2013年10月5日 星期六

生命藍圖

有言在先:這一系列文字根據的是我多年之前自編的講義串連而成,沒有嚴格的考證。近日發現一本新書 --- <孟德爾之夢:基因的百年歷史>,討論的主題是一樣的,但卻是由一位教授經過仔細文獻、書籍考證的結晶,所以,如果你真的喜歡遺傳學,去讀這本書吧,你的收穫必然更豐富


有一群人相信,人類探索自然的結果,就是人類踏上一條遠離上帝恩澤的不歸路。從哥白尼、伽利略到維勒(Wöhler, Friedrich 1800-1882)、達爾文,一直到華生、克立克,這些科學家一直在將上帝推離人類。這種見解讓認同前述想法的人,對科學發展一直存有疑慮,甚至敵意。但如果你讀了聖經、相信上帝,那你應該很清楚,人類天生就是要與上帝對抗的。嗯,說對抗也許太過頭,但起碼並不那麼順從吧。現在,這些人的憂慮更深了,因為居然有科學家宣稱:人不當上帝,誰能?
        是誰讓華生相信人可以扮演上帝創造生命的角色?孔伯格是也。孔伯格在1956年純化出史上第一個可合成DNA的酵素,即DNA聚合酶(DNA polymerase I),也是這項工作讓他獲得1959年的諾貝爾獎(比起華生、克立克等了九年,孔伯格只等三年就獲肯定)。合成DNA有何重要性?這是因為幾乎所有生物(只有RNA型病毒例外)都以DNA為其建構生命的藍圖,能夠掌握製造生命藍圖的關鍵,創造(或許說是設計比較貼切。有越來越多科學家以為,創造生命這檔事,還是讓上帝來執行吧)生命怎麼不會是唾手可得呢?(我曾說過,若真有上帝,此時他一定又在竊笑了。人類也不想想,若創造如此輕巧,則以神的能耐,何以還得休息?參閱人的壽命為什麼這麼長?)
        孔伯格了不起的地方可不只有純化而已,他還發明了無細胞系統(cell-free system),讓DNA聚合酶在這樣一個極單純的系統裡利用一些建構DNA基本單元,與既有的單股DNA模板(template strand)便合成出史上第一組生物的全部DNA序列,總長5300個含氮鹼基對的「Φx174病毒」。可惜的是,這個「人工生命」無法表現生命現象,也就是說,在細菌體內無法複製。此一問題最後在蓋烈特(Gellert, Martin)與李曼(Lehman, Bob)發現接合酶(ligase)後被解決。接合酶可將前述的兩段人工合成DNA連成環形,在進入細菌體內後便開始複製,跟真的一樣。
        那麼,DNA複製時的已知情節又如何呢?請看下列圖表文說明,可能有些小複雜。首先,下圖是構成DNA的單元,核苷酸的簡圖。

        下面這張則是DNA複製的簡要過程,比較需要留意的是逆向合成股(Lagging strand)。DNA的雙股結構有點兒怪,兩股在化學鍵結上彼此以相反的方向延伸。可偏偏合成DNA的聚合酶又很難搞,非得從5’ 到3’ 端才願意將新的核苷酸給接上。這是因為酵素的作用部位都有空間特異性,當核苷酸擺放的位置不對時,DNA聚合酶就不認識它,便無法合成了。因此,順向合成股( 5’à3’)可一路順暢合成下去,但逆向合成股( 3’à5’)就變得非常麻煩,為了符合DNA聚合酶5’à3’端的合成特性,逆向合成股必須一段一段的合成,最後再由DNA接合酶善後,把那些稱為Okazaki片段的DNA一一接起來。



        下表則是將DNA複製過程中,已知參與的蛋白質摘要性的表列其功能。
原核生物DNA複製過程中所參與的蛋白質與其功能


蛋白質種類功能
Helicase可將螺旋狀雙股DNA解開成複製分叉(Replication fork)
Single-strand binding protein可與單股DNA結合並穩定其單股狀態直到能為複製的模板
Topoisomerase可藉由斷、轉、接三步驟校正複製分叉端過度旋轉的單股DNA  
 在順向合成股的功能在逆向合成股的功能
Primase在順向股的5’ 端合成小片段單股RNA(Primer)在okazaki片段的5’ 端合成小片段單股RNA
DNA polymerase III *在Primer後連續接上核苷酸在Primer後連續接上核苷酸
DNA polymerase I從順向股的5’ 端移除primer並以DNA取代之從okazaki片段的5’ 端移除primer並以DNA取代之
DNA Ligase連接取代primer後的DNA之3’ 端與其餘順向股DNA連接okazaki片段
*目前在真核生物中至少發現11種不同的DNA聚合酶,惟功能大都相同
       
        最後再提一點,原核生物多半是環形DNA,在複製的時候只有一個複製起點;真核生物則為線形,且有多個複製起點。不過不知道什麼原因,原核生物的複製速度比真核生物快了10倍,每秒可合成500個核苷酸。(真不曉得科學家是怎麼估算出來的)
       本系列文章,在此暫時劃上休止符。分子生物學的發展已超過任何科學家的預料,期間的新發現在在改寫我們對生物的認知。有志從事生物學研究的同學,分子生物學絕對是你們的絕佳方向。
 

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