生命的轉錄：從DNA到RNA
目前，該合集收錄以下文章：
《我們如何找到自己的路？大腦里的網格細胞》 – 2014年諾貝爾生理或醫(yī)學獎得主，邁-布里特·莫澤（May-Britt Moser）
《為生物學服務的計算機模擬技術》 – 2013年諾貝爾化學獎得主，邁克爾?萊維特（Michael Levitt）
《準晶體，而非準科學家》 – 2011年諾貝爾化學獎得主，達尼埃爾·謝赫特曼（Dan Shechtman）
《生命的轉錄：從DNA到RNA》 - 2006年諾貝爾化學獎得主，羅杰·科恩伯格（Roger D. Kornberg）
《蛋白質的靶向降解：泛素系統(tǒng)》 – 2004年諾貝爾化學獎得主，阿龍·西查諾瓦（Aaron Ciechanover）
和所有在FYM發(fā)表的文章一樣，五位諾貝爾獎得主作者們同樣需要用孩子的語言對文章進行改寫，隨后由8-15歲的青少年審稿人出具審稿報告，通過后文章才可以發(fā)表，以確保文章易于理解并有趣。
來自瑞士的一位13歲的青少年審稿人分享了他的看法："我對科學非常感興趣，能審核來自真正的科學家的稿件，這件事情真的很有意思! 許多論文向兒童闡述了一些危險的疾病，我認為這些信息太重要了！"
該合集的作者之一，2004年諾貝爾化學獎得主Aaron Ciechanover說：“獎項與認可不是人們追求的最終目標，把知識傳遞到世界各地并造福人類，才是作為科學家的偉大成就。我從小就喜歡閱讀科學知識，我想在那個時候，我心里就埋下了科學好奇心的種子。”
生命的轉錄——從DNA到RNA
作者
羅杰·大衛(wèi)·科恩伯格（Roger D. Kornberg）
美國加州斯坦福大學醫(yī)學院，結構生物學系
因“真核轉錄的分子基礎所作的研究”獲2006年諾貝爾化學獎
于茗騫
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在過去的50年中，我致力于研究生物學的基礎問題。這些問題關乎于生命的基礎運轉，例如，“有著同樣遺傳信息的細胞如何分化成人體中200多種不同的細胞？”又比如，“細胞如何因應環(huán)境信息作出自我調控？”
在這篇文章中，我將帶你踏上我的研究之路。我會講述RNA聚合酶II的精巧機制——在其作用下，DNA如何轉錄成mRNA？最終，mRNA會被翻譯成蛋白質。而蛋白質在機體內扮演一系列重要的角色——包括構建細胞，響應外部刺激，加速化學反應，以及在距離很遠的組織之間傳遞信號。最后，我會分享當前我們還在探索的問題，以及給你們這些未來科學家們的一些建議做結。
我的父親是一名生物化學家，他在1959年因對DNA復制的研究獲得諾貝爾獎。對于自己的研究，他抱有極大的熱情，十分愿意與感興趣的人分享。我在大學里學過數學，物理和化學，讀博士期間研究的是膜的動力學（圖1，左）。膜對于生物體起著至關重要的作用，因為正是這層圍繞著活細胞的薄膜定義了細胞的存在，而細胞是所有生命的基本的組成單位。
關于膜的研究將要告一段落之時，我知道我還想繼續(xù)研究與生命科學相關的物理和化學。當時，研究細胞的組成結構和功能的結構生物學領域正在快速發(fā)展。新技術的產生使得簡單蛋白質的結構得以破解（見圖1）。我逐漸意識到，染色體的結構會是個很有趣的問題。
在細胞中，我們的遺傳物質DNA存在于染色體這一結構上。結構生物學家對染色體的結構很著迷，因為作為基礎生物大分子，DNA的功能很重要，不過它本身的結構卻很簡單。我們已經知道染色體是由DNA和等量的四種非常小的蛋白質組成。我們需要弄清楚的就是，DNA和這四種蛋白質是如何排列在一起形成染色體結構的。
圖1：細胞膜以及含有 DNA 的細胞核
細胞是生命的基本單位。細胞核是細胞的信息中心，包含染色體。
每條染色體都是一個“X”形結構（紅色圓圈），其中包含一部分DNA。圖片來源：維基百科（https://en.wikipedia.org/wiki/Chromosome）
事實上，想要弄清楚這個問題一點都不簡單。從數百篇關于染色體結構的研究論文中，我找到了與之相關的幾篇。這些論文幫助我找到了解決方案。我進行了相關實驗，把拼圖般的碎片拼湊起來，闡明了染色體的結構。后來，一種名為X射線晶體學的技術證明了結論的正確。
在解決了染色體的結構之后，下一步自然是研究這種結構對生物學，以及生命本身的影響。在染色體內，以這種形式存在的DNA如何參與遺傳信息的表達？基因表達始于“轉錄”這一過程，在該過程中，由DNA轉錄成信使 RNA (mRNA) 分子。
mRNA分子類似于DNA分子，但它具有不同的結構和功能。與DNA復制所需的兩條鏈不同（圖1，右圖），mRNA分子由一條較短的單鏈組成，它是DNA序列特定片段的副本。mRNA作為中間體，將DNA中編碼的遺傳信息與最終根據這些信息合成的蛋白質連接在一起。為了研究染色體在基因表達中的作用，我首先研究了參與轉錄的三種酶之一，這種酶即是RNA聚合酶II [1]。
RNA聚合酶II的轉錄機制是為了制造mRNA。正如我前面提到的，mRNA是遺傳密碼及由此編碼產生出的蛋白質之間的鏈接。而RNA聚合酶II的轉錄機制由近60種不同的蛋白質組成！我將在此講下三種主要成分[2]：RNA 聚合酶II 、一組被稱為通用轉錄因子（general transcription factors）的蛋白質，以及被稱為中介體（Mediator）的蛋白質復合物。
轉錄過程發(fā)生在RNA聚合酶II這一結構之中（圖2A）。也就是說， DNA從一個方向進入該酶，而mRNA產物從另一個方向退出。我們所做的大部分工作都圍繞著厘清這種酶的復雜結構。在解決這種酶本身的結構后，我們還弄清了在轉錄過程中，DNA和RNA同時在場時它的結構（圖2B）。
RNA聚合酶II由12種不同的蛋白質組成，由圖2A中的不同顏色表示，并且由近3萬個原子構成。RNA聚合酶II具有通向鎂離子的中央通道。中央通道就是轉錄發(fā)生的地方。雙鏈DNA進入中央通道，然后兩條DNA鏈分開（圖2B）。一條鏈在靠近酶中心的鎂離子的地方彎折。就在這個被稱為活性中心的位置，mRNA按照DNA鏈彎曲部分的模板進行合成。最后，DNA-mRNA雜合結構以相對于進入酶的DNA約90°的角度離開酶。
圖2：轉錄前和轉錄過程中RNA聚合酶II的結構
A. RNA聚合酶II由12個亞基（用不同顏色表示）和數萬個原子組成。其中有一個通向鎂離子（粉紅色點）的中央通道（白色箭頭）。鎂離子所在的區(qū)域稱為活性中心，因為這是由DNA 合成mRNA的區(qū)域。
B. 一條雙鏈DNA（藍色和綠色鏈）通過RNA聚合酶II的中央通道（水平白色箭頭），在酶的中心分開。負責mRNA合成的鏈（藍色）在活性中心附近向上翻轉90o（向上指的白色箭頭），并按此合成一條短mRNA鏈（中間的紅色短鏈）。這種DNA-mRNA雜合物以垂直于 DNA最初進入的方向離開酶。圖片來源：羅杰·科恩伯格教授。
轉錄的開端最為重要，我們稱這一過程為“起始”（initiation）。當DNA轉錄成mRNA時，不是全部都會被轉錄。為了特定的目的，只有其中的特定部分會被轉錄。這部分DNA被稱為基因。每個基因都含有生產我們體內特定蛋白質所需的信息。
為了識別特定基因并決定是否轉錄它，RNA聚合酶II采用了5個額外的分子，這些即是被稱為通用轉錄因子 (GTFs) 的蛋白質，它們在轉錄過程中與RNA聚合酶II接觸（圖3中底部的灰色球體）。從廣義上講，在轉錄過程中，這些GTFs決定著“開啟”或“停止”轉錄特定基因。
正如我們之前在圖2B中看到的，當DNA在RNA聚合酶II內部移動時，需要彎折才能轉錄成mRNA。然而，正常情況下的DNA非常硬，不易彎曲。想要彎曲的話，它需要被分成單鏈——這種形式才完全靈活并且可以自由彎曲。這便是GTFs的用武之地：在GTFs找到DNA分子中基因的開端后，它們接著打開DNA，并將其彎折到RNA聚合酶II中轉錄的活性位點附近。通過這種方式，GTFs開啟了轉錄過程。
在DNA轉錄的過程中，有一些關鍵的問題需要被決定：轉錄哪個基因，在身體的什么位置以及何時進行。這些決定和行動被稱為基因表達調控，這對于我們機體的正常運行至關重要。我們在1990年發(fā)現了一組在基因調控機制中扮演著重要角色的蛋白質[3]，那就是中介體：它們能夠處理所有的調控信息并將其傳遞給RNA聚合酶，來把關是否轉錄某個特定基因。
圖3示意了中介體在轉錄過程中的功能：中介體（粉紅色）連接著RNA聚合酶II（藍色）和一種被稱為激活劑（activator）的蛋白質（紅色）。激活劑影響著基因轉錄的“啟動”。換句話說，中介體充當“中間人”，將有關基因表達的調控信息傳遞給RNA聚合酶。
圖3：RNA 聚合酶II轉錄機制
底部：通用轉錄因子（GTFs，灰色）與RNA聚合酶 II （pol II，藍色）相互作用以啟動酶內的DNA轉錄。中介體（粉紅色）作為連接紐帶，將細胞內外的基因調控信息傳遞給 pol II 酶。此圖中所示的是，中介體從激活蛋白（紅色）處傳遞一個特定基因的激活以進行轉錄的信息。圖片來源：羅杰·科恩伯格教授。
為了激發(fā)你的好奇心，我想再簡要提及與前面內容相關的兩個尚待解決的問題。這些問題也是當今生物化學領域的研究前沿，也是我們實驗室中目前正在研究的兩個課題。
第一個問題與染色體的結構有關。在細胞分裂的某個階段，DNA會被壓縮1萬倍，這樣，原來占據整個細胞核的DNA就會被壓縮成染色體的形狀。但是，以我們對染色體結構的確切了解，只能解釋DNA長度可以縮短5倍，而不是1萬倍。那么，懸而未決的問題是：對于染色體中的DNA來說，那額外2000倍是如何進行壓縮的？
第二個問題與中介體和基因表達的調控有關。正如我們在圖3中看到的，中介體將調節(jié)信息傳遞給RNA聚合酶II。但是，中介體是如何處理調控信息的呢？這些信息究竟是如何傳遞給聚合酶的？中介體是如何幫助打開DNA雙鏈，以允許其被轉錄的？對于這些過程和方式我們已經有了一些初步的想法，但仍然是我們在繼續(xù)探究的問題。
前面我講的這些問題，在很大程度上也引領著我開啟了自己的學術生涯。你們可能已經知道，很多科學問題都很復雜，需要很多年的努力才能完全解釋清楚?？茖W很有挑戰(zhàn)性，需要付出辛苦，還時常讓人灰心喪氣，感到困難重重。但對我來說，偶爾的回報就完全值得這一切。
如果你熱愛科學并想以此為職業(yè)，那么我的第一個建議是，在科研的本身中發(fā)現樂趣，享受科研工作的日常，享受那些基礎“小”事。例如，對我而言，我喜歡這些實驗性的工作——混合、溶解各種材料，為我的實驗制作試劑——我享受這些流程的每一步。我喜歡呆在實驗室。
另一個重要的建議是，學會將失敗當作一種刺激、一種挑戰(zhàn)——學會用對成功同樣的期待做出再次嘗試。研究過程中時不時會發(fā)生一些令人驚訝和新鮮的事。不過，優(yōu)秀的科學家不會立刻就選擇相信。
首先，你必須確保這不是一個錯誤，所以你需要想辦法證明你是錯誤的。一個真正優(yōu)秀的科學家會想出極其復雜的方法來證明他們是錯誤的。如果即便是巧妙的實驗也無法證明他們是錯的時候，那就意味著新發(fā)現了。而這些，對于一個科學家來說，是職業(yè)生涯中獨特而難忘的時刻，此前的辛苦工作與此相比，也就根本算不上什么了。
致謝：
訪談人及合著者：畢業(yè)于以色列理工學院的Noa Segev（Grand Technion Energy Program, Technion, Israel Institute of Technology, Haifa, Israel）。
小小審稿人：
Natan Alterman Ort中學學生，年齡：13-15歲。
“Beit Chinuch”的技術科學課程吸引了科學技術領域內的優(yōu)秀學生。學生們對與科學有關的一切都充滿好奇，總是不斷地發(fā)問，想要更好地理解身邊的世界。
參考文獻：
關于Frontiers for Young Minds
Frontiers for Young Minds 創(chuàng)刊于2013年，是瑞士Frontiers出版社專為孩子們創(chuàng)辦的科學期刊，也是Frontiers花費多年心血培育的純公益項目。
它的運作模式和科技期刊完全相同，旨在從青少年時代即培養(yǎng)孩子們的科學思維，并提供與世界一流科學家交流的機會。截至目前，有大約3500名青少年審稿人參與評審，大約600名科學導師來指導他們的審稿流程。
Frontiers for Young Minds的750篇文章已獲得1000多萬次瀏覽和下載，擁有英語、希伯來語和阿拉伯語三個版本。期刊編輯委員會目前由來自64多個國家的科學家和研究人員組成。
