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DNA如此奇妙!科学家利用DNA可创造新生命
2017-01-29 00:37:44   来源:环球网
内容摘要
美国研究人员称,经过修改的微生物为科学家提供了“创造拥有全新特征属性的微生物”的契机。未来科学家可能会着手研发能够生产新型蛋白质的微生物,这或许能帮助科学家发明新药物,并取得纳米技术的重大突破。日前,中国科学院生态环境研究中心——环境化学与生态毒理学国家重点实验室汪海林研究组在DNA损伤修复方面取得重要进展。
DNA如此奇妙!科学家利用DNA可创造新生命 亿万先生
1909年,丹麦植物学家和遗传学家约翰逊首次提出“基因”这个名词,用以表达孟德尔的遗传因子概念。1944年,3位美国科学家分离出细菌的DNA(脱氧核糖核酸),并发现DNA是携带生命遗传物质的分子。美国加州斯克利普斯研究所的研究人员近日用一段延伸的遗传密码创造了一种“全新”的生命形式。科学家向大肠杆菌中引入了一些该细菌中本不存在的DNA分子。虽然修改后的大肠杆菌遗传密码中多了两个片段,但仍能像正常细菌一样生长和复制,这为科学家创造全新的人造生命奠定了一定基础。研究人员称这些经过修改的微生物为科学家提供了“创造拥有全新特征属性的微生物”的契机。未来科学家可能会着手研发能够生产新型蛋白质的微生物,这或许能帮助我们发明新药物,并取得纳米技术的重大突破。其实在2014年就培育出了这些微生物,但它们只存活了一段很短的时间。如今该团队终于找到了使它们保持活力的方法,并且在复制时,它们的合成DNA还能遗传给下一代。斯克利普斯研究中心的首席科学家罗梅斯伯格博士指出:“你的基因组不仅要在一天之内保持稳定不变,在你的一生中都必须如此。如果人工合成的生物要成为真正的生物,就必须使遗传信息保持稳定不变。”他们还对细菌进行了编辑,清除了所有不含合成DNA的细菌DNA。不过,有些人对“合成生物学”的快速进步表示担心,认为新型生物可能会从实验室中逃逸、造成无法预料的后果。天然的DNA由四个“字母”组成,分别为A(腺嘌呤)、C(胞嘧啶)、G(鸟嘌呤)、和T(胸腺嘧啶)。而DNA的“近亲”RNA中还包含另一个“字母”,即U(尿嘧啶)。A、C、G、T两两构成“碱基对”,不同的排列顺序决定了不同的生命形式。“虽然地球上的生命多种多样,但都由两种碱基对构成:A-T与C-G。而我们培育的微生物中还含有第三种、自然界中不存在的碱基对。”罗梅斯伯格博士说道。这一新型碱基对由X和Y构成,不存在于自然界中,因此含有该碱基对的细菌是一种全新的生命形式。罗梅斯伯格博士表示:“这说明还存在其它储存遗传信息的方式,也意味着延伸DNA生物学具有很大的潜力,能帮助我们研发新药物、或是新型纳米技术。”此次研究向活细胞中加入了一种全新的碱基对,而这一过程在进化史中经历了十亿年之久。2008年,罗梅斯伯格博士带领的研究人员团队成功在试管中复制出了一种自然界中不存在的碱基对。他们还将这一“半合成”的DNA转录成了RNA,向创造新型蛋白质迈出了第一步。但活细胞内部环境十分复杂,实施同样的步骤面临着巨大的挑战。为解决这一问题,科学家先是将人造碱基对分子d5SICS(Y)和dNaM(X)加入到细胞外的一种溶剂中。接着,该研究的共同作者约克·张和布莱恩·莱姆研发了一种名为核苷酸转运剂的工具,将它们送到细菌细胞内部。“这是一次巨大的突破,对我们起到了极大帮助。”共同作者丹尼斯·马里谢夫博士表示。研究人员在2014年使用的核苷酸转运剂对细菌造成了破坏,但他们通过修改解决了这一问题。他们对人工合成的Y碱基进行了改良,对它的化学组成做了一些修改,使细胞更易于复制碱基对。科学家还合成了一些名叫质粒的环状DNA,将它们嵌入大肠杆菌基因组中。其中含有天然的A-T与C-G碱基对,还有人工合成的d5SICS-dNaM碱基对。虽然这些质粒不属于细菌本身的染色体DNA,但它们也参与了细胞的复制过程。令研究团队惊讶的是,这些半合成的质粒并未对大肠杆菌的生长造成严重影响,也没有在复制过程中丢失。接下来,科学家希望证明细胞中人工合成的DNA也能转录成RNA分子,并参与细胞中的蛋白质合成过程。“从理论上来说,我们可以用自然界中不存在的新型氨基酸合成新型蛋白质,这能帮助我们更好地将蛋白质用于治疗和诊断中,还能制成拥有特定功能的实验室试剂。在纳米材料等领域,它或许也能一展身手。”针对此次研究结果,德州大学的罗斯·泰尔和杰瑞德·埃尔夫森评论道:“如果该技术……也能用于其它碱基对,那么DNA碱基对将远远不止三种。”“这也让我们深思,为何自然界的生命仅由两种碱基对组成?半合成微生物既然能储存更多遗传信息,是否能拥有更多的功能、或忍受更严酷的环境?”“科学家试图扩展遗传密码子,对DNA的天然特性勇敢地发起了挑战。而他们试图修改DNA的做法也可能会招致人们的批评。”
加州科学家发现细胞内DNA的“锌”事“锌离子”是人体正常生长发育不可缺少的“微量元素”,体内许多酵素都需要锌离子的协助,才能发挥正常的功能,这其中包括清除细胞内自由基的酵素以及修复DNA损坏的酵素。2016年12月21日刊登于美国临床营养学期刊(American Journal of Clinical Nutrition)的研究进一步提出,每天适量(4毫克)增加锌离子的摄取,可以促进体内细胞的新陈代谢,并降低细胞内DNA的损坏情形。根据美国国家卫生研究院(National Institute of Health,NIH)的建议,女性每日锌离子的摄取量是8毫克,而男性则为11毫克。在美国约有11%的人口有轻微锌离子摄取不足的问题,而在落后国家,情况更为严重,是造成落后国家儿童发育不良、免疫力低下以及认知障碍的主要原因之一。之前的细胞实验的研究成果已经显示,若培养细胞的培养液中缺乏锌离子,则细胞内DNA的损坏情形会较严重,此结果后来也在动物实验中得到了验证。但是,锌离子的缺乏是否也会影响人体细胞内的DNA?目前仍未有这方面的研究论文。为了厘清这个疑点,加州贝尼奥夫儿童医院(Benioff Children’s Hospital)科学家金恩博士所领导的研究团队共招募了18名受试者,进行为期6周,严格控制锌离子摄取量的人体试验。前两周,每名受试者的每日锌离子摄取量仅有6毫克,而后4周的每日锌离子摄取量则调升为10毫克;并于试验过程中监测受试者体内锌离子含量的水准、氧化压力的状况以及白血球内DNA受损的情形。研究发现,当受试者的锌离子摄取量提升后,体内所含有的锌离子水准也明显上升了。更重要的是,血液中白血球内DNA断裂的情形明显下降了。这表示,适度增加锌离子的摄取就足以减低日常生活中体内DNA的损坏。而此研究结果是第一次在人体证明,微量锌离子摄取的差异就会造成人体内氧化压力与DNA损坏的明显变化。因此,适当补充锌离子的摄取对身体健康是有益处的。在发达国家,营养过剩的问题可能远大于营养不足;但若是过于偏食,或是为了减肥而刻意节食仍有可能会有锌离子摄取不足的情形发生。由于DNA损害是造成老化、癌症等健康问题的主要因素之一,为了身体健康,均衡的饮食、适量补充各种营养成分才是上策。
科学家找到导致兔唇的罪魁祸首疾病控制和预防中心(CDC)的报告,大约每年有2650婴儿患有腭裂CLP,另有4440唇裂。腭裂和唇裂是由于在怀孕期间构成唇部的组织发育不完整。许多患有腭裂或者唇裂的宝宝会有语言障碍,喂食困难,有时还会伴有听力和视觉障碍,有的时候还会出现心脏障碍。虽然,患病人数不在少数,然而其原因却一直不得而知。基因突变或者母亲饮食或者药物一直被认为是最可能的诱因,然而,确切的基因机制却尚不完全了解。目前,一组来自英国、加拿大、沙特阿拉伯和美国的国际研究小组开始着手研究。研究对象为5名来自Amish儿童,年龄在4-12岁,还有2名阿拉伯儿童,分别是7岁和12岁。利用基因映射,研究人员寻找疾病染色体基因位置,他们进行了全基因组单核苷酸多态性(SNP)的研究。SNP是DNA变化最常见的形式,经常作为生物标记,帮助科学家找到疾病的基因。接下来,研究小组用一个全外显子组序列分析单个个体。调整后SNP各种因素之后,研究小组发现只有一个HYAL2致病性变异的基因。HYAL2基因是透明质酸酶2,负责降解透明质酸酶(也称为透明质酸),透明质酸是一种碳水化合物聚合物通常存在于结缔组织和硬腭。研究人员进行酶化验,这表明突变降低HYAL2蛋白的水平。这反过来又抑制透明质酸的代谢。鉴于透明质酸存在于身体的各个部分,包括心脏,研究者推测,HYAL2基因的突变会导致CLP和小鼠的心脏缺陷。进一步的试验还在研究中。
DNA损伤修复研究获进展日前,中国科学院生态环境研究中心环境化学与生态毒理学国家重点实验室汪海林研究组在DNA损伤修复方面取得重要进展,相关研究成果近日在线发表于《细胞发现》杂志。具有活性的RecA/Rad51核蛋白丝的结构及其介导的链交换过程,一直以来是DNA修复研究的热点和难点。汪海林研究组设想,在生理条件下,由于ATP的不断水解,相应地,RecA可解离,离去的RecA留下空位,引起新的RecA结合和组装,因此,将形成一种动态的RecA核蛋白丝。但是,当前的单分子分析等先进技术也难以测量RecA核蛋白丝的结合计量学,因此难以分析这种动态结构。该研究组在前期研究工作的基础上,利用研制的毛细管电泳—激光诱导荧光偏振装置,并进一步发展了研究RecA在单链DNA(ssDNA)上动态组装的分析新方法。利用这种新分析方法,他们发现,在生理条件下(即存在有效的ATP水解),RecA在ssDNA上组装可形成三种类型的核蛋白丝,包括高、中、低密度的核蛋白丝,但主要形成低密度、不饱和的核蛋白丝组装体,其中超过一半的DNA并未结合RecA蛋白,即裸露的。在线荧光偏振分析、电镜成像分析、酶切保护性分析等一致证明了这一结果。该研究组通过一系列体外和活体实验,证明了介导同源重组修复的核蛋白丝的基本结构是由RecA蛋白通过ATP水解有限组装到单链DNA上形成的不饱和核蛋白丝组装体。这一发现是对传统同源重组修复的关键核蛋白丝组装体基础结构认识的一个重要改变,为深入理解同源重组修复机制提供理论依据。 (如需转载,请注明来源自 亿万先生
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