百年诺贝尔之

2006年诺贝尔奖

生理学与医学奖• The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2006 was

awarded jointly to Andrew Z. Fire and Craig C. Mello "for their discovery of RNA interference - gene silencing by double-stranded RNA"

中心法则

RNA 干扰现象的发现• RNA 干扰现象是 1990 年由约根森（ Jorgensen ）研究小组在研究查

尔酮合成酶对花青素合成速度的影响时所发现，为得到颜色更深的矮牵牛花而过量表达查尔酮合成酶，结果意外得到了白色和白紫杂色的矮牵牛花，并且过量表达查尔酮合成酶的矮牵牛花中查尔酮合成酶的浓度比正常矮牵牛花中的浓度低 50 倍。约根森推测外源转入的编码查尔酮合成酶的基因同时抑制了花中内源查尔酮合成酶基因的表达

RNA 干扰现象的发现• 1992 年， Romano 和 Macino 也在粗糙链孢霉中发现了外源导

入基因可以抑制具有同源序列的内源基因的表达。• 1995 年， Guo 和 Kemphues 在线虫中也发现了 RNA 干扰现

象。他们在试图阻断秀丽线虫 (C.elegans) 的 par-1 基因时，发现了一个意想不到的现象。她们本想利用反义 RNA 技术特异性地阻断上述基因的表达，而同时在对照实验中给线虫注射正义 RNA 以期观察到基因表达的增强，但得到的结果是二者都同样地切断了 par-1 基因的表达途径。这是与传统上对反义 RN

A 技术的解释正好相反。可惜，该研究小组一直未能给这个意外以合理解释。

RNA 干扰现象的发现• 1998 年， Andrew Z. Fire 和 Craig C. Mello 等在秀丽线虫

（ C.elegans ）中进行反义 RNA 抑制实验时发现，作为对照加入的双链 RNA 相比正义或反义 RNA 显示出了更强的抑制效果。从与靶 mRNA 的分子量比考虑，加入的双链 RNA 的抑制效果要强于理论上 1:1 配对时的抑制效果，因此推测在双链 RNA 引导的抑制过程中存在某种扩增效应并且有某种酶活性参与其中。并且将这种现象命名为 RNA干扰。

• 他们发现 Guo 博士遇到的正义 RNA 抑制基因表达的现象，以及过去的反义 RNA 技术对基因表达的阻断，都是由于体外转录所得 RNA 中污染了微量双链 RNA 而引起。

RNA 干扰现象的发现• 在 1999 年短短的一年间 , 发现 RNA 干扰现象广泛存在于从植物、真菌、

线虫、昆虫、蛙类、鸟类、大鼠、小鼠、猴一直到人类的几乎所有的真核生物中细胞。 2000 年，又先后发现小鼠早期胚胎中和大肠杆菌中也存在 RNA 干扰现象。

• 1999 年， Hamilton 等首次在 PTGS 植株中发现了长度为 25nt 的 RNA

中间产物。 2000 年， Zamore 和 Hammond 等使用体外培养的果蝇细胞进行研究发现，外源性 dsRNA 通过耗能过程降解成 21-23nt 的小干扰 RNA （ small interfering RNA ， siRNA ）引发 RNAi 。

• 2000 年提出 RNAi 作用机制模型。– Hannond SM et al. Nature, 2000, 404(6775):293-296

– Zamore PD. Cell, 2000,101(1):25-33

RNAi 在探索基因功能中的应用• 人类基因组计划的完成标志着后基因组时代的来临。阐明人类

基因组中功能基因表达产物的生物学作用对医学发展有着深远意义。

• 在 RNAi 技术出现以前，基因敲 除（ gene knockout ）是主要的反向遗传学（ reverse genetics ）研究手段，但其技术难度较高、操作复杂、周期长。

• 由于 RNAi 技术可以经济、简便的以序列特 异方式剔除目的基因表达，所以现在已经成为探索基因功能的重要研究手段。同时 siRNA 表达文库构建方法的建立，使得利用 RNAi 技术进行高通量筛选成为 可能，对阐明信号转导通路、发现新的药物作用靶点有重要意义。

RNAi 在基因治疗领域中的应用• 在利用 RNAi 技术对 HIV-1 、乙型肝炎、丙型肝炎 等进行

基因治疗研究中发现，选择病毒基因组中与人类基因组无同源性的序列作为抑制序列可在抑制病毒复制的同时避免对正常组织的毒副作用。

• 同时可对部分有明确基因突变的恶性肿瘤细胞产生凋亡诱导作用。此外尚可通过使 用肿瘤特异性启动子引导针对某些癌基因或抗凋亡分子的 siRNA 或 shRNA 表达，从而达到特异性杀伤肿瘤细胞的目的。

RNAi 在药物筛选中的应用• 大多数药物属于靶标基因（或疾病基因）的抑制剂，因此

RNAi 模拟了药物的作用。因此 , RNAi 在今天的制药产业中是药物靶标确认的一个重要工具。同时，那些在靶标实验中证明有效的 siRNA/shRNA 本身还可以被进一步开发成为 RNAi药物。

• 通常利用建立好的 RNAi文库来引入细胞，然后通过观察细胞的表型变化来发现具有功能的基因。一旦所发现的基因属于可用药的靶标（如表达的蛋白在细胞膜上或被分泌出细胞外），就可以针对此靶标进行大规模的药物筛选。此外，被发现的靶标还可用 RNAi 技术在细胞水平或动物体内进一步确认。

化学奖• The Nobel Prize in Chemistry 2006 was awarded to

Roger D. Kornberg "for his studies of the molecular basis of eukaryotic transcription".

Roger D. Kornberg

真核细胞的转录• 真核生物是有细胞核的生物，相比起细菌更为复杂，动物和植物都是

真核生物。真核生物如果想应用存储在基因里的信息，必须先将信息备份并传送至细胞核外，细胞再利用这些信息生产蛋白质，这个备份过程被称作转录。

• 科恩伯格制作了详细的检晶仪图片，形容了真核细胞转录的整个运传情况。

真核细胞的转录• 科恩伯格详细描述了真核细胞转录的整个运传情况。• 人们在他的图片中可以看到新的 RNA 转录酶是如何演变的，和数个

在转录过程中必需的其它分子的作用。这些图片是如此的详细，人们可以分清楚不同的原子，使人们可以理解转录机制和转录是如何被管理的。

Structure of an RNA polymerase II transcribing complex. The bridge helix is shown in green and theactive site metal as a pink sphere. The DNA helix is colored blue while the newly synthesized RNA is inred.

真核细胞的转录• 科恩伯格是首位在分子水平上揭示真核生

物转录过程如何进行的科学家，使了解基因的转录过程成为可能。转录过程具有医学上的“基础性”作用，因为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。理解它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。目前，基因转录的技术广泛应用在基因研究的实验室中。科恩伯格独享诺贝尔化学奖表明了他所揭示的结构信息的重要性。

科恩伯格的诺贝尔之路• 罗杰 ·D·科恩伯格 1967 年本科毕业于哈佛大学， 1972 年

在斯坦福大学取得博士学位，赴英国剑桥大学从事博士后研究， 1976 年在哈佛大学医学院担任助理教授， 1978 年重返斯坦福大学任教，一直未离开生化领域。

• 科恩伯格跟随 Francis Crick （ 1962 年诺贝尔生理学奖医学奖获得者）和 Aaron Klug ，在英国医学研究理事会分子生物学实验室做博士后研究时接触到了转录领域。

• 科恩伯格回到斯坦福大学后继续了真核细胞转录调控的研究，并决定利用酵母细胞作为真核状态下的有机体模型，发展一个在生物体外的转录体系。

• 他的研究组用了长达 10 年的时间来调整这个体系，使之用于研究真核转录过程。

科恩伯格的诺贝尔之路• 随着研究的深入，科恩伯格认识到 RNA聚合酶可能是研究整个转录机制的平台，然而其较大的体积，纯化的复合体的不稳定性给研究带来很大的难度。

• 科恩伯格在脂质表面形成二维空间的蛋白质晶体方法的改进，并综合电子显微镜和 X 射线衍射晶体法对蛋白质的表达和纯化进行了近 20 年的研究与改进，最终解决了这个问题。

• 2001 年，科恩伯格将生物化学研究方法与晶体化学研究手段巧妙结合，获得了突破性的研究成果。科恩伯格在实验体系中除去了一种碱基，当转录过程进行到需要这种碱基与 DNA 上的碱基配对时，则转录过程停止。由此，他将mRNA 在形成过程中途定格，再将参与这个过程的分子制成晶体，用 X 射线检晶仪进行“拍照”制成图片。根据这样的图片，计算出分子中各原子的准确位置，从而清晰的描述真核细胞的转录过程。

科恩伯格：科学之家• 罗杰 ·科恩伯格 12岁时父亲阿瑟 ·科恩伯格荣膺诺 1959 年度诺贝尔生理

学或医学奖。 • 阿瑟 ·科恩伯格在 20世纪 50 年代中期用实验证明脱氧核糖核酸（ DN

A ）的复制并分离了复制所需的酶，于 1956 年发表《脱氧核糖核酸的酶促合成》一文。父子所获奖项不同，研究课题不同，却都涉及遗传基因。

罗杰 ·科恩伯格接受父亲祝贺阿瑟 ·科恩伯格 罗杰 ·科恩伯格

科恩伯格：科学之家• 在科恩伯格的大家庭中，热爱科学的不仅仅是获得诺贝尔奖的父子两人。罗杰

是家中长子。罗杰的二弟托马斯现为加利福尼亚大学旧金山分校的生物化学和生理学教授。三弟肯尼思 ·安德鲁是一名建筑师，但也与科学渊源不浅，特长就是建造科学实验室。这个家庭中的“科学爱好者”不只男性。罗杰已经去世的母亲是一名生化学家，生前一直与丈夫共同研究。罗杰的妻子亚赫丽 ·洛赫来自以色列，现为斯坦福大学结构生物学教授。父亲阿瑟 ·科恩伯格至今仍在斯坦福大学拥有自己的实验室。