美国加州斯坦福大学医学院，结构生物学系

因“真核转录的分子基础所作的研究”获2006年诺贝尔化学奖

于茗骞

●             　●             　●

在过去的50年中，我致力于研究生物学的基础问题。这些问题关乎于生命的基础运转，例如，“有着同样遗传信息的细胞如何分化成人体中200多种不同的细胞？”又比如，“细胞如何因应环境信息作出自我调控？”

在这篇文章中，我将带你踏上我的研究之路。我会讲述RNA聚合酶II的精巧机制——在其作用下，DNA如何转录成mRNA？最终，mRNA会被翻译成蛋白质。而蛋白质在机体内扮演一系列重要的角色——包括构建细胞，响应外部刺激，加速化学反应，以及在距离很远的组织之间传递信号。最后，我会分享当前我们还在探索的问题，以及给你们这些未来科学家们的一些建议做结。

我的父亲是一名生物化学家，他在1959年因对DNA复制的研究获得诺贝尔奖。对于自己的研究，他抱有极大的热情，十分愿意与感兴趣的人分享。我在大学里学过数学，物理和化学，读博士期间研究的是膜的动力学（图1，左）。膜对于生物体起着至关重要的作用，因为正是这层围绕着活细胞的薄膜定义了细胞的存在，而细胞是所有生命的基本的组成单位。

关于膜的研究将要告一段落之时，我知道我还想继续研究与生命科学相关的物理和化学。当时，研究细胞的组成结构和功能的结构生物学领域正在快速发展。新技术的产生使得简单蛋白质的结构得以破解（见图1）。我逐渐意识到，染色体的结构会是个很有趣的问题。

在细胞中，我们的遗传物质DNA存在于染色体这一结构上。结构生物学家对染色体的结构很着迷，因为作为基础生物大分子，DNA的功能很重要，不过它本身的结构却很简单。我们已经知道染色体是由DNA和等量的四种非常小的蛋白质组成。我们需要弄清楚的就是，DNA和这四种蛋白质是如何排列在一起形成染色体结构的。

图1：细胞膜以及含有 DNA 的细胞核

细胞是生命的基本单位。细胞核是细胞的信息中心，包含染色体。

每条染色体都是一个“X”形结构（红色圆圈），其中包含一部分DNA。图片来源：维基百科（https://en.wikipedia.org/wiki/Chromosome）

事实上，想要弄清楚这个问题一点都不简单。从数百篇关于染色体结构的研究论文中，我找到了与之相关的几篇。这些论文帮助我找到了解决方案。我进行了相关实验，把拼图般的碎片拼凑起来，阐明了染色体的结构。后来，一种名为X射线晶体学的技术证明了结论的正确。

在解决了染色体的结构之后，下一步自然是研究这种结构对生物学，以及生命本身的影响。在染色体内，以这种形式存在的DNA如何参与遗传信息的表达？基因表达始于“转录”这一过程，在该过程中，由DNA转录成信使 RNA (mRNA) 分子。 

mRNA分子类似于DNA分子，但它具有不同的结构和功能。与DNA复制所需的两条链不同（图1，右图），mRNA分子由一条较短的单链组成，它是DNA序列特定片段的副本。mRNA作为中间体，将DNA中编码的遗传信息与最终根据这些信息合成的蛋白质连接在一起。为了研究染色体在基因表达中的作用，我首先研究了参与转录的三种酶之一，这种酶即是RNA聚合酶II [1]。

RNA聚合酶II的转录机制是为了制造mRNA。正如我前面提到的，mRNA是遗传密码及由此编码产生出的蛋白质之间的链接。而RNA聚合酶II的转录机制由近60种不同的蛋白质组成！我将在此讲下三种主要成分[2]：RNA 聚合酶II 、一组被称为通用转录因子（general transcription factors）的蛋白质，以及被称为中介体（Mediator）的蛋白质复合物。

转录过程发生在RNA聚合酶II这一结构之中（图2A）。也就是说， DNA从一个方向进入该酶，而mRNA产物从另一个方向退出。我们所做的大部分工作都围绕着厘清这种酶的复杂结构。在解决这种酶本身的结构后，我们还弄清了在转录过程中，DNA和RNA同时在场时它的结构（图2B）。

RNA聚合酶II由12种不同的蛋白质组成，由图2A中的不同颜色表示，并且由近3万个原子构成。RNA聚合酶II具有通向镁离子的中央通道。中央通道就是转录发生的地方。双链DNA进入中央通道，然后两条DNA链分开（图2B）。一条链在靠近酶中心的镁离子的地方弯折。就在这个被称为活性中心的位置，mRNA按照DNA链弯曲部分的模板进行合成。最后，DNA-mRNA杂合结构以相对于进入酶的DNA约90°的角度离开酶。

图2：转录前和转录过程中RNA聚合酶II的结构

A. RNA聚合酶II由12个亚基（用不同颜色表示）和数万个原子组成。其中有一个通向镁离子（粉红色点）的中央通道（白色箭头）。镁离子所在的区域称为活性中心，因为这是由DNA 合成mRNA的区域。

B. 一条双链DNA（蓝色和绿色链）通过RNA聚合酶II的中央通道（水平白色箭头），在酶的中心分开。负责mRNA合成的链（蓝色）在活性中心附近向上翻转90º（向上指的白色箭头），并按此合成一条短mRNA链（中间的红色短链）。这种DNA-mRNA杂合物以垂直于 DNA最初进入的方向离开酶。图片来源：罗杰·科恩伯格教授。

转录的开端最为重要，我们称这一过程为“起始”（initiation）。当DNA转录成mRNA时，不是全部都会被转录。为了特定的目的，只有其中的特定部分会被转录。这部分DNA被称为基因。每个基因都含有生产我们体内特定蛋白质所需的信息。

为了识别特定基因并决定是否转录它，RNA聚合酶II采用了5个额外的分子，这些即是被称为通用转录因子 (GTFs) 的蛋白质，它们在转录过程中与RNA聚合酶II接触（图3中底部的灰色球体）。从广义上讲，在转录过程中，这些GTFs决定着“开启”或“停止”转录特定基因。

正如我们之前在图2B中看到的，当DNA在RNA聚合酶II内部移动时，需要弯折才能转录成mRNA。然而，正常情况下的DNA非常硬，不易弯曲。想要弯曲的话，它需要被分成单链——这种形式才完全灵活并且可以自由弯曲。这便是GTFs的用武之地：在GTFs找到DNA分子中基因的开端后，它们接着打开DNA，并将其弯折到RNA聚合酶II中转录的活性位点附近。通过这种方式，GTFs开启了转录过程。

在DNA转录的过程中，有一些关键的问题需要被决定：转录哪个基因，在身体的什么位置以及何时进行。这些决定和行动被称为基因表达调控，这对于我们机体的正常运行至关重要。我们在1990年发现了一组在基因调控机制中扮演着重要角色的蛋白质[3]，那就是中介体：它们能够处理所有的调控信息并将其传递给RNA聚合酶，来把关是否转录某个特定基因。

图3示意了中介体在转录过程中的功能：中介体（粉红色）连接着RNA聚合酶II（蓝色）和一种被称为激活剂（activator）的蛋白质（红色）。激活剂影响着基因转录的“启动”。换句话说，中介体充当“中间人”，将有关基因表达的调控信息传递给RNA聚合酶。

图3：RNA 聚合酶II转录机制

底部：通用转录因子（GTFs，灰色）与RNA聚合酶 II （pol II，蓝色）相互作用以启动酶内的DNA转录。中介体（粉红色）作为连接纽带，将细胞内外的基因调控信息传递给 pol II 酶。此图中所示的是，中介体从激活蛋白（红色）处传递一个特定基因的激活以进行转录的信息。图片来源：罗杰·科恩伯格教授。

为了激发你的好奇心，我想再简要提及与前面内容相关的两个尚待解决的问题。这些问题也是当今生物化学领域的研究前沿，也是我们实验室中目前正在研究的两个课题。

第一个问题与染色体的结构有关。在细胞分裂的某个阶段，DNA会被压缩1万倍，这样，原来占据整个细胞核的DNA就会被压缩成染色体的形状。但是，以我们对染色体结构的确切了解，只能解释DNA长度可以缩短5倍，而不是1万倍。那么，悬而未决的问题是：对于染色体中的DNA来说，那额外2000倍是如何进行压缩的？

第二个问题与中介体和基因表达的调控有关。正如我们在图3中看到的，中介体将调节信息传递给RNA聚合酶II。但是，中介体是如何处理调控信息的呢？这些信息究竟是如何传递给聚合酶的？中介体是如何帮助打开DNA双链，以允许其被转录的？对于这些过程和方式我们已经有了一些初步的想法，但仍然是我们在继续探究的问题。

前面我讲的这些问题，在很大程度上也引领着我开启了自己的学术生涯。你们可能已经知道，很多科学问题都很复杂，需要很多年的努力才能完全解释清楚。科学很有挑战性，需要付出辛苦，还时常让人灰心丧气，感到困难重重。但对我来说，偶尔的回报就完全值得这一切。

如果你热爱科学并想以此为职业，那么我的第一个建议是，在科研的本身中发现乐趣，享受科研工作的日常，享受那些基础“小”事。例如，对我而言，我喜欢这些实验性的工作——混合、溶解各种材料，为我的实验制作试剂——我享受这些流程的每一步。我喜欢呆在实验室。

另一个重要的建议是，学会将失败当作一种刺激、一种挑战——学会用对成功同样的期待做出再次尝试。研究过程中时不时会发生一些令人惊讶和新鲜的事。不过，优秀的科学家不会立刻就选择相信。

首先，你必须确保这不是一个错误，所以你需要想办法证明你是错误的。一个真正优秀的科学家会想出极其复杂的方法来证明他们是错误的。如果即便是巧妙的实验也无法证明他们是错的时候，那就意味着新发现了。而这些，对于一个科学家来说，是职业生涯中独特而难忘的时刻，此前的辛苦工作与此相比，也就根本算不上什么了。

致谢：

访谈人及合著者：毕业于以色列理工学院的Noa Segev（Grand Technion Energy Program, Technion, Israel Institute of Technology, Haifa, Israel）。

小小审稿人：

Natan Alterman Ort中学学生，年龄：13-15岁。

“Beit Chinuch”的技术科学课程吸引了科学技术领域内的优秀学生。学生们对与科学有关的一切都充满好奇，总是不断地发问，想要更好地理解身边的世界。

参考文献：