摘要：2006年诺贝尔化学奖被授予美国科学家罗杰·科恩伯格，以表彰他对真核转录的分子基础的研究工作。本文简单阐释了真核转录的研究历程，重点介绍了科恩伯格在分子水平上展示真核细胞中双链DNA到mRNA的转录过程的研究成果。
关键词： 诺贝尔化学奖；真核转录；RNA聚合酶II
文章编号：1005－6629(2007)01－0044－03中图分类号：G633.8 文献标识码：B
2006年10月4日，瑞典皇家科学院宣布将本年度诺贝尔化学奖授予美国国籍的科学家罗杰·科恩伯格（Roger D.Kornberg），以表彰他对真核转录的分子基础的研究。
科恩伯格1947年出生于圣路易斯，12岁时，他的父亲阿瑟·科恩伯格因揭示基因复制即DNA合成的分子机制获得了1959年的诺贝尔奖。他随父亲前往瑞典斯德哥尔摩领取诺贝尔奖，当父亲问他在圣诞节需要什么时，他说：“在实验室呆一个星期。”1967年科恩伯格以优异成绩毕业于哈佛大学，1972年在斯坦福大学获得博士学位，之后到英国剑桥跟随诺贝尔奖获得者亚当·克鲁格和弗朗西斯·克里克攻读博士后，他的研究对象是真核生物细胞核中由核酸与蛋白质组成的核酸复合物——染色质。他的主要研究领域是生物化学，研究对象是RNA聚合酶。如今，他是斯坦福大学结构生物学教授。[1]
科恩伯格和他的研究组在真核转录这个领域进行了长时间的研究工作，他们在2001年6月8日出版的《科学》杂志上发表的两篇论文，标志了这方面研究的重大突破。他们从分子水平上阐述了基因信息是如何从DNA被转录至信使RNA的，揭示了全部转录过程的秘密，精确到每一分、每一秒、何种分子在进行何种运动。科学家有可能通过对转录过程的调控从而达到对生物的生长与发育进行控制的预想目的，其影响是不可估量的。
1 研究背景
遗传信息的表达对于从低等到高等生物都具有至关重要的意义，是细胞决定和分化、细胞生长调节、组织形成等生命过程的基础。基因表达至少需要两个阶段，以DNA为模板合成RNA（转录过程），再以RNA为模板合成蛋白质（翻译过程），其中转录过程是遗传信息表达的第一个阶段，对它的调控是生命体最有效的调节方式，因此成为生命科学领域的重要研究内容。
1953年沃森和克里克发现了DNA的双螺旋模型，从而开创了分子生物学的新时代。1958年克里克又提出了“中心法则”，因此在50年代末和60年代，中心法则中的复制、转录和翻译等成为当时生命科学研究的一个热点。仅对转录而言短短几年就取得了突破性的进展。1958年Weiss及Hurwit等在原核生物中发现依赖于DNA的RNA聚合酶。60年代初Jacob和Monod提出原核转录调节的操纵子学说，从而对原核转录过程有了一个较为全面的理解。真核转录相对于原核转录，其分子机制要复杂得多。1959年，Weiss和Gladstone首先报道了在小鼠肝细胞中有RNA聚合酶活性。随后，其他科学家的研究显示，在真核细胞中主要存在三种不同的RNA聚合酶，其中RNA聚合酶Ⅱ在真核生物体内的作用尤为突出。对RNA聚合酶Ⅱ的研究表明，纯化的RNA聚合酶Ⅱ并不能对DNA进行转录，进一步的实验发现了5个蛋白质因子，只有将它们加入到提纯的RNA聚合酶Ⅱ中后者才能具有转录的功能。由于这5个蛋白质因子被所有的转录活动所需要，因而被称为通用转录因子（general transcription factors）。[2]
2 科恩伯格的研究工作
2.1 发现转录调节器
科学家们曾经相信真核生物与原核生物的转录过程非常类似，然而，经验证明真核生物的转录过程复杂得多，研究其中RNA聚合酶分子极为困难。
科恩伯格发展了用于实验室研究的全新酵母细胞体系。酵母像人类一样是真核生物，但它比其他真核生物更容易操作，科恩伯格小组用了10年的时间才培育出适合用于转录过程研究的酵母细胞系统，这个系统让他得以提取出充足的RNA聚合酶和其他转录因子，并将它们制作成晶体。
他的研究显示，除了5个通用转录因子之外，RNA聚合酶Ⅱ还需要另一个蛋白质复合物，这个蛋白质复合物的功能是向RNA聚合酶Ⅱ和通用转录因子传递各种调控信号，被命名为Mediator（调节器）。它指挥特定遗传密码的开或闭，从而只转录特定的信息，如生成肝脏细胞或肾脏细胞的信号。诺贝尔奖公告称调节器的发现是“认识转录过程的一个真正里程碑”。[3]
2．2 创建RNA聚合酶Ⅱ动态照片
2001年，科恩伯格创建了第一张RNA聚合酶Ⅱ的全动态照片。他在RNA链的形成过程中，从溶液中取走其中一个必需的碱基对，导致RNA链在需要这个碱基对的插入时因找不到它而将转录过程停止，然后创建出这些分子的晶体，再用X射线拍照，利用这种照片，计算机计算出分子中原子的真正位置。
科恩伯格在Science上发表的两篇获奖论文中提供了大量图片，分别描述了0.28nm分辨率的RNA聚合酶Ⅱ晶体结构和0.33nm分辨率的RNA聚合酶Ⅱ与DNA和mRNA的复合物的晶体结构。0.28nm分辨率的RNA聚合酶Ⅱ晶体结构包含10个亚基，分子质量超过500ku。从图1A的结构中可以发现，双链DNA的钳状结构处于张开构象，以利于DNA启动子进入而开始转录过程，而钳状结构附近的3个柔性区可能负责转录之后RNA从DNA上解离和DNA双链的重新生成。从结构中也可确定了催化转录反应的活性区以及重要的残基。图1B中各颜色区域对应A中RNA聚合酶Ⅱ所包含的10个亚基的位置，连接线的粗细代表各亚基之间接触面的表面积大小关系。[3]
0.33nm分辨率的RNA聚合酶Ⅱ与DNA和mRNA的复合物结构中，我们可以看到双链DNA进入RNA聚合酶Ⅱ，在离催化活性区3个碱基对的地方，双链被拆开。（见图2）[4]
诺贝尔奖公告称：“这些照片真正革命性的地方是科恩伯格抓住了转录的过程。我们在这些照片中看到了RNA链的形成过程，DNA分子、聚合酶和RNA在这个过程中的精确位置。”
2001年至今，科恩伯格研究组又相继发表了十余篇关于RNA聚合酶Ⅱ分子结构的研究论文，从分子水平上阐述了转录过程中的各个步骤，并呈现了丰富的图片信息，如聚合酶在DNA分子上的移位，选择正确的核苷链延伸RNA链，以及新合成的mRNA与DNA模板链的分离等等。这些晶体结构在原子分辨率水平上向我们展示了在真核细胞中双链DNA到mRNA的转录是如何进行的。
3 研究展望
科恩伯格所揭示的真核转录过程具有医学上的“基础性”作用。人类的多种疾病如癌症、心脏病等都与这一过程发生紊乱有关，理解这一过程有助于人们寻找治疗上述疾病的方法。更重要的意义在于，理解转录过程有助于人们理解干细胞如何发展成不同的特定细胞。干细胞，特别是胚胎干细胞，能分化成不同种类的体细胞。在器官移植上可大有作为，可以通过控制转录将提取于病人自身的干细胞发育成像肝脏、心脏等各种待移植的器官，以消除移植他人器官的剧烈排斥反应；科学家相信，将来可以利用人类胚胎干细胞修补人体受损的组织和器官，治疗多种疾病。科恩伯格证实，已有与他的研究课题相关的许多疗法或药物处于开发、试验或者应用阶段，“今后还会有更多”。此外，该成果在农业上的应用前景也极其广阔，可以有效控制转录过程，从而“扬长避短”，增加优秀基因的转录机会，从而达到增强农作物的抗病性、增加产量、提高品质等预想目的，等等。
4 结语
尽管从论文的发表到获奖只有5年的时间，但科恩伯格在接受诺贝尔奖官方网站总编辑采访时感慨良多。他表示这是一项需要极大信心和巨大投入的工作。“刚开始大家认为这明显是不可能的，有太多的问题基本上不可克服。这项研究的最初想法出现在30多年前，20多年前开始认真向这个方向努力。”[5]在开始用酵母细胞研究转录过程前，科恩伯格研究组用了10年的时间来精心调试这个系统。许多研究组也许早就放弃了，因为几年的时间过去了，他们没有任何实质性的结果，也不能发表论文。但是科恩伯格和他的研究组坚持了下来，十年如一日，并最终谱写了最绚烂的生命故事，赢得了诺贝尔化学奖的至高荣誉。
参考文献：
[1],诺贝尔化学奖成果解读：描述真核细胞的转录,2006.10.18.
[2]郭晓强.真核生物转录的发现[J].生命的化学.2004，(24)：6.
[3]Cramer, P., Bushnell, D.A., and Kornberg, R.D. (2001) Structural basis of transcription: RNA polymerase II at 2.8 Angstorm resolution. Science 292:1863-1876.
[4]Gnatt, A.L., Cramer, P., Fu, J., Bushnell. D.A., and Kornberg, R.D. (2001) Structural basis of transcription: An RNA polymerase II elongation complex at 3.3 A resolution. Science 292:1876-1882.
[5].cn/qkpdf/huax/huax200701/huax20070118.pdf" style="color:red" target="_blank">原版全文