 种 物理 、 化 学 新 技术 和 分 子 生 物 学 方法 的 广泛 应 用 ,使 病毒 学 已 经 全 面 进 入 分 子 病毒 学 阶段 ,并 成 为 分 子 生 物 学 前 沿 的 交叉 学 科 。 病毒 是 研究 基因 组 结构 和 基因 表达 调控 机 理 的 最 好 模型 。 研 究 反 转 录 病 毒 发 现 了 反 转 录 酶 , 从 而 修改 和 补充 了 遗传 信息 传递 的 “中 心 法 则 ”, 同时 使 CDNA 基因 的 合成 和 有 异 源 重 组 表达 成 为 可 能 。 肿 瘤 病 毒 的 研究 导致 了 原 瘤 基因 的 发 现 , 使 肿瘤 发 生机 理 研 帘 有 了 新 的 突破 。 真 核 病毒 基因 组 结构 和 表达 的 一 系列 重要 发 现 , 如 基因 重 琶 、 内 含 子 的 剪辑 、 转 录 后 加 工 、 翻 译 后 修饰 、 增 强 子 等 各 种 顺 式 调控 信号 和 反 式 调控 蛋白 因子 等 等 , 为 阐明 真 核 基因 表达 调控 的 基本 原理 , 带 动 分 子 生 物 学 迅速 发 展 起 了 重要 作用 。 现代 临床 病毒 学 研究 则 表明 , 有 更 多 新 的 病毒 病 正在 严重 危 害 和 威胁 着 人 类 的 生存 和 发 展 。 据 统计 , 人 和 动物 的 传染 疾病 约 有 四 分 之 三 是 由 病毒 所 引起 。 诸 多 病毒 病 对 人 类 的 严重 威胁 , 与 容 寥 无 几 的 防治 手段 形成 极 鲜 明 的 反差 。 造 成 这 种 局 面 的 主要 原 因 之 一 , 就 是 因为 人 们 对 各 种 病毒 的 分 子 生 物 学 知识 积累 仍 远 远 « Ol e 不 足以 为 防治 病毒 病 提 供 必 要 的 理论 指导 和 可 行 的 技术 手段 。 分 子 病毒 学 的 发 展 将 改变 这 种 状况 。 同 时 以 杆 状 病毒 为 代表 的 无 公 害 病毒 杀 虫 剂 的 开发 应 用 和 以 各 种 病毒 为 载体 的 基因 工程 , 则 将 为 减轻 虫害 、 改 善 环境 , 促 进 以 生物 技术 为 支柱 的 高 技术 产业 的 发 展 , 实 现 肿瘤 及 遗传 疾病 的 基因 治疗 开创 新 的 途径 。 随 着 分 子 病 毒 学 的 发 展 , 国 外 已 有 20 多 种 单 科 病 毒 的 分 子 生 物 学 专著 出 版 或 再 版 .如 DNA 或 RNA 肿瘤 病毒 、 流 感 病毒 、EB 病毒 、 副 粘 病毒 、 腺 病毒 、 肝 炎 病 毒 、 杆 状 病毒 及 类 病毒 等 的 分 “ 子 生物 学 。 干 扰 素 、 病 毒 基 因 工程 、 病 毒 免疫 学 等 方面 的 专著 和 专 论 也 很 多 。 我 国 候 云 德 主编 的 《分 子 病毒 学 》 一 书 比较 全 面 地 介绍 了 80 年 代 的 成 果 。 3.9.1 病毒 分 类 和 进化 的 分 子 生物 学 原则 . 随 着 病毒 分 离 鉴定 方法 的 改进 , 大 量 新 的 病毒 不 断 发 现 。 已 知 的 数 千 种 病毒 , 传 统 上 按 宿 主 类 别 、 病 毒 的 形态 和 组 成 、 以 及 抗原 性 进行 分 类 已 不 能 准确 地 反映 病毒 的 进化 关系 。 通 过 病毒 基 因 组 结构 和 复制 方式 的 研究 , 发 现 许多 传统 分 类 差别 极 大 的 病毒 之 间 复 制 方式 相似 , 在 进化 上 具有 同 源 性 。 病 毒 的 进化 很 难 用 渐 进 的 突变 积累 来 解释 , 病 毒 与 宿主 或 其 他 病毒 之 间 的 基因 重组 引 起 的 飞跃 式 突变 起 了 很 大 作用 。 因 此 , 根据 病毒 基因 组 与 mRNA 的 关系 和 复制 方式 , 可 以 将 病毒 分 成 八大 类 群 。 在 各 科 、 属 、 种 内 部 , 根 据 一 些 基因 或 保守 序列 的 同 源 性 则 可 以 建立 更 准确 的 分 子 进 化 树 。 这 几 类 病毒 是 : WEE DNA 病毒 、 单 链 DNA 病毒 、 正 链 RNA 病毒 、 负 链 RNA 病毒 、 双 链 RNA 病毒 、RNA-DNA 病 毒 〈 反 转录 病毒 )、DNA-RNA 病毒 、 亚 病毒 。 © 92 « 3.9.2 ”病毒 基因 组 的 表达 和 调控 自从 在 SV40 的 早期 调控 区 发 现 第 一 个 病毒 增强 子 以 来 , 人 们 利用 缺失 分 析 、 定 点 突变 等 技术 发 现 了 真 核 基因 的 各 种 顺 式 调 控 信 号 序列 一 一 各 种 启动 子 、 增 强 子 和 和 减弱 子 。 并 利用 核酸 酶 足迹 法 和 特异 性 DNA 片段 亲 和 层 析 法 , 研 究 了 与 顺 式 调控 信号 序列 相对 应 的 上 百 种 反 式 调控 蛋白 因子 , 为 阐明 真 核 基因 的 表达 调控 提出 了 许多 新 观点 、 新 模式 .其 中 以 SV40 基因 组 的 表达 调控 研究 得 最 为 彻底 。SV40 基因 组 为 5243 对 核 音 酸 组 成 的 双 链 共 价 闭合 环 状 DNA。 分 为 早期 、 晚 期 和 调控 区 。 调控 区 除 早晚 期 转录 信号 外 还 包括 复制 起 点 。 早 期 基因 的 启动 区 包括 一 个 TATA 序 列 、 六 个 重复 的 GC 序列 和 两 个 72bp 的 增强 子 。 进 一 步 的 研究 表 明 ,SV40 增强 子 中 有 几 个 核心 序列 (motif), 分 别 构成 三 个 功能 域 , 它 们 协同 作用 发 挥 增强 效应 。 此 外 , 增 强 子 中 还 发 现 有 晚期 启动 子 。 与 GC 序列 、 增 强 子 、TATA 序列 相对 应 结合 的 反 式 转 AF Spl, Ap1 一 4 及 TATA 因子 均 被 证 实 和 纯化 。 系 统 、 精 确 的 插入 突变 分 析 还 发 现 , 只 有 当 相应 顺 式 启动 序列 的 结合 位 点 都 位 于 DNA 螺旋 的 一 侧 , 才 有 利于 蛋白 因子 之 间 的 相互 作用 , 并 与 RNA 聚合 酶 工 形成 稳定 的 转录 复合 物 ,有 效 地 促进 转录 。.DNA 构 象 的 分 析 表 明 启 动 区 的 活化 可 能 涉及 B 型 向 Z 型 的 转化 。 各 种 反 式 转录 因子 至 少 有 分 别 与 DNA 和 激素 结合 的 两 种 功能 域 , 在 结 合 域 普遍 存在 Cys2/His2 序列 , 容易 形成 特殊 的 “ 锌 指 ” 结构 。 从 三 维 空间 结构 的 变化 角度 , 阐 明 病 毒 基因 转录 调控 中 DNA 或 RNA 与 蛋白 质 以 及 蛋白 质 分 子 之 间 的 相互 作用 ,已 成 为 当前 分 子 生物 学 中 最 令 人 注目 的 中 心 课题 。 腺 病毒 的 全 部 晚期 基因 由 一 个 强 启动 子 控制 产生 一 个 长 达 28kb 的 初级 转录 物 , 然 后 通过 不 同 。93 。 的 终止 或 剪辑 方式 表达 出 20 多 种 mRNA 和 多 种 和 蛋白质, 为 RNA 加 工 的 研究 提供 了 一 个 典型 。 冰 人 灰 质 炎 病 毒 的 基因 组 在 去 掉 5 端的 VPg 引物 蛋 日 后 ,作为 mRNA 只 翻译 成 一 个 多 聚 蛋白 , 经 过 不 同 的 切割 最 终 成 为 26 种 功能 不 同 的 蛋 晶 质 或 多 肽 ,参与 病毒 的 复制 和 装配 , 为 复杂 的 翻译 后 修饰 提供 了 另 一 种 典型 。 3. 9. 3 病毒 感染 和 和 致 病 的 分 子 基础 宿主 细胞 表面 的 受 体 与 病毒 的 受 体 结合 蛋白 相互 作用 , 是 病 毒 感染 细胞 的 先决 条 件 。 病 毒 的 受 体 结 合 恒 白 多 位 于 被 膜 或 衣 壳 上 。 流感 病毒 的 受 体 结合 恒 白 一 一 血 凝 素 CHA) 由 三 个 HA 分 子 单 体 聚 合 而 成 .HA 基因 的 突变 是 流感 病毒 抗原 漂移 的 基础 .不 同 变异 株 HA 基因 和 和 氨基 酸 序列 分 析 查 明 ,抗原 漂移 主要 与 HAI1 有 K, HA2 则 相当 稳定 。HA1 中 第 142 至 146 个 氨基 酸 残 基 , 尤其 是 第 144 和 145 位 氨基 酸 的 变异 , 是 引起 有 流行 病 学 意义 的 抗原 漂移 的 关键 位 置 。 艾滋 病毒 即 人 免疫 缺陷 病毒 (HIV ) 的 被 膜 蛋白 基因 编码 的 糖 蛋 日 gp160 中 的 表面 抗原 gp120, 与 T4 细胞 表面 的 受 体 CD4 分 子 结合 是 病毒 感染 和 致 病 的 主要 基础 。 HERS PKI 炎 病 毒 强 毒 株 与 减 毒 疫苗 组 的 7433 个 核 苷 酸 全 序列 , 发 现 仅 有 10 个 碱 基 变 异 。 而 与 病毒 神经 毒性 变化 有 关 的 仅 是 其 中 一 个 碱 基 的 置换 。 对 狂犬 病毒 进行 的 类 似 研究 发 现 , 与 毒 力 有 关 的 只 是 臻 病 糖 蛋白 gp60 基因 中 的 一 个 碱 基 , 此 碱 基 改 变 者 导致 第 333 位 精 氨 酸 变 为 甘氨酸 或 谷 氨 酰 胺 则 毒性 消失 或 减弱 。 这 一 变化 似乎 并 不 影响 该 区 的 B 扳 结构 , 此 精 氨 酸 的 改变 如 何 影响 gp60 的 毒 力 尚 待 进一步 前 明 .。 动物 轮 状 病毒 的 致 病 基 因 VP3 的 序列 比较 ,, 则 发 现 毒 力 的 变化 仅 与 VP3 BA 23 位 的 谷 胺 酰胺 转变 成 赖 氨 酸 有 关 。 由 于 序列 测定 技术 的 改进 和 推广 , 人 们 已 经 可 以 从 核 苷 酸 。 94。 和 和 氨基酸 序 列 水 平 上 广泛 地 分 析 各 种 病毒 的 感染 和 致 病原 因 。 这 方面 的 研究 成 果 已 经 发 展 成 为 分 子 病毒 学 的 一 门 新 的 分 支 一 一 病 毒 分 子 病理 学 。 3.9.4 ”病毒 与 肿瘤 病毒 是 重要 的 生物 致癌 因子 。 对 化 学 和 辐射 致癌 因子 的 长 期 研究 似乎 难以 揭示 瘤 变 过 程 有 关 的 特定 基因 及 其 调控 变化 , 肿 瘤 病毒 的 研究 揭示 了 与 癌变 相关 的 基因 , 并 导致 了 细胞 原 瘤 基 因 的 发 现 。 据 估计 , 人 类 癌症 有 10 一 20%% 是 由 病毒 引起 。 当 前 研究 的 重点 是 病毒 在 激活 癌 基 因 中 所 起 的 作用 和 瘤 基 因 编 码 的 蛋 日 的 功 能 及 其 致癌 的 原因 .所 有 的 RNA 肿瘤 病毒 都 属于 反 转 录 病 毒 .从 50 多 种 急性 反 转 录 病 毒 中 已 发 现 了 20 多 种 瘤 基因 。 序 列 分 析 和 分 子 杂交 的 结果 表明 , 病 毒 癌 基 因 显 然 起 源 于 正常 细胞 中 对 应 的 原 癌 基 因 .根据 癌 基 因 蛋 白 的 不 同 功能 可 以 将 瘤 基 因 分 成 六 族 :第 一 族 是 编码 蛋 日 激酶 、 且 氨基 酸 序列 与 src 基因 编码 的 pp60 同 源 。 第 二 族 是 ras 家 族 。 第 三 族 为 唯一 已 知 的 分 泌 型 sis ZEA. 四 族 是 核 重 白 癌 基 因 。 第 五 族 是 编码 甲状 腺 素 受 体 旦 日 的 erbA。 第 六 类 为 定位 和 功能 不 清 、 尚 未 分 类 的 瘤 基因 。DNA 肿瘤 病毒 的 致癌 基因 与 细胞 瘤 基 因 一 般 无 同 源 性 , 但 一 些 DNA 肿瘤 病毒 转 化 基因 的 功能 与 原 瘤 基因 相似 。 所 以 DNA 肿瘤 病毒 的 致癌 机 理 将 不 可 避免 地 与 细胞 原 癌 基 因 的 功能 联系 起 来 。 慢 性 反 转 录 病 毒 通 背 不 含 瘤 基因 , 不 能 转化 培养 细胞 , 但 在 体内 能 诱发 日 血 病 或 淋巴 瘤 , 其 机 理 主要 是 病毒 的 LTR 片段 整合 到 细胞 癌 基 因 邻 近 , 改变 了 癌 基 因 的 表达 。 乙 肝病 毒 (HBV) 与 肝癌 的 关系 已 从 多 方 Wie. HBV AY x 抗原 可 能 是 一 种 增强 子 的 反 式 转录 因子 , 其 活 性 可 被 SV40 的 工 抗原 竞争 性 地 抑制 , 此 外 HBxAg 还 可 激活 茵 。95 。 滋 病 毒 的 增强 子 .HBV 和 HIV 在 致 瘤 过 程 中 可 能 有 协同 作用 。 人 AY Sci eA Rb-1 的 发 现 , 使 一 些 人 相信 还 有 各 种 抗 瘤 基因 会 被 发 现 , 抗 癌 基 因 的 缺陷 或 破坏 也 可 能 是 癌症 发 生 的 遗传 基础 。 总 之 , 由 点 突变 致 瘤 到 发 现 原 瘤 基因, 由 个 别 癌 基 因 的 活化 到 两 种 以 上 癌 基 因 的 协同 作用 , 由 癌 基 因 的 鉴定 深入 到 瘤 基 因 蛋 白 的 多 种 功能 , 人 们 对 肿瘤 的 发 生机 理 的 认识 发 生 了 深刻 的 变化 , 它 牵 涉 到 在 不 同 阶段 不 同 细胞 中 与 瘤 变 有 关 的 一 系列 基因 的 调控 机 理 变化 。 3.9.5 病毒 基因 工程 病毒 基因 工程 是 现代 生物 技术 的 重要 领域 , 其 基础 理论 已 成 为 分 子 病 毒 学 的 重要 内 容 。 目 前 国内 外 的 研究 重点 是 新 型 基因 工 程 疫苗 的 设计 和 真 核 病毒 表达 载体 的 开发 。 应 用 基因 工程 中 定点 突变 或 缺失 毒 力 基因 的 方法 可 以 成 功 地 解决 常规 减 毒 活 疫苗 遗传 不 稳定 和 毒 力 回升 问题 .曾经 在 消灭 天 花 中 章 有 成 效 的 辣 苗 病毒 , 由 于 免疫 性 强 和 相对 安全 , 很 有 希望 在 研制 多 价 的 基因 工程 活 疫 苗 中 重新 启用 。 像 乙肝 病毒 、 艾 滋 病 毒 等 易 与 宿主 细胞 发 生 基 因 整合 的 病毒 因 极 不 安全 而 不 能 采用 活 疫 苗 , 血 源 性 亚 单位 疫苗 又 因 来 源 有 限 、 成 本 太 高 而 不 利于 推广 , 只 能 寄 希 望 于 基因 工程 疫 苗 , 乙 肝病 毒 基 因 工 程 疫苗 的 研制 成 功 为 此 提供 了 极 好 例证 。 近 年 来 随 着 昆虫 杆 状 病毒 分 子 生物 学 的 迅速 发 展 , 以 杆 状 病毒 为 载 体 利用 其 多 角 体 蛋白 基因 强大 的 启动 子 , 在 昆虫 细胞 或 幼虫 体内 高 效 表 达 各 种 外 源 基 因 已 经 成 功 。 中 科 院 上 海 生 化 所 和 农 科 院 蚕 研 所 协作 , 以 杆 状 病毒 为 载体 在 家 和 看 幼虫 体内 表达 HBpreS2-SAg 的 研究 已 经 成 功 , 达 到 国际 先进 水 平 。 目 前 杆 状 病毒 载体 经 过 改 造 和 重组 , 不 仅 可 能 同时 表达 两 种 外 源 蛋 白 , 也 可 能 成 为 杀 虫 力 - 96 « 更 强 的 无 公害 杀 虫 剂 , 在 农业 上 获得 广泛 应 用 。 病 毒 基 因 工 程 中 面临 的 突出 问题 之 一 , 是 表达 产物 的 糖 基 化 和 翻译 后 修饰 往往 随 表达 系统 而 异 。 鉴 于 蛋白 的 糖 基 化 和 其 他 修饰 具有 明显 的 细胞 和 组 织 特异 性 , 因 此 对 于 不 同 抗原 或 外 源 蛋 白 , 必 须 慎 密 选择 不 同 的 载体 和 表达 系统 , 才 能 保证 表达 的 真实 性 。 利 用 反 转 录 病 毒 能 与 宿主 细胞 基因 组 稳定 整合 的 特性 , 新 发 展 起 来 的 反 转 录 病 毒 载 体 及 其 包装 细胞 系统 可 以 将 目的 基因 稳定 地 转 入 靶 细 胞 基因 组 , 成 为 转基因 动物 或 基因 治疗 的 最 有 效 途 径 之 一 。 通 过 改造 的 农 杆 Bi Ti 质粒 系统 , KETMV. CMV, 5498 x at y 病毒 外 壳 蛋 白 的 cDNA 基因 转 入 植物 基因 组 ,得 到 抗 病毒 的 植株 已 获 成 功 ,为 植物 病毒 基因 工程 商定 了 基础 。 3.9.6 ”病毒 的 分 子 诊 断 和 抗 病毒 药物 设计 利用 核酸 杂交 技术 的 高 度 特 异性 , 可 以 直接 准确 地 对 病毒 感 染 作出 诊断 , 监 测 病程 , 或 进行 病 后 评估 , 并 能 对 暂 不 表达 的 潜 伏 状 态 病 毒 或 表达 量 极 微 的 早期 病毒 感染 进行 检测 。 此 外 , 对 那 些 抗原 特性 尚未 碍 明 的 新 病毒 还 可 作出 及 时 的 鉴定 。 成 功 的 经 验 表明 , 核 酸 杂交 技术 将 在 病毒 临床 诊断 和 流行 病 学 研究 中 占据 越 来 越 重 要 的 地 位 , 并 正在 发 展 成 为 临床 医学 中 的 一 个 分 支 一 一 分 子 诊断 学 。 第 用 的 杂交 方法 , 由 于 样品 纯度 要 求 高 、 灵 敏 度 不 够 和 依赖 于 放射 性 同位 素 而 必须 加 以 改进 。 液 相 杂 交 不 仅 灵 敏 快 速 , 而 且 适 用 于 混杂 样品 。 有 人 发 展 了 一 种 单 克 隆 杂 交 法 , 灵 人 敏 度 可 以 达到 10pg RNA/ml。 各 种 核酸 杂交 的 体外 放大 技术 使 病毒 分 子 诊断 取得 了 新 的 突破 。 用 PCR 结合 的 杂交 技术 可 以 在 10 个 未 感 染 细 胞 群 中 可 靠 地 检 出 一 个 艾滋 病毒 感染 细胞 。 利 用 T7RNA 聚 合 酶 的 高 效 转录 特性 设计 的 体外 转录 放大 技术 , 可 以 将 靶 序 列 放 。97 。 大 2-5 x 10° 倍 。 利 用 QB 复制 酶 可 以 将 带 有 QB 复制 起 点 的 探 针 序列 在 30 分 钟 内 放大 10° 倍 。 此 外 , 应 用 带 有 大 量 次 级 探 针 结合 位 点 的 复合 探 针 或 “圣诞 树 ” 探 针 , 通 过 次 级 探 针 及 其 偶 联 的 “报告 基因 ”多 级 放大 杂交 信号, 也 能 达到 检测 临床 病毒 样品 的 要 未 : 临床 对 高 效 低 毒 的 抗 病毒 药物 的 迫切 需要 对 分 子 病 毒 学 提出 了 严峻 的 挑战 。 除 干扰 素 外 , 已 有 的 抗 病毒 药物 大 多 是 对 核 苷 酸 类 似 物 进行 修饰 筛选 , 靠 半 经 验 、 半 推理 的 方法 设计 而 成 。 根 据 靶 分 子 的 结构 和 抗 病毒 药物 与 靶 分 子 相 互 作用 引起 的 空间 结构 变 化 进行 设计 ,标志 着 抗 病毒 药物 的 设计 已 经 进入 新 的 推理 阶段 .一 种 能 阻止 病毒 脱 壳 的 药物 (WIN52084) 与 鼻 病 毒 作 用 后 ,结合 于 鼻 病 毒 VP1 EA WSR” A RAK, 使 VP1 的 三 个 区 域 发 生 构 象 变化 , 增 强 了 衣 壳 蛋白 的 坚韧 度 从 而 阻止 了 脱 壳 。 另 一 种 令 人 鼓舞 的 推理 设计 是 基于 对 病毒 基因 组 结构 和 功能 的 知识 , 设 WR LEB RRA TEA RK mRNA 的 关键 区 域 ,有 PSC BST rs BY SS ll BDI ARGS 5 BNC A) FI SE BE SBIR TEESE ABS Fe?* 的 EDTA 引入 病毒 基因 组 。 围 绕 反 义 寡 核 背 酸 如 何在 细胞 中 达到 一 定 浓 度 , 如 何 防止 细胞 核酸 酶 的 降解 , 以 及 克服 蛋白 屏障 到 达 划 序列 及 反 义 朝 核 背 酸 在 体内 的 表达 等 所 开展 的 一 系列 研究 也 已 取得 不 同 程度 的 进展 。 3.9.7 ”病毒 对 宿主 细胞 代谢 的 影响 病毒 感染 不 仅 能 引起 动物 机 体 和 细胞 一 系列 的 免疫 反应 , 而 且 可 以 通过 各 种 机 理 在 不 同 水 平 上 侵占 和 改变 细胞 代谢 , 同 时 也 会 诱发 细胞 产生 一 系列 的 防御 反应 , 而 病毒 又 能 进而 在 进化 中 产 生 各 种 破坏 细胞 防御 的 功能 , 使 病毒 与 宿主 细胞 的 关系 显得 极其 。98 。 复杂 。 病 毒 免疫 学 在 机 体 和 细胞 水 平 上 对 病毒 的 免疫 反应 研究 已 经 取得 许多 理论 和 应 用 成 果 , 而 病毒 对 宿主 细胞 代谢 和 基因 表达 的 影响 的 研究 还 刚 开 始 。 在 翻译 水 平 上 研究 病毒 对 细胞 蛋 日 质 合 成 的 影响 已 经 取得 一 定 进展 。 各 种 植物 对 病毒 的 侵 染 也 能 产生 不 同 的 防御 反应 , 如 细胞 壁 木质 素 沉 积 , 产 生 植 物 毒 素 , 积 累 富 含 HARI REA. Gata A BN tal sl Cok ERE. JLT Re An 聚 酶 , 以 及 异 黄 酮 、 类 黄酮 化 合 物 的 增加 。 植 物 的 抗 病毒 基因 也 正在 用 RFLP 或 转 座 子 标记 法 进行 定位 研究 。 这 些 研 究 将 大 大 增 进 人 们 对 病毒 与 细胞 关系 的 了 解 , 丰 富 分 子 病 毒 学 的 知识 。 3.9.8 ”分 子 病 毒 学 的 发 展 趋 势 1) 从 研究 病毒 本 身 生命 活动 的 分 子 机 理发 展 到 研究 病毒 与 宿 主机 体 和 细胞 的 全 面 关 系 。 许 多 交叉 学 科 和 领域, 如 病毒 免疫 学 、 肿瘤 病毒 学 、 病 毒 基因 工程 、 病 毒 分 子 生 物 物 理学 等 不 断 形成 , 并 与 分 子 病毒 学 协同 发 展 。 2) 从 研究 病毒 的 个 别 基 因 的 结构 功能 向 基因 组 的 整体 结构 、 基因 之 间 相 互 关系 和 表达 调控 不 断 深 入 。 尤 其 是 把 各 种 不 编码 的 顺 式 调控 信号 与 病毒 或 细胞 的 反 式 调节 因子 的 研究 结合 起 来 , 不 仅 丰 富 了 分 子 生 物 学 的 核心 内 容 , 也 带动 了 分 子 生物 学 的 发 展 。 3) 研究 的 方法 、 技 术 手段 层出不穷 , 改 进 很 快 。 如 由 体外 系 统 转 入 体内 系统 或 相互 结合 , 从 一 维 结构 进入 三 维 空间 结构 和 构 象 变化 ; 从 研究 室 转 入 临床 等 。 4) 分 子 病毒 学 的 每 一 新 发 现 、 新 成 果 都 将 及 时 被 临床 医学 和 高 技术 产业 等 应 用 学 科 所 吸收 , 转化 为 实际 应 用 成 果 。 例如 , 1983 年 杆 状 病毒 的 多 角 体 基 因 序 列 刚 一 发 表 , 同 年 B 干扰 素 在 昆虫 细 胞 中 的 高 效 表 达 便 获 得 成 功 , 1987 年 由 杆 状 病毒 表达 的 艾滋 病毒 。99 。 基因 工程 疫苗 就 首先 获准 进入 临床 试验 。 3.10 基因 工程 的 基础 研究 基因 工程 技术 自 70 年 代 建立 后 引起 了 科学 界 的 高 度 重视 。 由 于 用 基因 工程 方法 可 在 体外 按 人 们 的 要 求 进行 基因 重组 和 基因 改 造 , 并 通过 各 类 基因 载体 进行 基因 转移 , 打 破 了 基因 重组 和 基因 转移 的 物种 界限 .以 基因 工程 为 核心 的 分 子 生物 学 方法 在 生物 学 、 医学 等 研究 中 得 到 广泛 的 应 用 , 几 乎 渗透 到 生命 科学 的 每 一 个 领 域 , 成 为 研究 和 揭示 生命 现象 本 质 和 规律 的 一 种 重要 工具 。 另 一 方面 基因 工程 使 生产 人 体 各 类 内 源 的 细胞 因子 、 激 素 等 活性 多 肽 、 蛋白 质 成 为 现实 , 基 因 工 程 产品 已 逐步 发 展 为 生物 技术 产业 中 一 个 重要 的 引 人 注 目的 新 兴 产 业 。 基 因 工 程 的 基础 研究 包括 基因 结 构 与 功能 、 基 因 的 复制 与 表达 、 基 因 分 离 、 合 成 与 修饰 、 基 因 的 克隆 与 表达 、 基 因 的 转移 , 基 因 产 物 的 后 加 工 等 研究 。 前 两 项 属 于 分 子 生 物 学 基础 研究 , 这 里 重点 讨论 后 几 项 与 基因 工程 直接 相 关 的 应 用 基础 和 关键 技术 研究 。20 年 来 基因 工程 基础 研究 不 仅 使 基因 工程 在 理论 上 和 技术 上 日 趋 完 善 , 应 用 范围 不 断 扩展 , 衡 生 和 发 展 了 蛋白 质 工程 、 途 径 工程 、 转 基因 动 植 物 、 基 因 治 疗 等 新 研究 领域 ,而 且 对 生物 学 和 生物 技术 产业 的 发 展 都 有 深远 的 影响 。 3.10.1 基因 克隆 和 表达 系统 基因 克隆 和 表达 系统 是 基因 工程 的 核心 技术 , 建 立 一 个 表达 系统 依赖 于 这 个 生物 系统 的 遗传 和 生化 研究 及 基因 载体 。 早 期 建 立 的 表达 系统 都 是 遗传 背景 较 清 楚 的 微生物 系统 , 现 已 扩展 到 动 植物 细胞 系统 和 动 植物 整体 表达 系统 。 但 现 有 表达 系统 都 有 其 各 - 100 。 自 的 优 缺点 , 还 有 待 于 改进 和 完善 , 一 个 理想 的 表达 系统 的 笨 主 和 表达 载体 应 具 下 列 特点 , 宿主 应 是 : 能 高 水 平 表 达 目 的 基因 ; 能 有 效 地 分 泌 和 正确 地 修饰 基因 产物 使 其 具有 正确 的 构象 和 活性 ; 不 带 有 病毒 或 肿瘤 基因 ; 不 受 目的 基因 产物 的 影响 ; 不 降解 产物 , 能 稳定 地 传代 ;培养 方便 。 基 因 表 达 载 体 应 是 : 高 拷贝 数 , 具 强 启动 子 和 稳定 的 mRNA; 具有 高 的 分 离 稳 定性 和 结构 称 定性; 转 化 频率 高 ; 宿主 范围 广 ; 插入 外 源 基 因 容 量 大 而 且 可 以 重新 完整 地 切 出 。 复 制 与 转录 机 器 应 和 往 主 相 匹 配 , 最 好 是 可 调控 的 , 而 上 且 在 宿主 不 生长 或 低 生 长 速率 时 仍 能 高 水 平地 表达 目的 基因 。 (1) 微生物 表达 系统 最 常用 的 微生物 表达 系统 是 大 肠 杆 菌 、 枯 草 杆 菌 和 酵母 表达 系统 大 肠 杆 菌 系统 是 遗传 和 生化 研究 最 深入 的 一 个 生物 系统 ,在 复制 、 分 配 、 转 录 和 翻译 研究 中 积累 了 大 量 突 变 基因 和 基因 元 件 , 可 供 构 建 表 达 质 粒 和 工程 化 的 宿主 细胞 ,使 外 源 基因 得 以 高 表达 , 外 源 基 因 产 物 在 大 肠 杆菌 的 表达 量 常 可 达 细 胞 总 蛋白 的 20 一 30%, RBM 50% , 但 大 部 分 高 表达 产物 常 以 包涵 体 的 形式 存 在 , 不 具 生物 活力 。 大 肠 杆 菌 分 泌 和 蛋白 的 能 力 较 差 , 特 别 是 不 分 泌 和 蛋白 至 培养 液 中 。 利 用 病毒 和 大 肠 杆 菌 素 的 分 泌 机 制 可 将 某 些 周 质 蛋白 分 泌 到 胞 外 , 并 已 成 功 地 将 在 周 质 表达 的 外 源 蛋白 分 沁 到 胞 外 。 利 用 毒素 蛋白 的 非 信号 肽 分 泌 机 制 也 可 将 表达 产物 直接 分 泌 到 胞 外 。 分 泌 型 的 表达 至 今 是 大 肠 杆菌 系统 研究 的 热点 之 一 。 枯草 杆菌 系统 最 大 的 优点 是 能 将 蛋白 质 直 接 分 泌 到 培养 基 中 , 因 此 主要 用 于 外 泌 型 表达 。 野 生 型 的 枯草 杆菌 将 几 种 蛋白 酶 分 泌 到 培养 基 中 , 会 导致 目的 产物 的 降解 。 两 个 主要 的 胞 外 蛋白 酶 基因 已 克隆 并 用 以 构建 缺失 变种 ,用 这 种 宿主 表达 外 源 基 因 ,可 和 101° fem NRW RAN TEE, (AIA eee. ARAL Te 白 酶 。 现 已 克隆 了 其 中 两 个 酶 的 基因 , 并 构建 了 缺失 变种 。 可 能 要 消除 所 有 的 外 涂 蛋 日 酶 才能 避免 外 源 蛋 白 的 降解 , 但 这 种 宿主 不 易 存 活 。. 枯 草 杆菌 表达 系统 另 一 个 问题 是 重组 质粒 的 稳定 性 差 。 可 在 构建 质粒 时 避免 重复 序列 和 和 采用 可 调控 的 启动 子 来 提高 质粒 的 结构 稳定 性 和 表达 稳定 性 , 也 可 采用 整合 型 的 表达 载体 构建 高 稳定 性 的 表达 系统 。 近 年 来 在 革 兰 氏 阳 性 菌 中 背 用 整合 型 表达 载 体 构 建 基因 工程 菌 。 其 他 微生物 表达 系统 大 多 和 他 们 原来 的 工业 应 用 相 联系 。 链 霉菌 基因 工程 研究 主要 集中 于 抗生素 抗 性 基因 和 生物 合成 基因 的 克隆 和 表达 ,已 克隆 了 20 余 种 基因 并 对 其 基因 结构 与 功能 和 表达 PLE TRASH. HRS AE, NDR AREA 强 , 已 开始 进行 外 源 基因 分 刻 型 表达 的 研究 。 乳 酸 菌 的 许多 功能 是 由 质粒 编码 的 , 如 乳糖 代谢 ,柠檬 酸 吸收 , 量 日 酶 和 细菌 素 。 改 变 乳 酸 菌 的 代谢 和 生理 特性 , 以 提高 食品 质量 是 乳酸 基因 工程 研 究 的 主要 目标 。 假 单 胞 菌 的 基因 工程 研究 是 从 降解 质粒 开始 的 , 常 用 表达 载体 都 是 这 些 降解 质粒 的 衍生 物 ,在 降解 基因 中 xylE 可 作 为 指示 基因 ,而 xylS 的 启动 子 则 用 于 构建 诱导 型 表达 载体 ,用 以 表达 外 源 基 因 。 由 于 假 单 胞 菌 中 降解 酶 系 特别 丰富 , 故 构建 具有 多 种 降解 能 力 的 基因 工程 菌 , 用 于 环境 保护 是 假 单 胞 菌 基因 工程 研究 的 热点 。 棒 状 杆菌 系统 主要 用 于 氨基 酸 的 基因 工程 研究 , 并 已 成 功 地 用 于 葵 丙 氨 酸 、 苏 氨 酸 等 高 产 菌株 的 构建 。 酵母 是 最 简单 的 真 核 生物 之 一 。 其 中 啤酒 酵母 是 一 种 安全 条 主 , 不 致 病 , 不 产生 内 毒素 , 遗 传 背 景 较 清 楚 , 已 广泛 用 于 外 源 基因 的 表达 研究 。 常用 的 酵母 表达 载体 有 整合 载体 、 附 加 体 载体 、 自主 复制 载体 和 中 心 体 载体 。 它 们 的 拷贝 数 和 稳定 性 不 同 , 已 用 。 102° 于 构建 胞 内 和 分 泌 型 表达 载体 , 以 表达 各 种 外 源 基 因 。 与 细菌 不 同 , 酵 母 是 真 核 生 物 , 具 各 种 细胞 内 组 织 , 它 的 分 泌 系统 具 各 种 翻译 后 加 工 功能 . 近 10 年 来 酵母 分 子 生物 学 研究 又 积累 了 大 量 参 与 基因 表达 和 质粒 稳定 维持 的 专 一 序列 的 结构 与 功能 知识 , 使 酝 母系 统 成 为 比 细菌 系统 具有 更 广泛 潜在 应 用 的 系统 。 啤 酒 酵母 与 哺乳 动物 细胞 蛋白 糖 基 化 的 核心 寡 糖 链 结 合 序列 是 一 样 的 , 但 糖 链 的 后 加 工 机 理 不 同 , 导 致 肽 链 的 过 度 糖 基 化 , 糖 链 长 度 常 达 50 个 糖 基 以 上 , 有 时 甚至 高 达 200 个 糖 基 。 因 此 , 酵 母 表达 的 糖 蛋 白 常 呈 分 子 量 的 不 均一 性 而 且 生物 特性 与 哺乳 动物 中 天 然 糖 蛋白 有 较 大 差异 。 已 得 到 了 一 些 糖 基 化 缺陷 型 酵母 菌株 , 可 用 以 控制 糖 基 化 的 程度 。 酵母 中 还 存在 各 种 蛋白 酶 , 使 外 源 蛋 白 发 生 降 解 , 使 用 蛋白 酶 缺陷 型 的 菌株 可 降低 外 源 蛋 白 降 解 。 Pichia pastoris 是 一 种 工业 酵母 用 于 生产 单 细 胞 蛋白 , 可 利 用 甲醇 作为 唯一 的 碳 源 和 能 源 。 它 的 醇 氧化 酶 基因 (AOXI) 是 一 高 表达 基因 , 而 表达 受 甲醇 严格 调控 。 在 没有 甲醇 时 只 有 少量 合 成 ,而 当 甲 醇 诱 导 时 醇 氧化 酶 可 占 细胞 总 蛋白 的 30% 以 上 。 用 这 个 启动 子 表 达 外 源 基 因 只 需 单 拷贝 即 可 达到 高 水 平 表达 。 因 此 , Pichia pastoris 表达 载体 都 用 单 拷贝 的 整合 载体 , 在 细胞 生长 和 分 裂 时 保持 高 稳定 性 。 这 个 系统 的 另 一 个 特点 是 在 细胞 生长 速度 接近 于 零 时 ,能 长 时 期 地 高 水 平 表 达 外 源 基 因 。 另 外 Pichia pas- toris 有 较 高 的 分 沁 和 蛋白 能 力 , 而 且 表 达 外 源 糖 蛋白 时 能 适度 糖 基 化 , 一 般 糖 链 长 度 为 8 一 12 个 糖 基 , 但 糖 基 组 分 与 哺乳 动物 细胞 仍 有 差异 。 最 近 用 多 拷贝 整合 型 表达 使 外 源 基因 表达 量 达 每 升 10 克 以 上 ,Yy 干扰 素 胞 内 表达 量 达 96 克 / 升 , 分 泌 型 表达 量 达 16 克 /Ft. Pichia pastoris 表达 系统 是 目前 最 接近 理想 表达 系统 的 微 生 物 系 统 。 由 于 酵母 的 种 类 繁多 , 人 性 能 各 异 , 开 发 新 的 酵母 表达 系 * 103 = 统 的 研究 取得 一 定 进 展 。 除 Pichia pastoris 系统 外 研究 得 较 多 的 t= Saccharomyces lactis, Schizosaccharomyces pombe 和 Hansenula polymorpha 等 。 丝 状 真菌 表达 系统 的 研究 主要 集中 在 Neuraspora crassa 和 4spa7gilluszzadzlazs。 这 两 种 丝 状 真菌 都 能 大 量 产生 胞 外 蛋白 质 , 而 且 遗 传 背景 比较 清楚 。 所 有 丝 状 真菌 载体 除 Mucor 外 , 都 是 整 合 载体 。 载体 转化 丝 状 真菌 后 , DNA 按 工 型 整合 插入 染色 体 , 随 机 分 布 于 真菌 基因 组 , 并 经 常 发 生 串 联 排列 的 多 拷贝 整合 。 整 合 拷贝 数 和 进入 细胞 的 DNA 量 有 关 。 丝 状 真菌 中 没有 内 生 质 粒 , 有 人 分 离 了 线粒体 质粒 , 但 用 它 来 构建 附加 体 载体 末 获 成 功 。 丝 状 真菌 的 载体 构建 方面 有 一 些 困 难 , 但 在 外 源 基因 表达 方面 已 有 较 大 的 进展 。 已 分 离 了 一 些 较 强 的 启动 子 用 于 表达 外 源 基因 , 从 而 成 功 地 表达 了 和 牛 胰 凝 乳 蛋白 酶 、 人 干扰 素 、 人 抗 胰 和 蛋白 酶 及 集落 刺激 因子 。 丝 状 真菌 表达 系统 有 较 强 的 蛋白 质 分 泌 功 能 , 而 且 它 的 糖 基 化 类 型 、 糖 基 种 类 、 糖 链 长 度 均 与 动物 细胞 相似 , 适 合 于 表达 哺乳 动物 基因 。 但 丝 状 真菌 分 刻 外 源 蛋 白 的 能 力 很 差 , 原 因 还 不 清楚 。 (2) 植物 细胞 表达 系统 和 转基因 植物 农 杆菌 是 一 种 植物 寄生 菌 , 可 感染 许多 双子 叶 植物 , 并 携带 基因 挫 入 植物 基因 组 。 植 物 基 因 工程 的 一 个 重大 进展 就 是 农 杆菌 介 导 的 基因 转化 。 常 用 的 农 杆菌 Ti 质粒 约 200kb, 其 中 13kb 参与 基因 转移 和 基因 整合 以 及 opines 的 合成 。 农 杆菌 介 导 的 基因 转移 十 分 有 效 , 可 随机 整合 , 而 且 不 需 筛 选 整合 子 , 因 为 只 有 转化 细 胞 具有 onc 基因 。 缺乏 onc FEA AY “HR” ORB ea A 选 指标 , 常 用 抗 性 标记 。 农 杆菌 转化 不 能 用 于 单子 叶 植物 , 为 此 - 104° 又 发 展 了 病毒 载体 , 常 用 的 有 花菜 花 叶 病毒 (CMV). CMN 基因 组 约 8kb, 系 双 链 环 状 DNA , 不 整合 至 染色 体 , 为 高 拷贝 载体 。 转基因 植物 的 研究 发 展 甚 为 迅速 .通过 转化 外 源 抗 性 基因 、 降 毒 酶 基因 和 扩 增 内 源 基因 , 得 到 各 种 抗 除草 剂 植 株 。 转 化 细菌 的 毒 蛋 白 基 因 或 蛋白 质 酶 抑制 剂 基因 , 得 到 了 抗 虫 植株 。 转 化 病毒 外 壳 和 蛋白 基因 或 卫星 RNA 的 cDNA, 得 到 抗 TMV 和 CaMV 的 抗 病毒 植株 。 利 用 反 义 RNA 技术 , 得 到 了 牵 牛 花 和 蕃茄 的 新 品 系 。 虽 然 目前 转基因 植物 还 限于 单 基 因 转 移 , 但 今后 将 引入 像 固 氮 这 样 复杂 的 基因 簇 , 从 而 改变 整个 生化 途径 。 转 基因 植物 除了 用 以 改良 品种 外 , 也 可 用 以 生产 外 源 蛋 白 和 药物 。1989 年 以 来 ,已 陆续 报道 在 转基因 植物 中 表达 单 克隆 抗体 、 和 白细胞 介 素 、 血 红 蛋 白 、 淀 粉 酶 、 胰 岛 素 、 脑 啡 肽 等 外 源 蛋 白 , 以 及 生物 合成 天 花粉 和 长 春 新 碱 等 药物 。 (3) 动物 细胞 表达 系统 和 转基因 动物 哺乳 动物 细胞 表达 系统 的 最 大 特点 , 是 具有 分 这 和 修饰 蛋白 质 的 能 力 , 适 用 于 表达 各 种 人 或 动物 的 基因 。 它 的 缺点 是 生产 成 本 较 高 , 产 品 不 易 去 除 病毒 或 有 害 基因 的 污染 。 几乎 所 有 哺乳 动物 细胞 表达 系统 都 使 用 病毒 载体 , 主 要 有 SV40 载体 、 牛 乳头 状 瘤 病毒 (BPV) 和 反 转 录 病 毒 。 SV40 载体 的 自主 复制 需要 病毒 的 大 T 抗原 , 可 用 SV40 的 早期 或 晚期 启动 子 表达 外 源 基因 。SV40 具 严 格 的 装配 要 求 。 为 了 增加 外 源 基 因 的 插入 容量 , 常 采用 取代 型 载体 , 取 代 其 早期 或 晚 期 基因 。 这 类 载体 需 辅 助 病毒 帮助 其 转化 宿主 细胞 , 结 果 两 种 病 毒 都 包装 在 病毒 颗粒 中 。 牛乳 头 状 瘤 病毒 有 一 个 环 状 DNA ,每 个 细胞 可 有 几 百 个 拷贝 5 证 05 。 数 , 基 因 组 为 8kb, 它 的 所 有 读 框 在 一 条 链 上 , 因此 转录 是 单 向 的 。. BPYV 载体 易 发 生 缺 失 和 重 排 。 用 Epstein Barr 病毒 发 展 了 类 似 载 体 , 找 贝 数 达 60, 较 少 发 生 缺 失 和 重 排 。 反 转 录 病 毒 作为 载体 , 宿主 范围 广 , 可 感染 细胞 和 整体 动物 , 转化 效率 接近 百分之百 , 可 插入 大 DNA 片段 ,并 有 效 整合 至 染色 体 , 而 不 发 生 重 排 。 反 转录 病毒 基因 组 为 单 链 RNA,, 感染 细胞 后 反 转 录 产 生 双 链 DNA , 再 整合 到 染色 体 。 在 往 主 细胞 系 方面 , 发 展 了 不 产生 载体 和 辅助 病毒 重组 体 而 能 产生 高 滴 度 载 体 病毒 的 细胞 系 。 还 发 展 了 改变 病毒 载体 向 性 (tropism) AY 7a EAHA, 感染 不 同 的 包装 细胞 系 , 可 得 到 呈 不 同 笨 主 专 一 性 的 病毒 载体 。 痘 苗 病 毒 是 一 个 双 链 DNA 病毒 , 其 基因 组 很 大 , 大 约 为 180kb。 史 密斯 (Smith) 等 人 将 编码 乙 型 肝炎 病毒 表面 抗原 的 DNA 序列 插入 首 苗 病毒 基因 组 ,重组 病毒 既 保 留 了 间苗 病毒 的 感 染 性 , 又 能 表达 乙肝 表面 抗原 。 此 外 , 人 免疫 缺陷 病毒 、 狂 大 病 毒 、 疱 疹 病 毒 、 流 感 病毒 、EB 病毒 、 甲 肝病 毒 等 的 病毒 抗原 基因 都 能 被 插入 间苗 病毒 得 到 有 效 的 表达 。 癌 苗 病毒 载体 的 优点 , 在 于 它 有 很 强 的 启动 子 有 效 地 启动 外 源 基 因 的 表达 。 它 的 表达 产物 能 被 正确 地 加 工 , 因 而 具有 良好 的 生物 活性 。 它 的 基因 组 大 , 能 够 容纳 25kb 的 外 源 基 因而 不 影响 病毒 的 复制 。 重 组 癌 苗 病毒 保 存 有 原来 的 感染 性 , 有 广泛 的 宿主 范围 , 因此 有 很 好 的 应 用 前 景 , 特别 是 可 以 用 来 生产 多 价 疫苗 。 昆虫 细胞 表达 系统 研究 得 较 多 的 是 用 核 多 角 体 病毒 CNPV) 的 多 角 体 蛋白 基因 (phg) 的 启动 子 所 建立 起 来 的 一 种 病毒 载体 。 它 在 昆虫 细胞 表达 系统 中 表达 外 源 基因 水 平 高 , 外 源 蛋 白 可 达 总 蛋白 的 20 一 30% .NPV 基因 组 约 100 一 130kb , 擂 入 外 源 基因 的 容 。106 。 量 较 大 , 可 达 10 一 100kb。 NPV 具 严 格 的 宿主 专 一 性 , 使 用 安全 。 昆虫 细胞 系统 既 能 表达 原核 基因 , 也 可 表达 哺乳 动物 基因 。 昆 虫 细胞 分 沁 蛋 白 能 力 较 强 , 具 有 各 种 修饰 功能 , 病 毒 载体 不 仅 可 在 细胞 中 表达 , 也 可 在 体液 中 表达 外 源 基 因 , 表 达 量 可 达 每 只 虫 10mg 。 NPV 基因 组 中 没有 内 含 子 , 但 昆虫 细胞 具有 RNA 剪辑 能 力 , 它 加 工 的 专 一 性 与 哺乳 动物 细胞 不 同 。 昆 虫 细 胞 也 有 转译 后 加 工 能 力 , 但 加 工 机 理 与 哺乳 动物 细胞 不 同 , 如 只 产生 含 甘 露 糖 的 糖 蛋白 , 缺 少 唾液 酸 、 半 乳糖 、 岩 藻 糖 的 糖 基 化 酶 。 和 蛋白 水解 AKA, KE PRK. AREABSA UA. 转基因 动物 , 常 用 显 微 注 射 、 脂 质 体 、 反 转录 病毒 和 电 脉 冲 技术 进行 基因 转移 。 转 基因 技术 是 一 个 培育 动物 新 品系 的 有 用 工 具 。 研 究 转 基因 动物 有 二 重 目的 , 一 是 提高 动物 的 产量 和 品质 , 用 于 肉 、 奶 、 皮 毛 生 产 ; 另 一 方面 是 用 转基因 动物 作为 反应 器 生产 SRSA, MARAE A tpA, HEP ARMA KS. RK 录 病 毒 作 为 载体 用 于 家 禽 的 转基因 , 效 率 很 高 。 用 脾 坏 死 病 毒 作 为 载体 , 可 将 细菌 的 cat 基因 有 效 地 引入 和 整合 到 鸡 胚胎 , 接种 后 8K, 100% ALAR RIK cat 基因 。 用 转基因 家 畜生 产 外 源 恒 日 将 成 为 现实 。1987 年 在 转基因 小 鼠 的 奶 汁 中 得 到 了 活性 的 tpA, 其 后 出 现 了 大 量 用 转基因 动物 生 PONE EAM, Ta) RA PIA NRE A, IA 量 差别 很 大 .1991 年 在 羊 奶 中 表达 人 al- 抗 胰 蛋 白 酶 获得 成 功 ,最 高 表达 量 达 60 克 / 升 , 稳 定 表 达 量 也 高 达 35 克 / 升 。 这 种 整体 动 物 反 应 器 因 具 有 高 体积 产量 , 低 生产 成 本 , 正 确 的 翻译 后 加 工 等 优点 而 引 人 注 目 。 。 107。 3. 10. 2 ”基因 工程 相关 的 基础 研究 和 技术 基因 工程 相关 的 基础 研究 和 技术 涉及 面 很 广 , 包 括 分 子 遗 传 学 、 重 白质 化 学 、 酶 学 病毒 学 、 细 胞 生物 学 、 生 化 工程 等 学 科 . 下 面 重 点 讨论 一 些 直接 相关 的 基础 研究 和 关键 技术 。 C1) 外 源 基因 与 生 主 的 相互 作用 以 质粒 或 叹 菌 体 基因 组 为 基础 的 基因 表达 载体 , 及 其 载 带 的 目的 基因 在 宿主 细胞 中 的 复制 和 表达 , 与 细胞 的 基因 型 、 细 胞 的 生理 状态 及 生活 环境 密切 有 关 。 外 源 基 因 与 染色 体 基 因 的 相互 作 用 是 一 种 依赖 、 互 补 和 竟 争 的 关系 。 在 重组 微生物 中 已 对 这 种 相 EAHA ST RAM. PRS EMER. DAL. RAF 的 相互 作用 。 如 @X174 WY il te Be EULA EA. T4 前 期 复制 需要 宿主 的 复制 机 器 ,CoEI 复制 需要 宿主 DNA RAB 1, pSC101 复制 的 起 始 区 结构 与 宿主 的 oriC 相似 , 有 DnaA/IHF ( 整 合 宿 主因 子 ) 和 解 螺旋 酶 的 结合 位 点 ,PK2 复制 依赖 宿主 DnaA、 B、C 蛋白 质 、 促 旋 酶 、DNA 聚合 酶 下 , 它 们 的 稳定 性 也 因 宿 主 而 异 。 这 种 依赖 性 又 引起 外 源 基因 与 染色 体 在 复制 、 分 配 、 转 录 、 转译 等 机 器 以 及 细胞 内 氨基 酸 、 核 酸 代谢 库 等 方面 的 竟 争 。 在 这 种 竟 争 中 , 许 多 质粒 、 鸣 菌 体 还 编码 了 专 一 的 竞争 机 制 , 可 以 抑 制 或 破坏 宿主 的 功能 。 另 一 方面 宿主 也 具有 限制 外 源 基因 的 功能 , 除了 竟 争 外 又 起 到 互补 作用 , 如 质粒 编码 的 抗 药 性 、 降 解 酶 又 使 宿主 细胞 得 到 互补 , 可 以 在 特殊 的 环境 中 生存 。 外 源 基 因 表 达 几 乎 完全 依赖 宿主 的 转录 和 转译 机 器 , 但 也 不 完全 受 宿主 控制 。 如 有 些 喉 菌 体 可 以 编码 c 因子 , 或 RNA 聚合 酶 的 附加 蛋白 质 等 , 以 改变 RNA 聚合 酶 识别 启动 子 的 专 一 性 , 达到 转录 的 调控 , 噬菌体 “108。 的 溶菌 酶 使 宿主 细胞 膜 溶化 ,从 而 裂解 ,释放 叭 菌 体 . 质 粒 的 CCD (控制 宿主 细胞 分 裂 ) 系 统 中 的 毒素 蛋白 和 抑制 毒素 蛋 日 可 以 杀 死 无 质粒 的 宿主 细胞 , 使 质粒 复制 的 分 配 和 笨 主 细胞 分 裂 偶 联 , 保 证 质粒 在 细胞 分 裂 时 稳定 传代 。 (2) 基因 表达 调控 重组 微生物 中 表达 目的 基因 的 表达 元 件 在 操纵 子 水 平 的 调控 机 理 一 般 都 比较 清楚 。 当 前 基因 表达 调控 研究 的 一 个 热点 是 基因 表达 的 生理 调控 , 也 即 环境 和 细胞 的 生理 状态 通过 细胞 的 各 种 应 答 系 统 和 基因 调控 网 络 调节 各 操纵 子 中 基因 表达 。 事 实 上 , 基 因 工程 研究 中 和 党 用 的 可 调控 的 启动 子 都 受 这 些 应 答 系 统 调控 , 如 P1、P2 启动 子 受 SOS 应 答 系 统 控制 , 色 氢 酸 局 动 子 受 严 紧 型 应 答 系统 调控 , 乳 糖 操纵 子 启 动 子 受 碳 源 利 用 应 答 系 统 调控 。 研 究 基 因 表 达 和 生理 调控 对 于 表达 载体 的 构建 、 基 因 表 达 、 发 酵 过 程控 制 都 具 指 导 意义 。 在 动 植物 细胞 表达 系统 和 转基因 动 植物 中 组 织 专 一 性 的 表达 研究 具有 特别 重要 的 意义 。 已 鉴别 了 大 量 参 与 组 织 专 一 性 表达 调 控 的 顺 、 反 式 作 用 因子 。 反 式 因 子 包括 调控 蛋白 质 和 小 分 子 的 效 应 子 ; 顺 式 因子 为 特定 的 DNA 序列 , 一 般 为 调控 蛋白 质 的 结合 位 点 。 这 些 研 究 已 在 转基因 动 植物 的 构建 中 起 指导 作用 , 并 成 功 地 使 重 自 质 的 基因 产物 专 一 性 地 表达 分 泌 到 动物 的 奶 半 中, 或 在 植 DHA ar 8 PRI. (3) 翻译 后 加 工 aM LARK Ba. AWE. EMR. ARE 物 和 动物 细胞 之 间 有 很 大 的 差异 , 甚 至 不 同 的 哺乳 动物 细胞 也 有 * 209 。 差别 。 同样 的 肽 链 , 由 于 折 丢 不 同 可 能 导致 免疫 原 性 不 同 , 生 物 活 性 和 功能 不 同 。 二 硫 键 是 决定 三 级 结构 的 一 个 主要 因素 , 它 存在 于 各 种 分 泌 蛋 白 如 激素 、 水 解 酶 、 糖 蛋白 、 免 疫 球 蛋 白 中 。 目 的 基因 在 胞 内 表达 时 不 能 形成 二 硫 键 , 而 在 分 泌 型 表达 时 , 在 分 涛 过 程 通过 蛋白质 二 硫 键 异 构 酶 的 作用 , 形 成 二 硫 键 。 蛋白 质 的 分 泌 受 新 生 肽 链 的 结构 以 及 宿主 细胞 的 分 泌 机 器 的 影响 , 新 生 肽 链 的 结构 可 以 通过 重组 DNA 技术 改变 结构 基因 而 解决 。 因 此 宿主 分 泌 蛋 白质 的 能 力 往往 是 限制 因素 。 蛋白 质 合成 后 ,化 学 修饰 包括 糖 基 化 、 磷 酸化 、 磺 化 、 羧 化 、 产 化 、 乙 酰 化 和 十 四 烷 酰 化 等 。 目 前 对 后 加 工 酶 系 的 表达 调控 的 了 解 还 很 不 够 。 (4) & 3h th foe hk #2 Bay SURE A CE pe Dy Pei Fe IK WY 8 TE MRE Te EH A. FEAR ARRAS ARN BRR AR A. AK DBM REAR RNR. Hie eH ho eA PBA Jet FEYEFE SRM BH» RAR RE A JRA SERA BA GER SR 集 为 包涵 体 。 引 起 变性 的 因素 很 多 , 例 如 高 温 、 缺 少 蛋 白 成 熟 所 需 的 亚 单元 、 缺 少 辅 基 或 分 子 伴侣 等 。 包 涵 体 很 容易 纯化 , 已 发 展 了 将 重组 蛋 日 包 池 体 浴 解 并 再 折 和 三 为 活性 天 然 蛋 白 的 方法 , 但 一 般 收 率 较 低 , 而 且 操 作 条 件 随 蛋白 质 而 异 。 分 子 伴侣 作用 机 制 的 研究 将 有 助 于 控制 肽 链 在 体内 和 体外 正确 折 私 。 (5) 基因 体外 操作 方法 电泳 和 超 离心 仍 是 分 离 和 鉴别 DNA 片段 的 主要 方法 。 最 近 。]10。 发 展 的 脉冲 电场 凝 胶 电 泳 (PFGE) 为 DNA 大 片段 和 染色 体 的 分 离 鉴 别提 供 了 有 效 的 手段 。 这 种 交 变 电 场 琼脂 糖 凝 胶 电 泳 可 用 于 测定 低 等 真 核 细胞 的 核 型 和 染色 体 大 小 , 而 其 大 限制 图 谱 在 构建 哺乳 动物 基因 组 图 谱 中 起 着 重要 的 作用 , 解 决 了 物理 图 谱 分 辩 率 ( 几 百 kb) 和 遗传 图 谱 分 辨 率 ( 几 千 kb) 之 间 的 差距 。 制 备 型 PFGE 可 用 于 大 片段 克隆 、 跨 步 基因 和 连续 基因 库 的 构建 。 聚合 酶 链 反应 (PCR ) 是 继 分 子 克 隆 后 潜力 最 大 的 方法 。PCR 可 在 几 小 时 内 将 特定 长 度 和 序列 的 DNA 片段 在 体外 扩 增 10* 一 10’ 倍 , 因此 也 可 称 为 体外 克隆 。 PCR 已 广泛 用 于 基因 克隆 、 基 因 拼接 、 定 位 诱 变 、 框 架 位 移 突变 、 基 因 诊 断 、DNA 序列 多 形 性 分 析 、 构 建 cDNA 库 等 基因 体外 操作 和 基因 分 析 。 新 发 展 的 锚 PCR (A-PCR) 法 和 反 相 PCR (I-PCR) 进一步 扩展 了 PCR 法 应 用 范 围 , 可 分 别 用 于 cDNA 合成 和 短程 基因 跨 步 。 基因 枪 (biolistic) 转化 技术 。 基 因 枪 转化 已 成 功 地 用 于 转化 动 植物 细胞 和 组 织 、 昆 虫 胚 胎 、 藻 类、 真菌 、 细 菌 和 细胞 内 器 官 , 而 对 于 植物 、 丝 状 真 菌 以 及 亚 细 胞 器 的 基因 转移 特别 有 用 。 *au 。 4 我 国生 物化 学 与 分 了 生物 学 现状 分 析 4.1 我 国生 物化 学 与 分 子 生物 学 的 成 就 和 水 平 估计 (1) 已 建立 了 一 支 相当 规模 的 科技 队伍 和 重点 实验 室 新 中 国 成 立 以 来 的 40 余年 ,生物 化 学 与 分 子 生 物 学 研究 队伍 迅速 扩大 。1978 年 成 立 了 中 国生 物化 学 会 (1993 年 改名 为 中 国生 物化 学 与 分 子 生 物 学 会 )。 到 目前 为 止 , 中 国生 物化 学 与 分 子 生物 学 会 已 拥有 会 员 6300 人 ,都 是 具有 中 级 职称 以 上 的 生物 学 工作 者 , 而 且 大 部 分 人 在 研究 所 或 高 等 院 校 从事 教 学 与 科研 工作 。 近 十 多 年 来 , 又 有 大 批 中 青年 科学 家 到 国外 进修 后 回国 工作 。 国 内 的 重点 院 校 和 科研 院 所 均 设 立 -112° 了 生物 化 学 与 分 子 生 物 学 的 硕士 和 博士 点 , 从 而 也 培养 了 一 大 批 国内 的 研究 力量 。 近年 来 , 我 国 又 建立 了 相当 数量 的 国家 重点 实验 室 和 部 门 开 放 实 验 室 , 涉及 生物 化 学 与 分 子 生 物 学 领域 的 这 类 实验 室 已 有 10 多 所 。 国 内 重点 院 校 也 通过 世界 银行 贷款 增添 了 不 少 生 物化 学 与 分 子 生物 学 研究 所 必须 的 大 型 设备 。 目 前 的 设备 条 件 , 与 十 多 年 前 相 比 已 有 很 大 改进 。 如 果 能 够 得 到 充分 利用 , 加 强 设备 维修 和 及 时 补充 更 新 , 则 在 设备 条 件 上 可 说 已 具备 一 定 的 基础 。 (2) 各 个 主要 分 支 学 科 已 经 基本 配套 原来 有 基础 的 研究 领域 如 多 肽 与 蛋白 质 、 酶 和 核酸 等 , 研 究 内 容 和 范围 已 在 不 断 扩大 和 深入 。 更 为 重要 的 是 , 若 干 新 兴 的 领 域 , 如 分 子 遗传 学 、 分 子 病 毒 学 、 分 子 免疫 学 等 , 得 到 了 重点 扶 持 和 加 强 , 为 今后 的 进一步 发 展 打下 了 较 好 的 基础 。 与 此 同时 , 我 国 已 开展 基因 工程 和 蛋白 质 工程 研究 , 使 我 国生 物化 学 与 分 子 生 物 学 研究 在 国家 经 济 建设 中 胃 露 头角 。 许 多 研究 得 到 较 高 强度 的 国家 专项 经 费 (如 863 项 目 、 攀 登 项 目 、 国 家 自然 科学 基金 重点 和 重大 项 目 等 ) 的 支持 , 更 促进 了 有 关 分 支 学 科 的 发 展 。 从 而 使 我 国 在 生物 化 学 与 分 子 生 物 学 领域 的 各 个 主要 分 支 学 科 已 基本 配 套 , 可 以 基本 适应 本 学 科 发 展 的 需要 。 (3) 取得 了 一 批 重 大 科研 成 果 , 某 些 领 域 的 成 果 已 基本 上 达到 国 际 先进 水 平 在 过 去 十 年 中 , 生 物化 学 与 分 子 生 物 学 领域 内 的 研究 成 果 获 国家 科技 进步 奖 、 国 家 自然 科学 奖 和 国家 发 明 奖 的 项 目 逐 年 增多 。 一 些 成 果 如 牛 胰岛 素 和 酵母 两 氨 酸 tRNA 的 合成 、 核 酸 顺 序 测 e 定 、 天 花粉 蛋白 的 一 级 结构 测定 、 胰 鸟 素 及 一 些 蛋 白质 晶体 结构 研究 、 酶 修饰 的 动力 学 和 酶 的 结构 与 功能 研究 、 生物 膜 的 研究 、 光 合作 用 的 研究 、 视 觉 分 子 生 理学 等 等 , 其 学 术 水 平均 达到 或 接近 了 国际 先进 水 平 , 受 到 国际 生物 化 学 与 分 子 生 物 学 界 的 重视 。 4.2 我 国生 物化 学 与 分 子 生物 学 面临 的 新 任务 和 新 形势 虽然 我 国生 化 与 分 子 生 物 学 经 过 70 多 年 的 发 展 ,已 经 取得 了 很 大 的 成 绩 , 但 是 今后 所 面临 的 形势 更 加 严峻 , 任务 更 加 艰巨 。 首 先 ,国民 经 济 建设 对 生物 化 学 与 分 子 生物 学 提出 了 更 高 的 要 求 , 因 此 必须 慎重 选择 对 国民 经 济 有 重大 关系 的 高 技术 加 以 开发 利用 。 其 次 , 除了 开展 应 用 研究 外 ,应 更 加 重视 基础 理论 研究 。 多 年 来 , 生物 科学 已 经 经 历 了 从 生物 整体 水 平 研究 向 分 子 水 平 研究 的 转 移 , 近 年 来 一 些 研究 又 开始 从 分 子 水 平 研究 向 生物 分 子 的 组 合 以 及 向 整体 与 分 子 水 平 研究 结合 的 阶段 .如 氧化 磷酸 化 与 线粒体 、 光 合作 用 与 叶绿体 、 蛋 白质 加 工 及 转运 与 高 尔 基体 、 果 蝇 的 发 育 与 调控 基因 网 络 等 等 。 如 何 “ 扬 长 创新 ”建立 我 国 自己 的 研究 方向 , 同时 跟踪 国外 研究 进展 , 任 务 十 分 艰巨 。 再 有 , 当 前 基础 研究 的 困难 , 集 中 表现 为 缺 钱 缺 人 。 面 对 大 幅度 涨 价 的 试剂 药品 , 大 一 点 的 课题 无 法 开展 , 基 础 研究 的 队伍 也 难以 稳定 , 因 此 急需 制定 对 策 。 o4i4 s > 我 国生 物化 学 与 分 子 生 物 学 发 展 的 构想 5.1 制定 发 展 战略 的 依据 任何 发 展 战略 必须 根据 国情 去 制定 , 各 个 具体 学 科 还 要 参照 我 国 现状 和 国际 发 展 趋势 来 确定 。 我 国 是 发 展 中 国家 , 而 又 处 于 经 济 建设 高 峰 , 百 业 待 兴 。 各 行 各 业 都 必须 为 这 一 特定 历 史 时 期 , 为 我 国 社会 主义 经 济 保持 长 期 稳定 协 调 的 发 展 作 出 贡献 。 生 物化 学 与 分 子 生 物 学 也 不 能 例外 , 要 把 立足 点 转移 到 为 主 战 场 提供 服 务 , 去 研究 解决 经 济 建设 中 急 待 解决 的 重大 问 “ 115 。 题 。 国 家 高 技术 项 目 〈 即 863 项 目 ) 中 有 关 生 命 科 学 的 课题 , 已 充分 体现 了 这 一 构思 。 为 这 些 项 目 国家 投入 了 十 分 可 观 的 资金 和 人 力 , 而 且 每 一 项 目 都 制定 了 五 至 十 年 的 规划 。 可 见 即使 已 经 成 熟 的 基础 理论 和 技术 转变 成 产业 , 亦 非 轻 而 易 举 。 其 次 , 生 物化 学 与 分 子 生物 学 是 一 门 基础 理论 学 科 , 在 当今 生命 科学 中 具有 举足轻重 的 地 位 。 应 用 性 课题 如 “863” 项 目 虽然 对 基础 理论 有 所 促进 , 但 它 不 可 能 蔡 代 理论 研究 。 由 于 理论 上 的 差距 , 我 国 在 高 科技 方面 只 能 以 跟踪 国外 为 目标 。 况 且 基 础 理论 是 高 科技 的 基石 , 决 不 能 削弱 。 第 三 , 基 础 理论 研究 需要 经 过 长 期 努力 才能 取得 成 效 , 加 上 理论 研究 愈 来 愈 多 地 依赖 精密 仪器 和 使 用 精密 试剂 , 因 此 必须 付 出 巨大 的 财力 和 物力 。 但 资金 不 足 的 状况 长 期 存在 , 这 就 要 求 用 较 少 的 投资 作出 有 现实 影响 以 及 有 可 能 在 世界 上 作出 创造 性 成 就 的 领域 。 这 是 在 制定 战略 过 程 中 最 困难 却 又 是 最 重要 的 问题 。 我 们 不 可 能 期 望 到 2000 年 全 面 赶 超 国际 先进 水 平 , 虽 然 现在 看 来 大 部 分 与 国际 水 平 尚 有 很 大 差距 , 但 我 们 应 该 能 在 部 分 领域 处 于 国 际 先进 水 平 。 近 10 年 来 , 我 国 也 建设 起 一 批 设 备 比较 齐全 的 重点 实验 室 , 由 水 平 较 高 的 学 术 带 头 人 领导 , 并 获得 国家 重点 经 费 支持 , 今 后 在 某 些 领域 取得 重大 突破 也 是 完全 有 可 能 的 。 当 然 , 他 们 还 将 担 负 起 培养 年 轻 一 代 的 责任 , 使 这 些 重点 实验 室 和 重要 研究 领域 后 WA, 5.2 近期 发 展 战 略 的 重点 基于 上 述 我 国 的 实际 情况 , 我 们 必须 建立 一 个 有 限 目 标的 战 115% 略 。 在 照顾 一 般 的 同时 , 采 取 集 中 主攻 方向 、 瞄 准 目 标 、 突 出 重 点 的 战略 部 署 。 防 止 遍 地 开花 或 大 口袋 式 的 、 面 面 俱 到 的 大 项 目 。 其 中 须 优 先 开 拓 研 究 的 重大 领域 有 以 下 几 个 方面 。 5.2.1 生物 分 子 及 其 组 合体 的 化 学 与 三 维 结构 的 研究 这 方面 的 研究 工作 我 国有 较 好 的 基础 。 牛 胰岛 素 及 酵母 丙 氨 酸 tRNA 的 人 工 合成 给 蛋白 质 与 多 肽 、 核 酸化 学 打下 坚实 的 基 础 ;蛋白 质 的 三 维 结构 也 一 直 与 国际 先进 水 平 同 步 。 在 这 一 基础 上 建议 , (1) 进一步 深入 开展 多 肽 生物 学 的 研究 , 努 力 发 现 更 多 新 的 生物 活性 多 肽 , 研 究 它们 的 生理 意义 、 组 织 分 布 、 并 不 断 创 新 分 析 手 段 , 提 高 测试 水 平 。 在 这 一 方面 应 优先 资助 如 下 课题 : 1) 神经 肽 研究 。 2) 免疫 多 肽 研究 。 3) 新 的 活性 多 肽 。 《2) 蛋白质 的 三 维 结构 及 其 与 生物 功能 关系 的 研究 阐明 重 白 质 的 精确 的 三 维 结构 , 进 而 研究 其 与 生物 功能 的 关 系 已 经 成 为 了 解 一 些 重要 生命 现象 分 子 机 理 的 关键 , 并 与 蛋白 质 工程 这 样 的 新 一 代 生 物 技术 的 发 展 与 开拓 密切 相关 。 以 X HAA 射 分 析 为 中 心 的 蛋白 质 晶体 结构 和 以 二 维 核磁 共振 谱 解 析 为 中 心 的 蛋白 质 溶 液 结构 研究 , 在 80 年 代 取 代 重 要 突破 和 进展 的 基础 “ 117 。 上 ,90 年 代 将 面临 更 加 迅速 发 展 的 新 机 遇 。 我 们 应 该 不 失 时 机 地 加 速 这 方面 的 研究 进程 , 宛 整 、 动态 地 测定 蛋 日 质 和 多 肽 在 溶液 和 晶体 状态 下 的 三 维 结构 。 这 一 领域 应 处 于 优先 发 展 的 地 ie 题 , 做 出 更 高 水 平 的 成 绩 。 在 国内 开展 二 维和 多 维 核磁 共振 溶液 结构 研究 的 技术 和 设备 条 件 已 经 具备 , 应 选 定 合适 对 象 进行 深入 研究 , 取 得 有 重要 意义 的 成 果 。 在 这 一 领域 近期 应 该 优先 资助 的 课题 有 : 1) 蛋白 质 的 晶体 生长 规律 及 和 射 数据 的 快速 收集 方法 研 FE 2) 重要 曙 白 质 和 多 肽 溶液 结构 的 二 维和 三 维 核磁 共振 谱 解 AT 3) 一 些 重要 和 蛋白质 ,如 膜 蛋白 、 病 毒 和 其 他 生物 功能 重要 的 蛋白 质 的 晶体 结构 研究 。 4) 时 间 分 辩 的 蛋白 质 和 多 肽 动态 结构 及 其 与 生物 功能 关系 的 研究 。 (3) 有 蛋白 质 折 县 研究 在 大 量 一 级 结构 和 高 级 结构 积累 的 基础 上 , 研 究 这 两 者 内 在 的 规律 性 联系 , 阐 明 从 编码 基因 核 苷 酸 序列 翻译 形成 的 或 体外 变 性 产生 的 线性 多 肽 链 如 何 形成 具有 三 维特 征 的 天 然 结 构 , 已 经 成 为 一 个 前 沿 性 课题 。 这 是 分 子 生 物 学 迄今 尚未 解决 的 基本 问题 之 一 , 从 而 具有 重要 的 基础 理论 意义 。 同 时 , 对 于 通过 和 蛋白质 工程 构建 新 型 蛋白 质 分 子 , 有 重要 的 实践 指导 意义 。 其 主要 研究 内 容 , 可 以 包括 体内 新 生 肽 链 的 折 友 和 体外 变性 蛋 日 的 重 折 琶 , 以 及 以 氨基 酸 序 列 知识 为 基础 的 蛋白 质 构象 预测 。 在 这 一 方面 近期 应 优 “ 118 先 给 予 资 助 的 课题 有 : 1) SRHATAH. 2) 促进 或 催化 肽 链 折 硬 的 分 子 伴侣 的 研究 。 3) 多 肽 链 折 友 的 理论 、 计 算 机 模拟 和 构象 三 级 结构 ) 预测 研究 。 (4) 多 肤 工 程 和 有 蛋白 质 工程 多 肽 和 蛋白 质 工程 是 80 年 代 兴 起 并 获得 迅速 发 展 的 领域 , 它 不 仅 对 生物 高 技术 的 开拓 与 发 展 具 有 重要 意义 , 而 且 作 为 一 种 强 有 力 的 研究 手段 , 对 许多 重要 的 结构 -功能 关系 研究 具 广泛 的 推动 作用 。 其 主要 研究 内 容 应 包括 通过 有 控制 的 基因 修饰 和 基因 合成 , 对 现 有 和 蛋白质 和 多 肽 加 以 定向 改造 , 同 时 设计 、 构 建 并 最 终生 产 比 自然 界 已 经 存在 的 更 加 符合 人 类 需要 的 蛋白 质 和 多 肽 。 从 总 体 看 , 这 一 领域 还 处 在 发 展 的 初级 阶段 , 必 须 充 分 重视 其 基础 问题 和 关键 技术 的 研究 。 应 予 优先 资助 的 课题 有 ; 1) 以 改善 现 有 性 能 或 植 入 新 性 能 为 目标 的 一 些 重要 天 然 蛋 白 质 的 改造 研究 。 2) 多 肽 和 蛋白 质 分 子 的 全 新 设计 。 3) 以 蛋白 质 为 靶 的 药物 设计 和 非 药 物 模拟 , 《5) 核酸 的 结构 与 功能 的 研究 核酸 的 结构 与 功能 研究 是 当前 国际 上 的 大 热点 。 无 论 是 核酸 的 结构 , 还 是 核酸 的 生物 功能 方面 , 近 年 来 都 不 断 有 新 的 发 现 和 进展 。 分 别 研究 核酸 的 结构 与 功能 以 及 二 者 的 关系 将 有 助 于 盖 明 遗传 信息 的 储存 和 基因 表达 调控 的 全 过 程 , 也 有 助 于 推动 核酸 的 应 用 研究 。 我 国 在 核酸 的 序列 测定 和 tRNA 结构 与 功能 研究 方面 “119 , 有 较 好 的 研究 基础 , DNA 复制 、 核 糖 体 结构 功能 等 方面 的 工作 也 正在 进行 之 中 。 为 缩小 国内 研究 与 国际 水 平 的 差距 , 国 家 可 根据 国内 基础 研究 现状 , 按 一 定 的 目标 组 织 少 数 基础 较 好 的 实验 室 , 给 以 重点 支持 。 应 子 优 先 资助 的 课题 有 : 1) tRNA 的 结构 与 功能 。 2) 核糖 体 结构 与 功能 。 3) DNA 的 复制 。 4) RNA 的 编译 。 5) 酶 活性 RNA 的 结构 与 功能 。 6) snRNA 的 结构 与 功能 。 SMW (6) 反 义 核 酸 与 酶 活性 RNA 的 应 用 研究 反 义 窒 聚 脱氧 核糖 核酸 可 以 形成 三 螺旋 结构 方式 结合 在 特定 的 双 链 DNA 片段 上 阻止 DNA 的 复制 和 转录 。 它 也 可 以 携带 化 学 剪刀 试剂 到 双 螺 旋 DNA 的 特定 位 点 降解 DNA。 它 还 可 与 特定 的 RNA 片段 (如 来 源 于 病毒 基因 组 RNA、mRNA 或 其 前 体 ) 结合 , 阻止 RNA 的 反 转 录 复 制 、mRNA 前 体 的 剪接 或 mRNA 的 翻译 等 , 或 借助 核糖 核酸 酶 H 剪 切 杂交 区 段 的 RNA 链 等 。 酶 活性 RNA 是 反 义 核 酸 的 一 种 , 它 可 以 特异 前 切 某 个 RNA 位 点 。 因 此 两 者 均 极 有 可 能 成 为 病毒 基因 和 生物 有 害 基 因 表 达 的 专 一 性 抑制 剂 。1992 年 美国 已 将 反 义 核 酸 用 于 临床 实验 ,估计 很 快 可 达到 实 用 化 。 我 们 应 抓 住 时 机 , 加 强 这 方面 的 研究 。 应 予 优先 资助 的 课 GA : 1) 大 规模 、 低 成 本 合成 反 义 核酸 及 ribozyme 的 方法 。 2) 在 体内 抗 降解 的 反 义 核酸 及 ribozyme 的 修饰 研究 。 3) 针对 医 、 农 、 畜 牧 有 关 的 危害 较 大 的 病毒 , 进行 反 义 核酸 、 s 120» 酶 活性 RNA 最 佳作 用 位 点 , 最 佳作 用 条 件 的 研究 。 5.2.2 酶 学 的 研究 (1) 基础 酶 学 的 研究 我 国 对 酶 结构 和 功能 的 研究 已 有 相当 基础 , 如 酶 被 修饰 基 团 残余 分 数 和 残余 活力 分 数 之 间 的 关系 公式 已 被 世界 公认 。3- 磷 酸 甘油 醛 脱 氢 酶 、 肌 酸 激 酶 、 蛇 肌 果 糖 6 BA A AT HH 等 的 研究 均 已 达到 相当 高 的 水 平 。 对 所 酰 tRNA 合成 酶 的 研究 探 索 了 蛋白 质 与 核酸 相互 作用 的 新 领域 .这 些 方面 都 应 继续 深入 , 保 持 领先 地 位 。 随 着 DNA 重组 技术 在 我 国 的 逐渐 普及 , 应 加 强 酶 学 和 基因 工程 工作 者 的 合作 , 大 力 开 展 酶 的 分 子 克隆 和 酶 工程 的 人 研 究 , 引 入 定位 突变 等 分 子 生 物 学 技术 。 同 时 加 强 酶 空间 构象 和 功 能 关系 的 研究 , 充 分 利用 现 有 的 X HATH. Bet. AI 仪 等 设备 研究 酶 分 子 的 拓扑 学 .如 能 和 分 子 免疫 学 的 研究 相 结合 , 在 我 国 迅 速 填补 抗体 酶 研究 的 空 日 , 研 究 酶 的 定向 设计 , 则 能 使 我 国 基 础 酶 学 的 研究 更 能 接近 或 达到 国际 先进 水 平 。 至 于 在 酶 的 选择 上 , 应 着 重 选择 重要 生命 现象 中 的 关键 酶 , 例 如 核 苷 酸 环 化 ie. GA (GTP BP). SABRE eA, FP alle — 22 Sp 尚未 涉及 或 涉及 不 多 的 关键 酶 。 把 目前 局 限于 代谢 功能 的 研究 上 升 到 分 子 水 平 上 酶 结构 和 功能 的 研究 , 前 明 它 们 的 活性 中 心 、 一 级 结构 、 动 力学 、 作 用 原理 和 空间 构象 , 弄 清 其 激活 机 理 , 如 磷 ARG C 的 激活 及 其 与 磷脂 酶 A2 的 相互 激活 ;丝氨酸 蛋白 激酶 和 酷 氨 酸 蛋 日 激酶 的 相互 影响 、 底 物 专 一 性 , 如 磷脂 酶 和 恒 日 激酶 , 以 及 这 些 酶 的 调控 机 理 , 包 括 别 构 和 修饰 调节 以 及 基因 水 平 转录 、 mRNA 剪接 和 翻译 调控 等 。 (2) 应 用 酶 学 根据 我 国 的 具体 情况 , 有 必要 将 酶 学 研究 的 一 部 分 力量 安排 在 实际 应 用 方面 , 以 利 获得 一 定 的 社会 效益 和 经 济 效益 。 如 结合 危害 我 国人 民 健 康 最 大 的 疾病 肿瘤 和 心血 管 疾患 的 酶 学 研究 , 酶 在 诊断 和 治疗 上 的 应 用 等 。 但 应 用 酶 学 的 研究 必须 在 深入 研究 疾 病 发 病 机 理 的 基础 上 , 寻 找 在 发 病 上 起 关键 作用 的 酶 , 予 以 提纯 并 进行 分 子 水 平 的 研究 , 开 拓 新 的 诊断 酶 学 标志 。 发 展 高 灵敏 度 的 酶 学 测定 技术 , 如 用 于 免疫 定量 的 RIA BK ELISA, 以 提高 测定 的 灵敏 度 和 专 一 性 , 做 出 具有 我 国 的 特色 的 工作 。 同样 在 农业 上 , 为 解决 12 亿 人 口 的 吃饭 问题 ,开展 固氮 和 光合 酶 学 的 研究 也 是 十 分 重要 。 但 也 必须 在 过 去 的 基础 上 , 研 究 基 因 调控 , 开 展 酶 基因 工程 和 酶 基因 转移 等 技术 以 改进 品种 。 工 业 用 酶 在 经 济 发 展 和 国 计 民生 中 起 重要 的 作用 , 也 应 予以 适当 重视 , 并 加 强 工业 用 酶 的 应 用 基础 研究 , 引 进化 学 修饰 , 蛋 白 工程 等 技术 以 改善 工业 用 酶 的 质量 , 开 拓 新 的 工业 酶 制剂 的 品种 。 (3) 酶 工程 继续 开发 高 效 、 稳 定 而 廉价 的 固 相 载体 用 于 多 酶 体系 的 共 固 相 及 细胞 的 固 相 , 并 使 之 商品 化 。 研 究 高 效 的 固 相 技术 , 提 高 酶 的 稳定 性 、 催 化 效率 和 使 用 寿命 。 进 一 步 研 究 与 代谢 途径 有 关 的 多 酶 系统 中 各 个 酶 以 新 的 偶合 方式 的 共 固 相 化 , 创 造 新 的 代谢 途 径 , 以 设计 新 的 生产 工艺 ; 利用 基因 转移 和 细胞 融合 技术 研制 新 细胞 ,以 大 量 生 产 有 经 济 价值 的 生物 大 分 子 和 小 分 子 生物 制品 。 加 强 包 括 酶 电极 在 内 的 新 的 生物 传感器 的 研究 , 提 高 检测 的 灵敏 度 和 简便 性 , 扩 大 其 在 工农 业 和 医学 检验 中 的 应 用 范围 , 为 进一步 “ 122 。 开拓 生物 芯片 和 生物 电脑 的 研究 打下 基础 。 在 应 用 研究 方面 , 应 该 加 强 酶 活性 RNA 在 防治 病毒 病 和 抑制 有 害 基因 的 表达 工作 , 对 象 可 以 是 与 医 、 农 、 畜 牧 等 有 关 的 危害 较 大 的 病毒 。 5$. 2.3 基因 信息 的 表达 、 调 控 、 传 代 等 的 机 理 (1) 基因 表达 和 调控 的 分 子 机 理 不 论 是 原核 生物 还 是 真 核 生物 , 基 因 表 达 和 调控 的 分 子 机 理 研究 , 是 一 个 共同 的 问题 。 基 因 表 达 和 调控 的 实质 是 核酸 -蛋白 和 蛋白 -蛋白 相互 作用 问题 。 在 转录 、 转 译 和 加 工 过 程 中 , 很 多 顺 式 元 件 和 反 式 因子 的 作用 不 清楚 。 过 去 对 结构 蛋白 或 产物 含量 多 的 蛋白 或 酶 的 基因 结构 、 表 达 和 调控 进行 了 研究 , 但 对 产物 含量 少 的 非 结 构 蛋 白 的 基因 表达 和 调控 , 限 于 技术 问题 研究 较 少 。 现 在 用 PCR 、 基 因 工 程 等 方法 , 可 得 到 足 构 的 基因 和 检测 标记 进行 研 究 , 如 CaMV 的 ORFV 的 功能 是 编码 反 转 录 酶 、ORFV1 编码 病 毒 内 含 体 等 。 今 后 应 注重 于 测定 蛋 昌 质 及 和 蛋白质- 核酸 复合 物 的 三 维 结构 , 用 基因 融合 和 基因 定位 诱 变 等 技术 , 在 原子 水 平 上 了 解 生物 大 分 子 结构 和 相互 作用 的 机 理 。 (2) 基因 工程 的 基础 理论 研究 1) 加 强 基 因 工 程 相关 的 基础 研究 和 关键 技术 研究 。 我国 从 70 代 局 期 开始 基因 工程 研究 。 多 年 来 队伍 不 断 壮 大 , 水 平 提高 较 快 , 但 从 整体 来 看 , 仅 处 在 跟踪 水 平 , 缺 乏 创 新 , 没 有 摆脱 以 组 装 为 主 的 状态 。 今 后 应 加 强 基础 和 关键 技术 研究 , 研 究 重点 应 为 基因 表达 调控 、 工 程 化 宿主 、 翻 译 后 加 工 、 肽 链 折 释 等 。 在 关键 技术 方面 除了 基因 体外 操作 和 基因 转移 的 实验 室 技术 外 , 为 促使 基因 工程 技术 的 产业 化 , 应 加 强 中 、 下 游 技 术 研 究 , 如 包涵 体 后 处 理 、 *TZ3 ° 肽 链 再 折 和 三、 高 密度 培养 技术 等 的 研究 。 2) 扩展 基因 工程 的 研究 和 应 用 范围 。 我 国 基因 工程 应 用 研究 主要 集中 在 基因 工程 多 肽 药物 和 疫苗 , 今 后 应 注意 基因 工程 在 改 造 传统 发 酵 工 业 、 环 境 保护 等 方面 的 应 用 。 在 表达 系统 的 研究 方 面 , 目 前 基本 上 重 引 进 国 外 现 有 的 系统 , 今 后 应 强调 与 我 国生 物 资源 研究 相 结合 , 开 发 新 的 表达 系统 和 新 的 目的 基因 , 例 如 与 极 端 环境 的 微生物 研究 相 结合 结合 发 展 新 的 表达 系统 , 与 濒危 、 珍 稀 生 物 研 究 相 结合 开发 新 的 目的 基因 。 3) 建立 基因 库 和 细胞 库 。 我 国 研究 用 的 基因 、 菌 种 、 细 胞 株 目前 保存 在 各 自 实 验 室 中 , 不 仅 人 花费 大 , 而 且 篆 由 于 保管 不 善 而 污染 、 死 亡 。 国 外 十 分 重视 基因 库 和 细胞 库 , 美 国 、 日 本 、 欧 洲 均 已 建立 了 各 种 类 型 的 基因 库 以 及 销售 基因 和 细胞 株 的 公司 , 促 进 和 保证 了 基因 工程 和 细胞 工程 研究 的 顺利 进行 。 因 此 , 必 须 尽 快 建立 全 国 公用 的 基因 库 和 细胞 库 。 5.2.4 具有 调控 作用 的 生物 分 子 的 化 学 及 其 受 体 的 作 用 机 理 激素 、 生 长 因子 以 及 其 他 一 些 生物 分 子 能 调控 物质 代谢 、 基 因 表 达 、 细 胞 生长 等 , 对 它们 的 化 学 特性 和 作用 机 理 的 研究 , 始 终 是 一 个 十 分 活跃 的 前 沿 领域 。 其 中 包括 : 经 典 激素 的 分 子 水 平 研究 ; 神经 内 分 泌 、 胃 肠 内 分 泌 、 循 环 系统 内 分 刻 以 及 生长 因子 、 生长 抑制 因子 等 活性 多 肽 的 结构 与 功能 的 研究 ;植物 激素 作用 的 分 子 机 理 研究 。 结 合 当前 研究 的 发 展 趋势 和 我 国 的 实际 情况 , 在 一 段 时 间 内 可 抓 住 下 列 主 要 研究 方向 和 前 沿 课题 , 择 优 子 以 支 持 。 。 o 124 e (1) 激素 作用 机 理 的 研究 1) 肽 类 激素 受 体 的 结构 和 功能 研究 , 确 定 受 体 蛋 白 的 功能 部 位 , 配 体 与 受 体 相互 作用 的 精细 结构 基础 。 受 体 后 信号 转 导 机 理 的 研究 , 环 核 苷 酸 蛋 白 激 酶 途径 , 磷 脂 酰 肌 醇 途 径 , 酷 氨 酸 蛋白 激酶 途径 等 。 激素 与 生长 因子 的 细胞 核 内 作用 。 胰岛素 作 用 机 理 研 究 :胰岛 素 受 体 的 磷酸 化 和 脱 磷酸 化 作用 , 丝氨酸 / 苏 氨 酸 蛋白 质 磷酸 化 在 胰岛 素 作用 中 的 意义 ,第 二 信使 的 研究 。 2) 固 醇 类 激素 受 体 磷 酸化 和 脱 磷酸 化 的 研究 。 受 体 的 结构 和 功能 研究 , DNA 结合 区 结构 分 析 , 与 激素 应 答 元 件 的 相互 作用 , 功 能 区 与 其 他 调节 蛋白 的 相互 作用 。 固 醇 类 激素 对 基因 产物 〈 生 长 因子 、 原 癌 基 因 产 物 等 ) He 饰 、 顺 式 作 用 元 件 、 反 式 作 用 因子 以 及 激素 - 受 体 复合 物 对 基因 转 录 和 翻译 过 程 的 调节 。 (2) 激素 生长 因子 与 癌 基 因 关 系 的 研究 1) 激素 对 原 交 基因 表达 的 调节 。 , 2) 原 癌 基 因 在 激素 作用 中 的 意义 。 3) 生长 因子 的 交互 作用 与 生长 因子 的 多 功能 性 。 so (3) 内 分 泓 疾病 的 分 子 基 础 研究 (4) 生长 因子 与 人 类 疾病 的 研究 包括 肿瘤 、 动 脉 粥 样 硬化 、 肺 纤维 化 、 人 烧伤 、 骨 折 、 各 种 溃 Away, weet, Rete, BRAS TMH 学 基础 研究 。 (5) 植物 激素 的 研究 1) 激素 生物 合成 , 代 谢 及 其 调控 研究 。 激素 生物 合成 及 其 代谢 过 程 中 关键 酶 的 生化 及 分 子 生 物 学 研 st 关键 酶 在 发 育 过 程 中 变化 及 其 调节 因子 的 研究 。 关键 酶 的 基因 工程 。 2) 受 体 的 研究 。 植物 组 织 对 激素 敏感 性 的 分 子 基 础 及 其 调节 因子 的 研究 。 Zk (SRA) 的 生物 化 学 与 分 子 生物 学 研究 。 受 体 基 因 工程 。 3) 激素 对 基因 表达 的 调节 。 受 体 后 信息 传导 的 研究 。 植物 激素 局 动 转录 过 程 的 分 子 机 理 。 同一 细胞 中 , 不 同 激素 在 基因 表达 同一 步骤 中 的 加 和 作用 和 ” 持 抗 作用 机 理 的 研究 ;同一 激素 在 同一 类 细胞 中 一 定时 间 诱 导 活 化 某 些 基因 而 抑制 另 一 些 基 因 的 机 理 的 研究 。 激素 作用 下 表达 产物 与 生理 反应 之 间 的 关系 。 - 4) 寻找 新 激素 , 合 成 生长 调节 剂 及 其 应 用 。 ° 126° 5.2.5 生物 分 子 的 组 装 一 一 生物 膜 的 研究 (1) 膜 脂 与 膜 蛋白 的 相互 作用 膜 脂 是 膜 的 基本 骨架 , 膜 蛋白 是 膜 功能 的 主要 体现 者 , 二 者 相互 作用 的 本 质 是 生物 膜 研究 的 一 个 重要 环节 。80 年 代 我 国生 物 膜 研究 有 了 较 迅 速 的 发 展 , 其 中 很 大 一 部 分 都 与 膜 脂 - 膜 蛋 日 相互 作用 密切 相关 , 主 要 抓 住 了 一 些 有 特点 的 膜 , 如 线粒体 膜 、 叶 绿 体 类 圳 体 膜 、 嗜 盐 菌 紫 膜 、 红 细胞 膜 、 癌 细胞 膜 以 及 神经 细胞 腊 等 。 应 用 生物 物理 技术 , 如 核磁 共振 、 顺 磁 标 记 、 奖 光标 记 、 郑 Pt. CRRA HSE. BOTH Ste. A Bis Sots. 生日 构象 .今后 的 研究 一 方面 要 继续 抓 住 这 几 个 体系 深入 下 去 ,一 方面 宜 着 重 开 展 : 1) 膜 脂 流 动 性 的 研究 , 应 该 深入 到 膜 脂 分 子 的 特定 具体 运动 形式 的 速率 与 膜 蛋白 构象 和 活性 的 关系 来 进一步 开展 研究 。 2) 非 双 层 脂 结构 与 生物 膜 的 功能 。 3) 多 肽 与 膜 脂 的 相互 作用 : 主要 是 能 自动 横 垮 脂 双 层 的 多 肽 能 和 目 动 坦 入 双 层 的 多 肽 的 结构 与 功能 的 研究 , 包 括 信 号 肽 、 引 肽 、 激 素 多 肽 、 毒 素 多 肽 等 。 4) 膜 脂 - 膜 蛋 昌 相 互 作用 与 农作物 抗 性 、 细 胞 病变 的 关系 以 及 药物 的 作用 机 理 。 (2) 膜 蛋 白 与 膜 有 蛋白 的 相互 作用 膜 蛋白 之 间 的 相互 作用 是 生物 膜 表 现 功 能 的 重要 方面 , 这 包 括 膜 蛋白 复合 物 亚 基 之 间 的 相互 作用 与 各 个 膜 蛋白 〈 或 膜 蛋白 复 合 物 ) 之 间 的 相互 作用 。 这 种 相互 作用 首先 就 要 了 解 膜 蛋 白 的 结 构 及 与 膜 的 关系 。 分 子 生 物 学 技术 的 发 展 与 根据 一 级 结构 预测 二 327 - 玖 结构 的 研究 进展 , 使 得 对 膜 蛋 日 的 了 解 大 为 深入 。 为 了 赶 上 国 际 研究 水 平 , 应 注意 以 下 几 方 面 的 研究 : 1) 利用 分 子 生物 学 手段 ,配合 蛙 日 质 化 学 分 析 , 研 究 膜 蛋白 的 一 级 结构 , 以 及 膜 蛋 日 的 基因 克隆 与 表达 。 可 以 得 到 天 然 含 量 并 不 丰富 的 膜 蛋 日 , 进 行 膜 蛋 日 结构 与 功能 的 研究 。 2) 线粒体 电子 传递 链 、 叶 绿 体 类 宫 体 光合 电子 链 、FOF1ATP 酶 的 研究 。 3) 红细胞 带 3 蛋 昌 及 与 细胞 内 其 他 蛋白 的 相互 作用 。 4) 膜 受 体 的 研究 。 (3) 物质 传递 是 生物 膜 的 基本 功能 , 各 种 物质 从 离子 、 质 子 到 有 蛋 白质 都 有 跨 膜 传送 的 问题 根据 国内 现 有 基础 , 应 强调 : 1) 离子 的 跨 膜 传送 , 包括 也 、Na- 、K- 、Ca” 、Cl 等 重要 生物 活性 离子 。 2) 蛋 日 质 的 路 膜 传送 , GAH RT BE. Ae 与 传送 后 的 重 折 机 理 等 。 3) 内 大 作用 的 分 子 机 理 。 (4) 跨 膜 信息 传递 有 不 少 生物 活性 物质 , 虽 然 不 能 路 膜 进入 细胞 , 但 却 与 膜 外 侧 的 受 体 结合 , 通 过 路 膜 信息 传递 的 机 理 , 调 节 细 胞 代谢 。 本 文 提 到 了 腺 苷 环 化 酶 、 乌 苷 环 化 酶 、 蛋 白 激酶 A、 和 蛋白 激酶 C、 栈 氢 酸 激酶 等 。 在 跨 膜 信 息 传送 过 程 中 , 蛋 白质 的 磷 酸化 与 去 磷酸 化 是 一 个 重要 环节 。 BAER RSA. BAC. RIMS 方面 做 过 一 些 好 的 工作 , 还 宜 于 进 一 部 深入 。 特 别 是 各 个 系统 之 * 126° 间 互 相 还 有 交叉 作用 , 非 常 复杂 。 此 外 , 在 瘤 基 因 的 功能 , 一 些 生长 因子 的 作用 方面 , 也 宜 于 加 强 。 (5) 脂 质 体 的 研究 旨 质 体 对 于 研究 蛋白 与 膜 脂 的 作用 , 膜 蛋白 之 间 的 作用 , 脐 蛋白 作为 跨 膜 传送 载体 的 作用 机 理 、 膜 融合 机 理 等 都 是 十 分 有 用 的 , 而 脂 质 本 身 有 很 高 的 实用 价值 。 今 后 应 主要 开展 , 1) 重 组 脂 质 体 中 蛋白 质 构象 及 其 在 功能 过 程 中 构象 变化 的 研 FE 2) 脂 质 体 与 细胞 质 膜 或 其 他 膜 融 合 的 机 理 。 3) 脂 质 体 作为 药物 运载 体 及 基因 导入 运载 体 。 4) 脂 质 体 的 组 成 与 它 在 组 织 恬 官 分 布 的 关系 。 5.2.6 ” 跨 学 科 的 课题 一 些 学 科目 前 已 主要 从 分 子 的 角度 去 研究 , 生 物化 学 与 分 子 生物 学 的 理论 和 技术 被 广泛 地 运用 于 这 些 学 科 中 , 同 时 这 些 学 科 的 成 就 又 推动 了 生物 化 学 与 分 子 生 物 学 的 发 展 , 分 子 病毒 学 、 分 子 免疫 学 均 是 如 此 。 (1) 分 子 病 毒 学 我 国 从 事 病毒 学 研究 的 机 构 约 有 200 多 个 ; 人 员 几 千 , 但 绝 大 多 数 分 布 在 大 中 城市 和 省 地 两 级 卫生 防疫 系统 , 实 际 能 够 开展 分 子 病毒 学 研究 的 单位 和 人 员 并 不 多 , 只 有 少数 重点 实验 室 和 病 毒 基因 工程 的 个 别 项 目 已 接近 或 达到 国际 先进 水 平 。 因 此 , 我 国 分 子 病毒 学 研究 基础 薄弱 , 空 白领 域 很 多 , 与 国际 先进 水 平 有 较 大 差距 。 分 子 病毒 学 是 生物 化 学 、 生 物 物 理学 、 细 胞 学 、 免 疫 学 *129 等 学 科 基础 上 发 展 起 来 的 综合 学 科 , 它 要 求 的 基础 知识 和 技术 以 及 实验 条 件 也 就 更 宽 更 高 更 多 , 因 此 和 生物 化 学 与 分 子 生 物 学 的 其 他 分 支 学 科 相 比 , 它 在 发 展 中 的 问题 也 更 加 突出 。 根 据 我 国 的 实际 情况 , 分 子 病毒 学 的 落后 状况 要 在 中 近期 发 生根 本 变化 并 不 现实 , 只 能 尽力 加 以 改善 , 避 免 与 先进 国家 的 差距 越 来 越 大 。 为 此 , 应 选择 与 在 我 国 流行 的 、 和 危害 严重 的 病毒 病 防 治 有 关 的 、 与 发 展 高 科技 产业 有 关 和 对 分 子 生物 学 的 发 展 有 重大 意义 的 一 些 项 目 给 予 重 点 支持 , 同 时 对 有 创新 和 探索 价值 的 一 般 课 题 也 给 予 应 有 的 照顾 。 根 据 上 述 原则 建议 考虑 的 前 沿 谋 题 有 : 1) 乙肝 病毒 基因 组 的 复制 , 基因 表达 调控 以 及 适 于 推广 的 新 型 基因 工程 疫苗 研制 。 2) 艾滋 病毒 的 分 子 诊断 技术 与 防治 。 3) 杆 状 病毒 基因 的 转录 调控 和 载体 表达 系统 的 改进 和 开发 。 4) 基因 工程 病毒 疫 酝 , 以 症 苗 病毒 为 载体 的 单价 或 多 价 重组 活 疫 苗 、 甲 型 及 两 型 肝炎 、 流 行 性 出 血 热 、 狂 犬 病 、 乙 型 脑 炎 、 幼 婴儿 轮 状 病毒 、 畜 用 口 蹄 炎 病毒 疫苗 等 。 5) 人 类 肿瘤 病毒 的 致癌 机 理 、 如 乙肝 、 丙 肝病 毒 与 肝 瘤 、EB 病毒 与 鼻 咽 癌 、 人 乳头 瘤 病 毒 与 宫颈 瘤 及 其 他 上 皮 瘤 、HIV SR 滋 病 等 。 6) 植物 病毒 的 分 子 病理 学 与 抗 病毒 转移 基因 植物 。 7) 腺 病毒 、 流 感 病毒 等 的 分 子 流行 病 学 。 8) 抗 病毒 反 义 罕 核 苷 酸 药物 的 研制 。 9) 典型 慢 病毒 的 分 子 病 理学 。 10) 反 转 录 病 毒 载体 和 包装 细胞 的 开发 及 其 在 转基因 动物 和 基因 治疗 中 的 探索 性 应 用 。 11) 广 谱 高 效 的 重组 昆虫 病毒 杀 虫 剂 。 - 130° 12) 典型 鸣 菌 体 的 复制 和 包装 机 理 。 (2) PF RR 1) MCV 的 多 态 性 以 及 和 工 细胞 选择 的 关系 。 我 国人 口 众多 , 占 世 界 人 口 的 1/5, 中 国人 群 的 HLA 是 国际 资料 中 的 一 大 空白 , 这 对 了 解 国家 人 群 和 其 他 种 群 之 间 的 关系 和 差异 , 免 疫 应 答 的 特点 以 及 它们 和 某 些 肿瘤 以 及 上 自身 免疫 病 的 发 病 机理 上 的 关系 , 新 的 MHC 基因 和 分 子 的 发 现 等 都 有 重要 意义 , 而 且 国 内 在 这 方面 已 有 一 定 的 基础 。 MHC 和 多 态 性 : 应 用 PCR 产物 的 直接 序列 分 析 或 RFLP 等 的 分 子 生 物 学 方法 研究 中 国人 群 的 HLA 多 肽 性 , 包括 I 类 分 子 、 I 类 分 子 和 下 类 分 子 中 有 关 补 体 的 部 分 , 发 现 新 类 型 。 应 用 同 种 异体 特异 顺序 探 针 等 方法 , 研 究 中 国人 群 HLA 多 态 性 和 自身 免 疫病 、 肿 瘤 、 传 染病 、 补 体 疾病 的 相关 性 , 找 出 相关 性 的 分 子 基 础 。 MHC 和 细胞 的 分 化 和 选择 : 研究 工 细 胞 在 胸腺 内 分 化 过 程 中 , MHC I 类 、I 类 分 子 、TCR 及 其 它 细胞 表面 分 子 、 细 胞 因子 在 正 选择 和 负 选 择 工 细胞 中 的 作用 , 分 析 造 成 工 细 胞 自身 耐 受 的 PLE. 2) RRABH RA + BEREAM T 细胞 抗原 受 体 。 免疫 识别 是 免疫 学 的 中 心 问题 ,抗体 在 应 用 上 又 有 重大 价值 。 国外 近年 发 展 很 快 , 差 距 较 大 。 但 国内 已 建立 相当 的 分 子 生 物 学 和 基因 工程 的 基础 , 选 择 某 些 方 面 赶 上 国外 发 展 是 有 可 能 的 。 近期 内 可 利用 探 针 研究 Ig 基因 和 TCR 基因 及 其 调控 和 某 些 肿瘤 及 自身 免疫 病 之 间 的 关系 , 并 为 临床 和 疾病 分 类 提供 依据 。 开展 抗体 应 答 免 疫 记 忆 分 子 机 理 的 研究 , 包括 工 细 胞 及 其 因 “131 。 子 在 其 间 的 作用 , 高 突变 发 生 的 机 理 , 以 及 维持 免疫 记忆 的 机 理 。 建立 库 克 隆 化 技术 , 开 展 各 类 基因 工程 抗体 的 研究 以 获得 各 种 新 型 抗体 , 包 括 人 用 抗体 在 内 。 3) 补体 方面 。 国内 在 补体 活化 的 分 子 机 理 方面 已 有 一 定 的 工作 基础 。 在 补 体 研 究 中 活化 机 理 占 有 十 分 重要 的 地 位 , 因 为 补体 活化 以 及 引起 的 炎症 和 大 多 数 人 类 病 相 关 , 而 解决 补体 引起 的 炎症 关键 在 于 活 化 的 控制 。 研究 补体 系统 中 各 分 子 的 结构 和 功能 , 它 们 在 活化 过 程 中 的 变化 和 作用 机 理 。 研究 血浆 中 的 调节 蛋白 及 膜 相 关 分 子 在 活化 和 炎症 过 程 中 的 调节 作用 ,进行 调节 蛋白 的 基因 工程 和 蛋白 质 工程 改 建 的 研究 ,以 用 于 控制 补体 活化 和 炎症 的 基础 和 应 用 性 研究 。 4) 细胞 因子 方面 。 结合 细胞 因子 网 络 的 观点 , 从 分 子 水 平 上 研究 细胞 因子 在 免 疫 细胞 生长 分 化 、 免 疫 应 答 的 各 环节 中 , 以 及 疾病 发 生发 展 过 程 中 的 诱 生 和 调节 作用 , 研 究 一 种 分 子 起 多 种 作用 及 多 种 分 子 起 一 种 作用 的 分 子 基 础 。 研究 细胞 因子 受 体 的 结构 和 功能 , 包 括 受 体 基 因 克 隆 的 建立 或 引进 , 受 体 和 因 作 用 后 信息 在 胞 内 的 传递 , 以 及 可 能 导致 的 一 系列 基因 活性 激活 过 程 , 研 究 可 溶性 受 体 的 调节 作用 。 发 现 并 分 离 新 的 细胞 因子 , 建 立 基 因 克 隆 , 进 行 分 析 鉴 定 。 * I32° 0 战略 措施 与 政 案 建议 1) 在 国家 现 有 财力 条 件 下 , 目 然 科 学 基金 额度 不 可 能 有 大 幅度 的 增长 , 然 而 基础 研究 急 需 扶持 与 发 展 , 这 就 需要 有 正确 的 战略 措施 与 政策 。 生 物化 学 与 分 子 生 物 学 是 当代 生物 学 发 展 最 迅速 并 且 最 有 活力 的 一 个 分 支 , 起 着 带头 学 科 的 作用 。 生 物 学 的 各 个 其 他 分 支 都 需要 运 用 生物 化 学 与 分 子 生 物 学 的 概念 和 方法 技术 。 化 学 、 物 理学 以 及 数学 、 计 算 科 学 中 的 理论 和 技术 也 都 在 癌 它 渗透 。 它 的 发 展 还 促进 了 生物 技术 的 发 展 。 因 此 , 必 须 对 生物 化 学 与 分 子 生 物 学 给 予 足够 的 重视 并 在 经 费 上 给 予 重 点 支 持 。 2) 抓 住 国际 前 沿 课题 , 组织 协作 , 在 明确 的 目标 与 阶段 目标 下 , 稳 定 地 支持 一 段 较 长 的 “133 。 时 期 。 胰岛 素 人 工 合 成 伦 了 6 一 7 年 , 酵母 两 氨 酸 转移 核糖 核酸 的 人 工 合成 伦 了 13 年 , 没有 坚持 的 努力 , 稳定 的 支持 , 是 不 可 能 有 如 此 巨大 的 成 果 的 。 一 个 大 项 目 必 须要 能 分 解 成 有 意义 的 子 课题 , 子 课 题 之 间 必 须 有 有 机 的 联系 。 当 年 胰 怠 素 的 合成 分 为 : AB 链 的 拆 合 、A 链 21 肽 合成 、B 链 30 肽 合成 ,是 个 很 好 的 范例 。 目 前 国 内 也 有 一 些 重大 项 目 或 重点 项 目 , 但 不 少 仅 是 大 口袋 , 子 课题 之 间 没 有 联系 , 有 的 甚至 系统 与 对 象 也 不 同 , 只 不 过 是 把 分 散 的 课 题 归 类 合并 , 而 不 是 把 一 个 项 目 分 解 以 求 不 断 提 高 最 终 完成 。 3) 大 项 目 一 定 要 发 挥 牵 头 单位 的 积极 性 与 责任 性 , 要 尽量 减 少 报表 而 组 织 真 正 的 交流 。 牵 头 单位 必须 有 责 有 权 而 对 基金 委 负 责 , 起 到 检查 督促 的 作用 。 选 择 大 项 目 时 必须 考虑 到 先进 性 、 可 行 性 。 要 避免 过 分 依赖 大 型 仪 恬 的 课题 , 但 要 保证 币 规 仪 右 设备 的 先进 性 , 协 作 单 位 必须 是 互补 型 的 。 对 成 果 的 评价 , 对 有 关 单 位 与 个 人 的 贡献 的 评估 要 有 科学 态度 , 实 事 求 是 。 4) 基 金 委 通过 几 年 来 的 实践 已 对 有 关 院 校 和 研究 所 实验 室 的 水 平 、 作 风 有 比较 深入 的 了 解 , 应 在 这 个 基础 上 采取 分 级 管理 , 依 此 委托 他 们 承担 不 同 大 小 及 水 平 的 谋 题 。 5) 凡事 有 所 不 为 才能 有 所 为 , 一 个 杰出 的 成 果 顶 得 上 二 百 个 一 般 性 的 成 果 。 因此 , 在 经 费 上 要 对 大 项 目 切实 增加 投资 强度 , 不 要 以 为 支持 项 目 多 就 是 成 绩 , 当 然 面 上 也 要 有 所 照顾 。 今 后 从 国 外 学 习 回 国 的 人 员 会 逐渐 增多 , 原 则 上 他 们 的 初始 运转 费用 应 由 所 在 单位 负责 , 以 后 再 提出 申请 择优 支持 。 6) 大 力 加 强国 际 合作 , 在 联合 课题 上 多 下 功夫 , 尽量 争取 与 国外 基金 会 有 联合 研究 方向 , 共 同 支 持 联 合 研究 。 对 于 一 般 性 的 访问 与 国际 会 议 则 宜 从 严 掌握 。 有 的 课题 例如 基因 组 的 研究 , 如 果 基 金 委 与 国外 有 关 单 位 谈判 , 以 国外 资助 1 美元 、 基 金 委 资 助 ° 134 » 1 元 人 民 币 的 比值 来 开展 工作 , 则 对 我 国 基础 研究 的 开展 与 活跃 是 十 分 有 利 的 。 7) 对 于 一 般 性 的 课题 要 求 做 到 相近 的 课题 尽量 采用 不 同系 统 (或 对 象 ) 。 支 持 一 些 课 题 从 不 角度 来 研究 , 也 会 使 整体 水 平 有 个 飞跃 。 基 金 委 应 在 宏观 上 加 以 协调 , 而 不 是 单纯 接受 申请 与 讨论 申请 。 9 参考 文献 马 海 官 , 生 物 科 学 信息 ,1990,2,1,10. 王 玉 环 、 吴 国 利 , 生 物化 学 与 生物 理 进展 ,1991,18,2,91. 王 德 宝 , 生 物化 学 与 生物 物理 学 报 ,1991,23,95. 朱 关 福 , 病 毒 学 报 ,1989,5,89. 阮 力 等 , 病 毒 学 报 ,1989,5,96. 吴 国 利 , 生 物 科 学 信息 ,1991,3,4,9. 杨 胜 利 , 国 外 医学 ”分子 生物 学 手册 ,1991,13,6,262. 郑 志 明 , 病 毒 致 病 的 分 子 病理 学 研究 , 卫 生 部 第 六 期 ”走向 世界 ”报告 资料 ,1989. - 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