生命之妙 在于调控（高翼之）

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生命之妙 在于调控   
   
撰文：高翼之  
   谁都知道，弹钢琴一定要十个指头交替动作，才有可能弹奏出优美动听的钢琴曲；管弦乐队一定要各种乐器按照乐谱此起彼落，才有可能演绎出博大深邃的交响乐。假如十个指头同时按下琴键，或者所有乐器都“各吹各的调”，那会是一个什么结果呢？！
细胞中的基因决定着细胞的一切生命活动。一个细胞中有多少基因呢？人是高等生物中的佼佼者，每个人估计约有1800亿个细胞，每个细胞内约有3万多个基因。大肠杆菌是单细胞生物，每个大肠杆菌细胞内有4288个决定蛋白质的基因。假如大肠杆菌的4288个基因或人的3万多个基因在同一时间都起作用，也就是说，它们所携带的遗传信息都得到表达而生成蛋白质，那就像弹钢琴时十个指头同时按下琴键，或者管弦乐队中所有乐器都同时发声，奏出的是噪音，而不是协奏曲。生命过程有一个显著的特点就是基因的表达都有精密的调节、控制，从而奏响一曲自然界极其美妙和谐的生命协奏曲。那么，这首生命协奏曲是怎样演奏的呢？
1961年，巴斯德研究所两位法国生物学家——弗朗斯瓦•雅各布和雅克•卢西恩•莫诺——共同揭示了细菌基因表达的调节和控制，他们也因此与他们的良师益友、巴斯德研究所另一位法国学者莱沃夫共同荣获1965年诺贝尔生理学或医学奖。
二战勇士
1920年6月17日，雅各布出生于法国东北部的一个商人家庭。1938年，他以优异的成绩考入向往已久的巴黎大学医学院，立志当一名外科医生。但是，一场无情的战争中断了他的学业。1940年5月，希特勒法西斯军队入侵法国，具有犹太血统的他选择了流亡。亡命英国后，他参加戴高乐将军领导的自由法兰西运动，成为自由法兰西军团中的一名军医。他在战场上非常勇敢，经常在敌人的猛烈炮火下救护伤员，直到自己负伤。战争结束，雅各布被授予法国的最高军功勋章——解放十字勋章。
莫诺比雅各布年长10岁。由于父亲的影响，他很小的时候就对生物学发生了兴趣。巴黎陷落时，他正在巴黎大学文理学院攻读博士学位。他把结婚才两年的具有犹太血统的妻子和一对出生才一年多的双胞胎儿子送到乡下，自己回到巴黎一边研究细菌，一边从事反法西斯斗争。战争期间，莫诺在法国国内地下武装部队中担任重要职务。在准备盟军登陆时，他负责安排接收空投武器、炸毁铁路和情报侦听等工作。1945年战争结束，莫诺成为预备队荣誉上校、荣誉军团骑士，荣获十字军功章和青铜星形勋章。
雅各布和莫诺都因为热爱生命而投身到反对残害生命的反法西斯战争中成为英勇的战士，又因为热爱生命而开始追求揭开生命的奥秘。他们堪称无愧于时代的优秀知识分子的代表。
从“适应”到“诱导”
1937年，莫诺听从莱沃夫的建议，开始以大肠杆菌为实验材料研究细菌的生理现象。1940年年底，莫诺在实验中发现了“双峰生长曲线”现象。通常，在大肠杆菌生活的环境中是不含乳糖的。莫诺在大肠杆菌培养基中同时放入葡萄糖和乳糖作为细菌细胞的碳源和能源来研究细菌的生长。他观察到培养基中的大肠杆菌首先利用葡萄糖生长，葡萄糖用完后才开始利用乳糖。如以时间为横坐标、以细菌密度为纵坐标作图，显示出细菌的生长曲线可明显地分为三个部分：首先是一个上升期，是利用葡萄糖的时期；然后，出现一个短时间的停顿期，曲线呈现平坦；最后出现第二个上升期，是利用乳糖的时期。这就是双峰生长曲线。莫诺向莱沃夫请教如何解释这种现象。莱沃夫告诉他，早在1900年，人们就发现酵母菌细胞只有在培养基中含乳糖时才有乳糖代谢所需的特异性酶；当乳糖不存在时，细胞中就没有这些酶。这类酶被称为“适应酶”，以区别于细菌细胞中那些不管化学环境如何、在一般生理条件下都存在的、其含量和活性基本上保持恒定的“组成酶”。莱沃夫认为可以用酶的适应作用来解释双峰生长曲线。莫诺对此深信不疑。
1941年，比德尔和泰特姆提出著名的“一基因一酶”学说，莫诺据此设想了对适应作用的解释：在基因的控制下，细菌早已合成了无活性的乳糖代谢特异酶——β-半乳糖苷酶的前体；培养基中加入的乳糖与该前体结合后，将它转变成有活性的β-半乳糖苷酶。然而，随着研究的深入莫诺发现，在培养基中加入乳糖后，β-半乳糖苷酶是从头合成的，并没有什么预先存在的前体。同时，某些与乳糖的结构相类似的化合物，它们不能被β-半乳糖苷酶水解，却能诱导β-半乳糖苷酶的合成。莫诺终于放弃了“酶的适应作用”的概念，而代之以“酶的诱导作用”，即乳糖代谢所需的酶是诱导产生的。
从“适应”到“诱导”的名词转变，象征着莫诺对大肠杆菌细胞乳糖代谢的研究已经从细菌细胞的生理现象敲开了细菌细胞基因调控的这扇大门了。
另类细菌的婚配
雅各布与莫诺的合作，是把雅各布擅长的细菌有性杂交的遗传分析方法用于莫诺研究的大肠杆菌乳糖代谢基因。
细菌有性杂交？！细菌有性别吗？
这里不得不补叙一段。的确，在1946年之前，科学家普遍认为细菌没有细胞核，没有染色体，也没有性别。这种认识，由正在泰特姆实验室攻读博士学位的莱德伯格于1946年开始的一系列实验结果而彻底转变了。人们认识到细菌的遗传物质也主要集中于细胞内一个较致密的区域，所以细菌并不是没有核，只是没有核膜而已。这样，有没有核膜就成了界定生物类型的最主要标志：像细菌、支原体、蓝绿藻等细胞内没有核膜的生物被称为“原核生物”；细胞内有核膜的所有生物，如动物、植物、真菌等，统称为“真核生物”。后来知道生物的遗传物质是DNA。细菌DNA通常呈环状，习惯上常套用真核生物中使用的称呼，把细菌细胞内那个环状DNA也称为细菌的染色体。除了细菌染色体这个主要遗传物质之外，许多细菌细胞内还含有一些染色体外的、能自主复制的“质粒”（plasmid），通常也是环状DNA，虽然很小，但也含几十个甚至更多的基因。
莱德伯格和泰特姆将不同品系的大肠杆菌混合在一起进行培养，发现它们之间会发生遗传重组，这就是细菌的杂交。不久后，另一位研究者发现细菌的杂交是一个单向转移遗传基因的过程，提供遗传基因的一方为供体，接受的一方为受体，可将供体看作是雄性细菌，受体是雌性细菌。随即，莱德伯格等也发现了这一现象，并证明在大肠杆菌中有一种质粒是与细菌的性别有关的，莱德伯格把它命名为“致育因子”，简称F因子；含F因子的细菌是雄性细菌，不含F因子的细菌是雌性细菌。F因子可以整合到细菌染色体上。整合有F因子的雄性细菌与雌性细菌杂交时，雄性细菌的部分染色体就随着一小段F因子进入雌性细菌细胞内，形成“部分二倍体”（所谓“部分二倍体”，就是受体细胞中除了原来自己的一个环状染色体之外，还从供体细胞得到一小段供体染色体），并在雌性细菌细胞内发生遗传重组。
莱德伯格因他对细菌遗传学作出的贡献而与比德尔和泰特姆共获1958年诺贝尔生理学或医学奖。
现在再回过头来说巴黎巴斯德研究所的研究活动。1956年，雅各布在大肠杆菌的有性杂交实验过程中制造了一些“部分二倍体”。1957年，美国伯克利加州大学的帕迪利用假期到巴斯德研究所作短暂访问，也参与了雅各布和莫诺的研究。他们发表了一系列研究报告。后来人们根据这些论文的署名顺序称之为“PaJaMo实验”。
他们实验的目标很明确，就是要研究大肠杆菌乳糖代谢基因的调控；实验采用遗传分析方法，即首先筛选突变体，然后观察它们有性杂交后代的性状；这两个过程连起来，可以称之为“另类细菌的婚配”。
经过近5年的努力，雅各布和莫诺在1961年6月发表了题为“蛋白质合成的遗传调节机制”的论文，提出了乳糖操纵子的模型。在细菌的染色体上，与乳糖代谢有关的3个基因Z、Y、A的DNA序列紧密联结在一起，共同受到它们前面一段“操纵者区”（简称O区）的DNA序列的控制。O区与Z、Y、A合在一起称为一个操纵子。离操纵子稍远处有一个I基因，它的产物是一种阻抑蛋白，能与O区结合，从而阻抑Z、Y、A三个基因的表达。乳糖则能与这种阻抑蛋白结合，使之失去抑制作用，从而使与乳糖代谢有关的基因得以表达，因而造成酶的诱导。
三驾马车
雅各布和莫诺提出的乳糖操纵子模型还有一项极其重要的副产品，其重要性较之乳糖操纵子模型本身，可以说是有过之而无不及，那就是在论文中他们假设了“信使RNA”（mRNA）的存在。
1953年4月，沃森和克里克提出了DNA双螺旋模型，使生物学家都相信基因的化学本质是DNA。已知细胞内合成蛋白质的场所是核糖体，但核糖体与DNA分处细胞的不同部位。据此，克里克于1958年提出设想，认为需要由RNA来担任携带遗传信息的中间体。那时只知道细胞内有两类RNA，一类是构成核糖体组成成分的核糖体RNA（rRNA），另一类是1957年刚刚发现的负责把氨基酸转运到核糖体上的转移RNA（tRNA）。所以，克里克所说的RNA，就是指rRNA。可是rRNA是整合在核糖体中不可分离的，克里克只好假定，每个基因控制一种特殊核糖体的合成，这种特殊的核糖体再控制一种特殊蛋白质的合成。这种观点被概括为“一基因-一核糖体-一蛋白质”假说。
这一假说当时就同已发现的各种事实有矛盾。例如，rRNA的碱基组成非常恒定，非但在同一生物的不同细胞内完全相同，甚至在不同的生物中也相同。例如在人体内，骨髓中的网织红细胞几乎只合成血红蛋白，胰岛细胞则合成胰岛素，可是这些细胞的rRNA碱基组成却完全一样。种种事实使人们感到困惑，很难想像rRNA能携带遗传信息。
雅各布和莫诺的一系列实验结果使克里克的这一假说更陷入困境。在大肠杆菌中，β-半乳糖苷酶的诱导现象非常快。培养基中没有乳糖时，细菌根本不合成这种诱导酶；加入乳糖并使乳糖作为它的唯一碳源和能源后，2～3分钟内就开始合成这种诱导酶；去掉乳糖后，这种诱导酶的合成又很快停止。因为rRNA分子很稳定，寿命很长，他们认为，应当另有一类独立的、不稳定的、寿命很短的RNA，把遗传信息从DNA带到核糖体上去。他们把这类RNA称为信使RNA（mRNA）。
1961年，雅各布同布伦纳和梅塞尔森合作，用同位素培养实验证明了这一假设，否定了“一基因-一核糖体-一蛋白质”的假说，否定了核糖体本身带有遗传信息的假说，证明了是mRNA把遗传信息带到了核糖体上去，终于肯定了在rRNA、tRNA之外，还存在有mRNA。
确立了mRNA的存在之后，用实验方法破译遗传密码的研究才有可能开始。1966年，全部氨基酸遗传密码表被破译，从而使1953年4月开始的分子生物学的整个体系得以建立，其历史意义十分重大。
正负和谐
再回过头来讲乳糖操纵子模型。前面已经提到，通常情况下，培养基中没有乳糖，I基因的表达产物能和O区的双链DNA牢固地结合，阻止了Z、Y、A三个基因的表达。如果在培养基中加入乳糖（或其他半乳糖苷）并使它作为细菌的唯一碳源和能源后，乳糖（或其他半乳糖苷）便成为那三种酶的诱导物，其诱导作用的机制是和阻抑蛋白结合，使阻抑蛋白的构象发生改变，不能和O区的DNA结合。O区DNA上没有了阻抑蛋白，Z、Y、A三个基因就能顺利转录，产生mRNA，再在核糖体上合成三种酶。
所以，乳糖（或其他半乳糖苷）的诱导作用实际上是“脱阻抑作用”。决定阻抑蛋白的I基因被称为乳糖操纵子的“调节基因”。这个体系的要点是“阻抑”和“脱阻抑”，所以叫做“负控制”。“阻抑”是由于阻抑蛋白，“脱阻抑”的物质（即诱导物）一般不是蛋白质，而是比蛋白质小得多的分子。
既然有“负控制”，那么，有“正控制”吗？
打个比喻，负控制好像是汽车的刹车。但是，松开刹车后汽车是否就能开动呢？谁都知道还必须踩下油门踏板。这就是说，使阻抑蛋白在细胞内含量降到很低还不足以激活乳糖操纵子的转录，还需要有个“正控制”。
乳糖操纵子的转录和细胞内环腺苷酸（cAMP）的含量有很大关系。cAMP含量愈高，乳糖操纵子的转录愈旺盛。这就是“正控制”。
早在1957年，萨瑟兰等就报告发现了cAMP，但一直不知道它的生物学意义，所以多年来未受到任何重视。直到1965年，萨瑟兰等发现脊椎动物中好几种肽类激素作用于靶组织时，这些激素的第一个作用就是使靶组织中cAMP的含量增高，这才引起生物学家的注意。萨瑟兰由于cAMP的发现而获得1971年诺贝尔生理学或医学奖。
在大肠杆菌的培养基中如果存在葡萄糖时，乳糖对β-半乳糖苷酶的诱导作用就受到阻抑，也就是说，葡萄糖能阻抑β-半乳糖苷酶的产生。这个现象是很早就知道的，传统上称为“分解代谢物阻抑”，但其机制则一直不知道。1965年，发现培养基中葡萄糖含量与大肠杆菌细胞内cAMP含量成反比，这时cAMP已经受到生物学家的重视。再过3年，到1968年，发现在大肠杆菌的培养基中加入cAMP能克服葡萄糖对β-半乳糖苷酶诱导的阻抑作用，从而导致正控制体系的发现。
我们再回过头来审视双峰生长曲线。在曲线的第一部分，乳糖操纵子的正控制体系由于葡萄糖的存在而处于阻抑状态，当然，负控制体系也处于阻抑状态。在曲线的第三部分，乳糖操纵子的负控制体系由于乳糖的被利用而脱阻抑（松开刹车），正控制体系则由于葡萄糖的耗尽而被诱导（踩下油门踏板）。双峰生长曲线在机制上得到了解释，原核生物的基因调控总算大体上有了些眉目。
这样看来，大肠杆菌的乳糖代谢基因的确有一个开关，在不需要这组基因起作用时“关闭”，在需要它们起作用时“打开”，就像乐曲中的一个音符，在不该它发声时噤若寒蝉，在该它发声时响遏行云。
和谐之美，令人心醉。
生命之妙，在于调控。
任重道远
从1940年发现双峰生长曲线，到1961年提出乳糖操纵子模型，原核生物的基因调控研究才取得了实质性的突破。过了5年才分离到阻抑蛋白。1975年乳糖操纵子模型达到经典的水平，但还有许多细节不清楚。1988年才知道除了最初那个“操纵者区”（O区）之外，还有两个O区。到1990年，阻抑蛋白的变构才得到结晶学的证明。凡此种种都说明，甚至作为基因调控研究开端的乳糖操纵子都还有深入研究的空间。
可以想像，真核生物基因表达的调节、控制体系必定比原核生物的体系更为复杂、更为精密。拿人类来说，每个人的约1800万亿个细胞都是从一个受精卵经细胞分裂而来。每次分裂都经过DNA分子的精确复制，因此，每个细胞，只要仍保留着细胞核，就都具有全部3万至3.5万个基因。可是，多细胞生物在发育过程中有细胞分化。分化后的细胞以其独特的蛋白质各司其职。有的基因仅在某种分化后的细胞中表达，在其他细胞中不表达。是什么在行使这些基因的“开”和“关”的任务呢？
真核生物基因的表达，不但在空间上（细胞类型上）受调控，而且在时间上（发育阶段上）也受调控。随着发育过程依次此起彼伏、此伏彼起，多么和谐的一曲生命协奏曲！它是如何演奏的呢？
真核生物基因表达的调节、控制是生命现象最重大的奥秘之一。目前，发生在DNA水平、转录水平、转录后水平、翻译水平和翻译后水平的调控已经获得一些线索，但离全面解密还有很长的路要走。人类自身这曲生命协奏曲是如何演奏的？更是许许多多生物学家梦寐以求要解开的谜。
解密生命，任重道远！