基因修复技术将成“不老仙丹” 2045年人类望

  近日,在太庙举办的奇点大学公开课上,美国硅谷奇点大学生物技术和信息学项目负责人Raymond McCauley给大家来一个令人兴奋的研究,基因修复技术有望成为人类一直追求的“长生不老仙丹”,让人类获得。而该校何塞?易斯?科代罗教授为这个梦想加了一个可以实现的确切时间:2045年。

  美国奇点大学设在硅谷心脏地带,2009年创建,美国宇航局埃姆斯研究中心内,是为迎接电脑优于人脑的时代来临,谷歌(Google)与美国宇航局(NASA)展开合作,是致力开办一所培养未来科学家的学校。

  Raymond McCauley在奇点大学公开课上重点讲述了DNA技术的发展,他认为数字生物学、生命科学开始走俏,其中最重要的便是DNA技术。由于受摩尔定律的支配,DNA测序成本在逐渐降低,2014年人类基因测序成本约为每人1000美元;2016年会降到4张披萨的成本;而到2020年,其成本差不多为1毛钱。此外,他还提到了若基因技术变成大众及消费产品的科技公司,包括Illumina、23andMe和Second Genome等。

  通过基因组序列可以了解基因是如何与癌症、阿尔茨海默氏症等联系一起的,这样就能找到方法疾病的发生。这种方法可以让人类在不久的将来按照自己的喜好“设计”后代,避免出现畸形或疾病。

  Raymond McCauley表示,随着生命的衰老,我们的DNA会开始出错,而基因修复技术的研究,可以我们免受的各种影响,从而开始修复,以保持健康和容颜。

  DNA修复(DNArepairing)是细胞对DNA受损伤后的一种反应,这种反应可能使DNA结构恢复原样,重新能执行它原来的功能;但有时并非能完全消除DNA的损伤,只是使细胞能够耐受这DNA的损伤而能继续。

  也许这未能完全修复而存留下来的损伤会在适合的条件下显示出来(如细胞的癌变等),但如果细胞不具备这修复功能,就无法对付经常在发生的DNA损伤事件,就不能。所以研究DNA修复也是探索生命的一个重要方面,而且与军事医学、肿瘤学等密切相关。去看看几种基因修复技术吧。

  错配修复可校正DNA复制和重组过程中非同源染色体偶尔出现的DNA碱基错配,错配的碱基可被错配修复酶识别后进行修复。

  这是最早发现的DNA修复方式,是指细胞在酶的作用下,直接将损伤的DNA进行修复。修复是由细菌中的DNA光解酶完成,此酶能性识别紫外线造成的核酸链上相邻嘧啶共价结合的二聚体,并与其结合,这步反应不需要光;结合后如受300-600nm波长的光照射,则此酶就被激活,将二聚体分解为两个正常的嘧啶单体,然后酶从DNA链上,DNA恢复正常结构。后来发现类似的修复酶广泛存在于动植物中,人体细胞中也有发现。DNA光解酶可被可见光(300-600纳米,400纳米最有效)激活,分解由于紫外线照射而形成的嘧啶二聚体。此酶广泛存在,但人体只存在于淋巴细胞和皮肤成纤维细胞,且是次要修复方式。

  (一)细胞内有多种的核酸内切酶,可识别DNA的损伤部位,在其附近将DNA单链切开,再由外切酶将损伤链切除,由聚合酶以完整链为模板进行修复合成,最后有连接酶封口。

  (二)碱基脱氨形成的尿嘧啶、黄嘌呤和次黄嘌呤可被的N-糖苷酶切除,然后用AP核酸内切酶打开磷酸二酯键,进行切除修复。DNA合成时消耗NADPH合成胸腺嘧啶,可与胞嘧啶脱氨形成的尿嘧啶相区别,提高复制的性。RNA是不修复的,所以采用“廉价”的尿嘧啶。

  (三)切除修复不需光照,也称暗修复。大肠杆菌中有UvrABC系统,可切除修复嘧啶二聚体。人体缺乏相应系统则发生“着色性干皮病”,皮肤干燥,有色素沉着,易患皮肤癌。可加入T4内切酶治疗。

  DNA单链断裂是常见的损伤,其中一部分可仅由DNA连接酶参与而完全修复。此酶在各类生物各种细胞中都普遍存在,修复反应容易进行。但双链断裂缺几乎不能修复。

  DNA链上嘌呤的脱落造成无嘌呤位点,能被DNA嘌呤插入酶识别结合,在K+存在的条件下,催化游离嘌呤或脱氧嘌呤核苷插入生成糖苷键,且催化插入的碱基有高度性、与另一条链上的碱基严格配对,使DNA完全恢复。

  在细胞中发现有一种O6甲基鸟嘌呤甲基转移酶,能直接将甲基从DNA链鸟嘌呤O6位上的甲基移到蛋白质的半胱氨酸残基上而修复损伤的DNA。这个酶的修复能力并不很强,但在低剂量烷化剂作用下能出此酶的修复活性。

  此过程也叫复制后修复。对于DNA双链断裂损伤,细胞必须利用双链断裂修复,即重组修复,通过与姐妹染色单体正常拷贝的同源重组来恢复正确的遗传信息。人重组修复中原损伤没有除去,但若干代后可逐渐稀释,消除其影响。所需要的酶包括与重组及修复合成有关的酶,如重组蛋白A、B、C及DNA聚合酶、连接酶等。

  DNA严重损伤能引起一系列复杂的效应,称为应急反应,包括修复效应、诱变效应、及溶原菌噬菌体等。细胞癌变也可能与应急反应有关。应急反应切除和重组修复酶系,还产生缺乏校对功能的DNA聚合酶,加快修复,避免死亡,但提高了变异率。单链DNA重组蛋白A,可水解LexA蛋白,使一系列基因得到表达,如RecA、UvrABC、SOS修复所需的酶等,产生应急反应。应急反应可作为致癌物的简易检测方法。采用缺乏修复系统、膜透性高的i突变株,并添加鼠肝匀浆液。

  也叫适应性蛋白,可识别甲基化的DNA,将甲基转移到自身的半胱氨酸上,不可逆,故称“修复”。可修复磷酸及鸟苷上的甲基。

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