世纪分子生物学发展的趋向

21 世纪分子生物学的展望世纪分子生物学的展望 李振刚 一 分子生物学的发展一 分子生物学的发展 20 世纪是分子生物学发生发展的世纪 1 分子生物学的诞生 1952 年 DNA 双螺旋结构的发现 基因自决 1958 年中心法则的提出 从基因到性状 1968 年遗传密码的破译 从碱基到氨基酸 2 DNA 重组技术的发展 使人类社会中出现了一类新的巨无霸产业 生物技术与基因工程 从此 DNA 重组技术 DNA 分析技术应用到 生物学的每一角落 分类 进化 考古 法医 3 分子信息生物学的诞生 DNA 序列分析技术的发展 毛细管电泳技术与机器人操作相结合 大大加快了序列分析的速度 人类基因组计划 将很快完成 并带动其他基因组的进行 一门崭新的学科 分子信息学 将在 21 世纪诞生 以人类基因组计划为契机 将逐步阐明各种代表 性生物的 DNA 序列 并企图以此为基础来说明生命活动的机制 二 分子生物学的现状二 分子生物学的现状 但是 一个学科在知识上的普及和应用上的深入 只是意味着它的成熟 并不一定意味着它的本质的持续发展 21 世纪是否还是分子生物学的 世纪 这个问题值得思考 目前的情况是 1 基因 遗传物质 的泛化与移位 大家知道 分子生物学是从 DNA 双螺旋模型的建立而兴起的 因为它解决了 基因是 DNA DNA 能自我复制 基因自决 等问题而使近 代遗传学家 基因论者 欣喜若狂 他们感到遗传学终于找到了分子水平的科学依据 这种遗传学与分子生物学的统一 使当时的遗传学家以生物 学界的 龙头 自居 特别在我国的 60 70 年代中 前苏联的李森科 米丘林学派的垮台 近代遗传学家从重压下解放出来 大都以 基因论 的捍 卫者自傲 对于与基因论略有相左的观点 往往不能容忍 群起而攻之 在当时看来 基因 核酸 就是门德尔因子 是排列在染色体上的成对的 要素 细胞核是唯一的遗传器官 近代遗传学是以孟德尔定律与摩尔根基因论为基础的 近代遗传学的基因是严格地限制在染色体之上的 摩尔根在 基因论 中斩钉截铁地说 基因论认为个体上的种种性状都起源于生殖质内的成对的要素 基因 这些基因互相联合 组成一定数目的连锁群 认为生殖细胞成熟时 每 一对的二个基因依孟得尔第一定律而彼此分离 但是 由于基因已彻底地分子化为 DNA 遗传学的发展就不得不依附于分子生物学的发展 遗传学家们在以此为荣不久 就不得不为此作出牺牲 因为不仅细胞核里有 DNA 细胞质里也有 DNA 基因的 DNA 化 导致了基因的移位与泛 化 基因已不再仅仅是位于染色体上的成对的要素 存在于细胞质中并不依孟德尔定律分配的那些 DNA 分子也就顺理成章地称为基因 基因工程实际上是基因移位与泛化的成功应用 它往往是把高等动物的染色体基因 如胰岛素基因 细胞核遗传 通过与质粒 plasmid 的 重组 转化为低等生物 大肠杆菌 枯草杆菌 酵母等 的细胞质遗传 这对于依靠 DNA 来捍卫基因论的学者来说 是一个绝大的讽刺 因此 近代遗传学以染色体为遗传核心的基因论从理论与实践上被淡化了 随着逆转录酶 RNA 编辑 朊病毒的发现 细胞质物质 RNA 蛋白质 在 遗传上的作用却愈来愈重要了 2 技术上 分子生物学已达顶峰 离不开 DNA 重组 基因工程 点突变 蛋白质工程 与序列分析 没有新技术的突破 大量的工作已进入利用上述技术进行资料积累的阶段 分子生物学技术的杰作 1 转基因食品已受到限制 2 工程浩大 耗资已超过 300 亿美元的基因组计划 得到的将是一本 DNA 的天书 3 基因工程对高等生物 特别是动物 来说并不能创造新种 只能改良品种 它遏制不了物种的加速绝灭 到 2000 年 地球上的 15 20 45 100 万个物种 已经绝灭 就植物来说 目前由于人类的活动 平均每 6 个小时就有一种植物从地球上消失 地球上 30 70 的植物将在 今后 100 年内消失 21 世纪人类面对的严酷任务是挽救生态环境 这是基因工程所无能为力的 相反 DNA 污染 免疫病 基因重组病 基因 武器 将使濒危的生态环境雪上加霜 3 理论上 分子生物学已经完全成熟 自 DNA 双螺旋结构学说及中心法则建立以来 已不见进一步的深化及发展 DNA 双螺旋结构学说解决了基因自我复制 即基因自决 的难题 而中心法则的提出 则认为是解决了基因通过蛋白质决定生物性状的问题 但是 自七十年代以来分子生物学只是忙于维护本身理论的完整及应付 愈来愈多的质疑和挑战 如 反转录酶的发现 intron 的发现 alternative splicing mRNA 的发现 RNA 编辑 朊病毒的发现等 都是 Crick 和 Watson 所始料不及而仓促应战 三 分子生物学的展望 从理论到实践 三 分子生物学的展望 从理论到实践 1 21 世纪的生物学之谜 在 21 世纪 生物学的一些重大问题 癌 爱滋病 遗传病激增 从 400 种到 4000 种 物种的绝灭等 并没有因为分子生物学的发展而获得 解决 有的问题更趋严重 到头来却出现了分子生物学的两个黑箱问题 1 自我意识 你为什么就意识到你是张三 他为什么就意识到他是李四 无论多么高级的电子计算机 它意识不到它本身的存在 而人及 某些高级动物却能意识到自身的存在 并把自身与身外的客体清楚地分开 从生物学的角度来说 自我意识 是神经系统的一种功能 是一种遗 传性状 它的分子机制是什么 2 细胞的完整性 100 年前 R Virchow 曾断言 细胞只能来自细胞 在 DNA 决定细胞一切特性的今天 一个被粉碎了的细胞 即使它 的 DNA 在结构与功能上是完整的细胞却无法恢复 这与 DNA 含有全部遗传信息的分子生物学明显相左 如何从分子生物学的概念来回答上述两个问题是目前人类所拥有的物理与化学知识很难解决的 甚至无法接近的 这两个问题的提出与解决 生物学家必须挣脱分子生物学的还原论 在整体的生物学概念上有所突破才行 这要求某些概念要重新考虑 分子生物学不能把自已看成是 DNA 的生物学 核酸的生物学 而应该研究细胞中所有的分子事件 多糖 蛋白质 膜 细胞器 才能成为名副其实的分子生物学 2 基因生态 对转基因食品的限制 以及对转基因动植树技术的审慎 意味着人类已经意识到 DNA 重组技术是对人类和其他生物的基因组即遗传内环境 的破坏 这与世界的科技进步对整个地球大环境的破坏一样 我们在获得现实利益的同时 可能要承受未来无法预料的灾难 因此 在进行基因工 程的同时 必须考虑到维持体内基因环境的平衡 这是 21 世纪的一个新课题 对基因的 裁剪 必须以维持细胞功能与结构的完整为前提 3 一门新的克隆技术与理论的兴起 基因克隆将与细胞克隆相结合而形成一门新的技术学科 克隆羊 的轰动以及克隆技术在 21 世纪的不可遏制 说明人们已经意识到 细胞的 克隆比 DNA 的克隆要更有意义 要更困难 因为人类虽然已能合成基因 但还根本不能合成一个细胞 一个心脏或一个肾 转基因在创造着无数 的生物新特性 新品种 但对物种的迅速地从地球上绝灭束手无策 克隆羊 技术是以完整的细胞的概念来考虑问题的 虽然它还不是真正的体细胞克隆 它在 21 世纪的发展是不可遏制的 也许一个 克 隆 的科学界集团将悄悄地在 21 世纪兴起 克隆羊 与 试管婴儿 的合流 克隆技术与 DNA 重组技术的结合是 21 世纪意料中的事情 DNA 分子的纯化及元件化 必将在电脑及信息科学中发挥重大作用 在严禁对人进行克隆 以及克隆人对人类的巨大诱惑的双重压力下 动 物克隆甚至人的克隆有着与机器人的制造相结合的趋势 未来的机器人也许会具有真的人的肌肤与毛发 以及用 DNA 芯片分子元件构成的大脑 4 朊病毒与蛋白质遗传 朊病毒是一种能够迅速繁殖 传染的蛋白质病原体 它只含蛋白质 不含核酸 人的 Kuru 病 CKD GSS 病 羊瘙痒病 scrapie 疯牛症 mad cow disease 等无药可治的极厉害的传染病都是它引起的 朊病毒 PrP 以其本身为模板 把细胞中具有正常功能的 PrP 转变为病原体 PrP 这二种蛋白质分子的一级结构是相同的 也就是说 它们被同一基因所编码 但它们的立体构象不同 PrPsc 比 PrPc 具有高得多的折叠结构 可是 PrPsc 能作为模板 把 PrPsc 转换为 PrPc 而 PrPc 却不能作为模板把 PrPsc 转换为 PrPc 所以 PrPsc 是不折不扣的 外来的 细胞质中的遗传 模板 它能把来自细胞核基因的蛋白质改造为细胞质的遗传模板 疯牛病使世人对朊病毒认真起来 Prusiner S B 也荣获诺贝尔奖 随着在酵母中各种 prion 的发现 也发现了在酵母中执行正常生理功能的 prion 这说明 prion 不仅是一种具有感染能力的蛋白质病毒 而且也是一种具有复制自身能力的蛋白质 在 20 世纪末 21 世纪初 许多论述蛋白 质是遗传物质 蛋白质是基因的论文正在不断地出现 并愈来愈引起生物学界的重视 早在 1967 年 Griffith J S 在给 Nature 的信中就曾说过 用不着惊慌 一种蛋白质的感染因子的存在将会砸烂分子生物学的整个理论框架 J S Griffith Nature 215 1043 1044 1967 蛋白质将作为一种遗传物质和分子模板向 DNA 作为唯一遗传物质的统治理论提出挑战 在 21 世纪 分子生物学的遗传理论必将在分子模板多 元化的形势下发生巨变 21 世纪分子生物学发展的趋向世纪分子生物学发展的趋向 原定 2005 年完成人类基因组 DNA 测序的计划 已提前 5 年完成 当前 人类基因组研究的重点正在由 结构 向功能转移 一个以基因组功 能研究为主要研究内容的 后基因组 post genomics 时代已经到来 它的主要任务是研究细胞全部基因的表达图式和全部蛋白图式 或者说 从 基因组到蛋白质组 于是 分子生物学研究的重点似乎又将回到蛋白质上来 生物信息学也应运而生 随着新世纪的到来 生命科学又将进入这 样一个新时代 一 功能基因组学一 功能基因组学 遗传学最近的定义是 对生物遗传的研究和对基因的研究 功能基因组学 functionalgenomics 是依附于对 DNA 序列的了解 应用基因组学的 知识和工具去了解影响发育和整个生物体的特定序列表达谱 以酿酒酵母 S cervisiae 为例 它的 16 条染色体的全部序列已于 1996 年完成 基因 组全长 12086 kb 含有 5885 个可能编码蛋白质的基因 140 个编码 rRNA 基因 40 个编码 snRNA 基因和 275 个 tRNA 基因 共计 6340 个基因 功能基因组学是进一步研究这 6000 多个基因 在一定条件下 譬如酵母孢子形成期 同时有多少基因协同表达才能完成这一发育过程 这就需要 适应这一时期的全套基因表达谱 gene expression pattern 要解决如此复杂的问题就必须在方法学上有重大的突破 创造出高效快速地同时测定基因 组成千上万个基因活动的方法 目前用于检测分化细胞基因表达谱的方法 有基因表达连续分析法 serial analysis Of gene expression SAGE 微阵 列法 microarray 有序差异显示 ordered differential display ODD 和 DNA 芯片 DNA chips 技术等 今后 随着功能基因组学的深入发展 将会有 更新更好的方法和技术出现 功能基因组亦包括了在测序后对基因功能的研究 酵母有许多功能重复的基因 常分布在染色体的两端 当酵母处于丰富培养基条件时 这些 基因似乎是多余的 但环境改变时就显示出其功能 基因丰余现象实际上是对环境的适应 丰余基因的存在为进化适应提供了可选择的余地 基因 组全序列还保留了基因组进化的遗迹 提示基因重复常发生在近中心粒区和染色体臂中段 当前 研究者已把酵母基因组作为研究真核生物基因组功能的模式 计划建立酵母基因组 6000 多个基因的单突变体文库 single mutant library 并可用于其它高等真核生物基因组之 基因功能作图 总之 功能基因组学的任务 是对成千上万的基因表达进行分析和比较 从基因组整体水平上阐述基因活动的规律 核心问题是基因组的多样 性和进化规律 基因组的表达及其调控 模式生物体基因组研究等 这门新学科的形成 是在后基因组时代生物学家的研究重点从揭示生命的所有 遗传信息转移到在整体水平上对生物功能研究的重要标志 二 蛋白质组学二 蛋白质组学 蛋白质组 proteome 对不少人来说 目前还是一个比较陌生的术语 它是在 1994 年由澳大利亚 Macguarie 大学的 Wilkins 等首先提出的 随后 得到国际生物学界的广泛承认 他们对蛋白质组的定义为 蛋白质组指的是一个基因组所表达的全部蛋白质 proteome indicates the proteins expressed by a genome proteome 是由蛋白质一词的前几个字母 prote 和基因组一词的后几个字母 ome 拼接而成 蛋白质组学是以蛋白质组为研究对象 研究细胞内所有蛋白质及其动态变化规律的科学 蛋白质组与基因组不同 基因组基本上是固定不变的 即同一生物不同细胞中基因组基本上是一样的 人类的基因总数约是 32 000 个 单从 DNA 序列尚不能回答某基因的表达时间 表达量 蛋白质翻 译后加工和修饰的情况 以及它们的亚细胞分布等 这些问题可望在蛋白质组研究中找到答案 因为蛋白质组是动态的 有它的时空性 可调节性 进而能够在细胞和生命有机体的整体水平上阐明生命现象的本质和活动规律 蛋白质组研究的数据与基因组数据的整合 亦会对功能基因组的研究 发挥重要的作用 蛋白质组由原定义一个基因组所表达的蛋白质 改为细胞内的全部蛋白质 比较更为全面而准确 但是 要获得如此完整的蛋白质组 在实践 中是难以办到的 因为蛋白质的种类和形态总是处在一个新陈代谢的动态过程中 随时发生着变化 难以测准 所以 1997 年 Cordwell 和 Humphery Smith 提出了功能蛋白质组 functional proteome 的概念 它指的是在特定时间 特定环境和实验条件下基因组活跃表达的蛋白质 与此同 时 中国生物科学家提出了功能蛋白质组学 functional protemics 新概念 把研究定位在细胞内与某种功能有关或在某种条件下的一群蛋白质 功能 蛋白质组只是总蛋白质组的一部分 通过对功能蛋白质组的研究 既能阐明某一群体蛋白质的功能 亦能丰富总蛋白质数据库 是从生物大分子 蛋白质 基因 水平到细胞水平研究的重要桥梁环节 无论是蛋白质组学还是功能蛋白质组学 首先都要求分离亚细胞结构 细胞或组织等不同生命结构层次的蛋白质 获得蛋白质谱 为了尽可能 分辨细胞或组织内所有蛋白质 目前一般采用高分辨率的双向凝胶电泳 一种正常细胞的双向电泳图谱通过扫描仪扫描并数字化 运用二维分析软 件可对数字化的图谱进行各种图像分析 包括分离蛋白在图谱上的定位 分离蛋白的计数 图谱间蛋白质差异表达的检测等 一种细胞或组织的蛋 白质组双向电泳图 可得到几千甚至上万种蛋白质 为了适应这种大规模的蛋白质分析 质谱已成为蛋白质鉴定的核心技术 从质谱技术测得完整 蛋白质的相对分子质量 肽质谱 或称肽质量指纹 pepetide massfingerprint 以及部分肽序列等数据 通过相应数据库的搜寻来鉴定蛋白质 此外 尚需对蛋白质翻译后修饰的类型和程度进行分析 在蛋白质组定性和定量分析的基础上建立蛋白质组数据库 从提出蛋白质组的概念到现在短短几年中 已于 1997 年构建成第一个完整的蛋白质组数据库 酵母蛋白质数据库 yeast protein database YPD 进展速度极快 新的思路和技术不断涌现 蛋白质组学这门新兴学科 在今后的实践中将会不断完善 充实壮大 发展成为后基因组时代的带头学 科 三 生物信息学三 生物信息学 HGP 大量序列信息的积累 导致了生物信息学 Bioinformatics 这门全新的学科的产生 对 DNA 和蛋白质序列资料中各种类型信息进行识别 存储 分析 模拟和转输 它常由数据库 计算机网络和应用软件三大部分组成 国际上现有 4 个大的生物信息中心 即美国生物工程信息中心 GenBank 和基因组序列数据库 GSDB 欧洲分子生物学研究所 EMBL 和日本 DNA 数据库 DDBJ 这些中心和全球的基因组研究实验室通过网站 电子邮件或者直接与服务器和数据库联系而获得的搜寻系统 使得研究者可以在多种不同的分析系统中对序列数据进行查询 利用和共享巨大的生 物信息资源 随着 DNA 大规模自动测序的迅猛发展 序列数据爆炸性地积累 HGP 正式启动之时 就与信息科学和数据库技术同步发展 收集 存储 处 理了庞大的数据 生物信息学逐步走向成熟 在基因组计划中发挥了不可取代的作用 建立的核苷酸数据库 已存有数百种生物的 cDNA 和基因组 DNA 序列的信息 在已应用的软件中 有 DNA 分析 基因图谱构建 RNA 分析 多序列比较 同源序列检索 三维结构观察与演示 进化树生 成与分析等 在蛋白质组计划中 由于蛋白质组随发育阶段和所处环境而变化 mRNA 丰度与蛋白质的丰度不是显著相关 以及需要经受翻译后的 修饰 因而对蛋白质的生物信息学研究 在内容上有许多特殊之处 现在建立的数据库 有蛋白质序列 蛋白质域 二维电泳 三维结构 翻译后 修饰 代谢及相互作用等 而通用的软件 主要包括蛋白质质量 蛋白质序列标记 模拟酶解 翻译后修饰等 当今的潮流是利用生物信息学研究基因产物 蛋白质的性质并估计基因的功能 传统的基因组分析是利用一系列方法来得到连续的 DNA 序 列的信息 而蛋白质组连续系 proteomic cortigs 则源于多重相对分子质量和等电范围 由此来构建活细胞内全部蛋白质表达的图像 氨基酸序列与 其基因的 DNA 序列将被联系在一起 最终与蛋白质组联系在一起 从而允许人们研究不同条件下的细胞和组织 21 世纪生物物理领域的三大发现将扭转分子生物学乾坤世纪生物物理领域的三大发现将扭转分子生物学乾坤 湖北省荣军医院基础医学研究室 王汉成 武汉 在发展和危机并存的 21 世纪里 生命科学将成为自然科学的带头学科 人类基因组计划己进入后基因组时代 蛋白组计划 生物信息学计划 所有这些将构成 21 世纪生命科学研究的核心前沿和主流 生物信息学的成果将高度地拓展生命科学新的领域 它的发展速度之快确实令人瞩目 人类数千年来的梦想正随着生命科学发展而逐一实现 随着物理学世纪让位于生命科学世纪 世界将展现更多的奇迹 然而就在这时陆续出现了一 系列与分子生物学不协调的重大发现 表观遗传学的出现意味它与分子遗传学是相对应的概念 癌细胞的浸润性 转染性 各种病毒的转录与感染 蛋白质的时空问题 折叠问题 基因修饰等生物表观纵多的复杂性 使分子生物学大为震惊 这些 DNA 蛋白质的时空问题 都与量子力学基本原理相关 生物物理似乎成了解决众多疑难问题唯一的方向 这种趋势就尤如 20 世纪 化 学家和物理学家一样认真地研究原子 分子及组成它们的粒子 相对论 量子力学诞生了 它们对原子间的相互作用作了成功的解释 这时没有什 么方法再使化学和物理继续分离下去 原则上 所有这些规则最终都可以从量子力学上得到解释 所以理论化学实际就是物理 理论化学的最深刻 部分必定会归结到相对论和量子力学上来 现代生命科学的未来发展同样如此 基因结构化学揭示初期阶段也好 后基因组学 功能基因 DNA 物理 时空研究也好 必定会归结到 DNA 相对论和 DNA 量子力学上来 在基因物理时空概念上统一起来 基因是生物物理系统场论 也是物理学的统 一场 DNA 时空统一场论 19 世纪之交的三大发现 打破了人们的传统观念 冲击了原子不可分割的经典理论 在科学界乃至哲学界都产生了重大的影响 19 世纪之交 的三大发现也为分子生物学的发展指明了辩证唯物主义道路 分子生物学发展和危机并存的今天里出现了 癌 病毒 表观遗传学三大现象困扰时 期 这意味着分子生物己经发展走进了生物物理高能时期 列宁曾对 19 世纪物理学危机的情况作了精辟的分析 他指出 自然界中的一切界限 都是有条件的相对的 可变动的 它表示我们的智慧更接近于认识物质 现代物理是在临产中 它正在生产辩证唯物主义 19 世纪之交的这一 时期是物理学低能向高能发生大转折的时期 也是物理学史中非常重要的一个时期 21 世纪分子生物学上的三项伟大发现 同样也促进了生物物理 高能时期的大发展 DNA 相对论和 DNA 量子力学的诞生了 它们使生物物理学发展到了一个新的高峰 是分子生物学深入发展的必然趋势 现代 分子生物物理学同样在临产中 它正在生产辩证唯物主义 1 一大发现 癌是分子核裂变 一大发现 癌是分子核裂变 人类探索癌症已经历经一个多世纪的时间 但是癌症的致命威胁却依然如故 并突出地成为当今自然科学重大难题 尽管癌症问题牵动着千百 万人的心 科学家们也绞尽脑汁 设法揭露其症结所在 但长期以来并没有取得根本性突破 癌细胞核裂变现象会不会就是物理中铀核裂变现象在 生物中出现的相似的概念和原理呢 虽然这种想法过余大胆 但癌细胞核裂变的核质比 癌细胞染色体数的异常 癌细胞发育不全 不明原因的发 热与铀核裂变现象的原子核结构的液滴模型理论 铀核的裂变质量亏损 异常巨大的能量等等 有着不谋而合的惊人雷同 癌细胞核裂变决不是生 物枝节现象 它可能潜在着自然科学超大统一性基本规律 要了解癌症 从根本上治疗癌症 首先我们要对癌症有深刻的认识 癌症是人体中一部分生长 增殖和分化失去控制的细胞 癌细胞具有脱分 化 癌异质型性 DNA 蛋白质或量的增加 无限增殖性 浸润性 癌 DNA 蛋白质高螺旋化 甲基化 它失去接触抑制 对生长因子需求降低 细胞骨架紊乱 细胞表面和黏附性质改变等主要特征 癌细胞理化性质变化实际上就是宏观物质 质量 能量 时间 空间 量子力学 波与粒子 性 因果律乃至生命时空遗传现象的重大变化 时空观对物理学研究的重要意义甚至可以这样说 时空观的变革才是科学理论重大变革的基本标志 物理学研究的发展表明 科学理论的重大变革往往以时空观为突破口 并伴随新时空观的产生 从牛顿绝对时空观到爱因斯坦相对论时空观再到 DNA 相对论时空观的发展 一代代科学家正逐步摆脱着人类对于时间与空间性质的种种描述 摆脱着似是而非的先验绝对性时空观 癌物质变化 正在从生物分子细胞上揭开物理科学新一轮时空观革命 2 二大发现 病毒是生物 二大发现 病毒是生物 自由中子自由中子 病毒衰变现象的发现意味着病毒是生物自由 中子 衰变意味着不稳定的原子核在放射出粒子及能量后可变得较为稳定 这个过程称为衰变 这些粒子或能量 后者以电磁波方式射出 统称辐射 由不稳定原子核发射出来的辐射可以是 粒子 粒子 射线或中子 原子核由于放出 某种粒子而变为新核的现象 原子核是一个量子体系 核衰变是原子核自发产生的变化 它是一个量子跃迁过程 衰变从本质上说 是量子力学 现代分子生物学同样在临产中 它正在生产辩证唯物主义 恩格斯在谈到自然科学家复归到辩证思维的问题时曾指出 科学家到达辩证思维 可以走自发和自觉的不同 道路 他们 可以仅仅由于自然科学的发现本身所具有的力量而自然地实现 也可以 从历史地存在的形态中仔细研究辩证哲学 恩格斯认为 走前一条道路 是一个 比较长期 比较缓慢的过程 在这个过程中有大批多余的阻碍需要克服 而走后一条自觉学习辩证哲学的道路 则可以使这一过程 大大地缩短 如果理论自然科学家 愿意从历史地存在的形态中仔细研究辩证哲学 那么这一过程就可以大大地缩短 然而 历史的发展往往不像人们设想的那样顺利和简单 历史有它自己的步伐 不管 它的进程归根到底是多么辩证的 辩证法往往还是要等待历史很久 恩格斯 自然辩证法 表观遗传学的发展来自于肿瘤学研究的快速发展 现代分子生物学的快 速发展应该上升到哲学 自然辩证法上来统一认识生物物理问题 这一过程完全依赖于人类自己 隧道效应的一个过程 与 衰变不同 它由强相互作用支配 因此衰变意味着自由中子的 衰变 病毒衰变现象的发现意味着病毒生物自由 中子 的 放射性衰变 病毒生物自由 中子 的发现打开了通向分子核 细胞核 大门的深刻意义 病毒生物自由 中子 衰变 这个理论同样是描述生物中所有通过 电磁相互作用发生的过程 它的发现有力支持了基因物理学标准场理论模型三大支柱 DNA 相对论 DNA 量子力学 DNA 统一场论 打开了通向 分子核物理学的道路 打破了传统的分子生物学观点 分子生物学认为细胞核是细胞的控制中心 在细胞的代谢 生长 分化中起着重要作用 是 遗传物质的主要存在部位 尽管细胞核的形状有多种多样 但是它的基本结构却大致相同 即主要是由核膜 染色质 核仁和核骨架构成 从细胞 核的结构可以看出 细胞核中最重要的结构是染色质 染色质的组成成分是蛋白质分子和 DNA 分子 而 DNA 分子又是主要遗传物质 当遗传物 质向后代传递时 必须在核中进行复制 所以 细胞核是遗传物储存和复制的场所 细胞核在控制细胞的遗传性和细胞代谢活动方面起着重要作用 然而现在病毒生物自由 中子 衰变 这个理论却描述的是生物中电磁场相互作用发生的过程 它完全改变了基因化学结构研究模式 生命科学与 化学有着密不可分的联系 现代生命科学就是用化学来解释生命 然而 仅仅知道一种物质的化学成分是远远不够的 结构才是其功能的基础 功 能结构 功能基因 物理时空研究才是物质的最高科学 现在的分子生物学更多的还是处于描述性科学的阶段 它局限于叙述生命运动的现象和 事实 没有上升到理论指导实践的阶段 它现在还不是一个完备的科学 它在解释一些根本的问题上 仅仅依靠描述现象来解释 是违背科学的方 法的 所以生物学有待运用物理学基本原理来解释生命的现象和本质 进而成为一门精确而系统的科学 3 三大发现 表观遗传学其实就是生物量子力学 三大发现 表观遗传学其实就是生物量子力学 结构基因的遗传学是分子遗传学 功能基因的分子遗传学是表观遗传学 DNA 相对论则完全容纳了 表观遗传学修饰 与分子生物学 序列 决定论 等因素 内外环境因素的相互作用 相对性遗传学观点 DNA 二级结构遗传学 DNA 量子力学 是现今医学以及生物学所迫切需要发展的一门学科 它的发现与发展除推动分子生物学深入发展外 本身就从研究大分子空间相互作用的形式入手 而深入以 DNA 上专一性氢电子的运动来解释核酸的遗传与复制等问题 因此 DNA 二级结构遗传 学所研究的问题 实质上也正是分子生物 医学所面临需要解决的问题 它的建立同样使得量子生物学能深入到生命的本质中去 通过对 DNA 二 级结构遗传学分子特性以及特异遗传学等分子水平的变化 而逐步涉及到 DNA 构象变化时内部量子的变化 使我们更深一步认识到 DNA 二级结 构遗传学肩负着分子生物学以及量子生物学的双重任务 起着分子水平向量子水平过渡的任务 DNA 蛋白质中任何一种极性分子组成 性质变化都能改变诱导作用力 改变氢键电子云的重叠而改变氢键能的激发与蓄存量 功能基因信 息量 功能基因信息表现在 DNA 蛋白质中的特异遗传学 DNA 二级结构遗传学其特异性信息表现有两大部分 因 DNA 蛋白质内部氢键电子 的激发作用 改变了它们之间的相互作用关系 是以量子作用形式改变和遗传了 DNA 蛋白质的时空特征 在量子生物学中利用量子方式来研究 DNA 蛋白质中的量子变化 因此我们把它们称为量子遗传学 因 DNA 蛋白质内部氢键电子的激发作用遗传到分子 由于名级分子内部的量子 遗传改变 影响到其分子表面电荷特性改变 各种自身分子形态发生了变化 以及相互之间诱导力的分子形态变化 时空变化等分子中的变化 我 们把它们称为分子特异性遗传学 表观遗传学 实际上应该总称为 DNA 二级结构遗传学 基因表观遗传修饰究竟意味着什么呢 现代肿瘤分子生物学研究的焦点也指出 真核生物的 DNA 蛋白质中甲基化水平与细胞癌变密切相关 DNA 异常甲基化可引起染色体结构 DNA 构型 DNA 稳定性及蛋白质因子相互作用方式的改变 都可引起染色体结构 DNA 构象改变 DNA 时 空遗传学也己经告诉我们 表观遗传学实际上是 DNA 二级结构遗传学在 DNA 蛋白质分子中的特异性遗传学 它们的时空变化以及相互之间诱导 力的分子形态变化 影响和改变了分子表面电荷特性以及分子形态变化 所产生的电荷修饰在 DNA 蛋白质中则表现为甲基化 乙酰化等修饰 因此基因表观遗传修饰实际上是 DNA 蛋白质空间结构以及时间表达特性的变化 表观遗传学补充了基因 中心法则 忽略的两个问题 即哪些因素 决定了基因的正常转录和翻译以及核酸并不是存储遗传信息的唯一载体 决定表观遗传学过程的主要因素为 DNA 修饰 组蛋白修饰以及非编码 RNA 调控 这三个因素的相互关系以及它们如何共同来调节染色质结构还有待进一步的研究 对表观遗传中各种因子的突变导致的疾病的检验与 研究将有助我们更了解表观遗传学机制 并以此为突破口挑战经典的 DNA 一级结构决定论 可以说 表观遗传学的出现将把传统的分子生物学研 究引入到 DNA 时空遗传学领域中去发展 根据现代生物物理理论哲学研究 DNA 时空遗传学的发展将带来一场自然科学 量子力学一样 的革命 使分子生物学大为震惊的还有 21 世纪之交的分子生物学时期 同样出现了 19 世纪末所谓的 物理学危机 其实 生物学危机 是人们认识 上出现了问题 而不是分子生物学本身的问题 生物学危机并没有吓倒大多数科学家 他们勇敢地探索着 从而产生了以生物高能物理和以 DN