從基因組到蛋白質組的演變

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說明：本資料適用于約定雙方經過談判，協商而共同承認，共同遵守的責任與義務，僅供參考，文檔可直接下載或修改，不需要的部分可直接刪除，使用時請詳細閱讀內容從基因組到蛋白質組唐建國主持人：追求進步，學術傾聽，世紀大講堂向您問候。早在1986年的時候，美國科學家杜博克曾經在Science（科學）雜志上發(fā)表短文，提出了繼阿波羅登月計劃和曼哈頓計劃之后的第三大計劃，也就是人類基因組計劃。到了1994年的時候，澳洲的兩位大學教授又提出蛋白質組的研究。今天主持人阿憶給大家請來了一位嘉賓，做我們世紀大講堂的客人，他是來自北京大學生命科學學院的大教授叫唐建國，讓他給我們談談“從基因組到蛋白質組”。好，有請?zhí)平淌谏蠄觥：?，請坐。唐教授咱們先說說家常話，我是對學科學的人非常好奇，我總是覺得一個人選擇一個科學學科的時候，一定是他在選擇這個職業(yè)的時候，曾經受過某位光輝的科學明星的感召。比如說我當年曾經想學數學，是因為我非常喜歡陳景潤。您是當年知道某位大生物學家……唐建國：跟你一樣主持人：那您聽說他是誰？唐建國：我記得是徐遲寫得“哥德巴赫猜想”。主持人：那您應該上數學系呀。唐建國：我上數學系但是我最終沒有選擇，最后我是從四川重慶上的大學，高中畢業(yè)上的大學。當時我是看到了在吉林大學有一個化學家叫做唐傲慶。所以說，我最初沒有任何人給我指點，因為我的父母層次都沒有這么高，所以說我最后選擇了吉林大學化學系，但是我對生物又有一點感興趣。雖然當時我們上高中的時候還沒有生物課，所以說我最后填的是吉林大學化學系的生化專業(yè)。那么我們這個專業(yè)，實際上基本的一些課程都是跟化學系的同學一塊上的，最后兩年是我們生物化學的專業(yè)課，大概這樣。總共比其他學生都多了一年，大概我算是虧了一年。主持人：那是85年畢業(yè)的，是吧？唐建國：85年。主持人：85年畢業(yè)怎么辦呢？是選擇了一個科學院的化學所還是接著深造？唐建國：當時面臨著一個選擇，我在大學的時候我選擇生化專業(yè)，我當時就在想，我希望今后做蛋白質方面的工作，并且我還希望做，跟醫(yī)有關系的這樣的蛋白方面工作，因為很多疾病都是跟蛋白質相聯系的，所以最初呢我是選擇了我們國家著名的生物化學家鄒承魯教授作為我的研究生的導師。主持人：我發(fā)現科學家有兩類，有一類是黃牛式科學家，他基本是低頭拉車不看左右。還有一類科學家是明星式的科學家，有可能是燈塔人物，比如說愛因斯坦，比如說咱們國家的，類似于李四光等等這樣的人物。我那么想象，假如你是受一個大科學家的啟迪，然后選擇了一門學科的話，當你真正從事這個學科研究的時候，會不會心里也有一種苗頭，說我要能做一個明星科學家就好了？既有研究又很風光，到哪個地方，人都認識，找你簽名。唐建國：我覺得這個倒不一定，我想人與人不一樣，這個我想人與人不一樣。作為我個人來說，我覺得，我如果說能夠在自己的工作當中做出一些感興趣的結果，那么這些結果能夠在我們學科范圍內，能夠跟大家進行討論，得到同行們的認可，我覺得，這就是自己的成就，那么當然在這個工作當中，也可以培養(yǎng)許多年輕的研究生們。我覺得對咱們國家來說，不管怎么說這是一個貢獻。主持人：明星科學家不好嗎？因為你成了明星科學家，很多下一代的孩子，看到了有一位教授叫唐建國，于是他們在選擇高考方向的時候，也選擇了蛋白質研究，不好?。刻平▏簩嶋H上我覺得一些有名望的科學家倒不一定是屬于一定要拋頭露面，這樣的人物，我覺得大科學家不一定，一定要吹噓我是大科學家。那么大科學家得需要相關專業(yè)的人士，來認為你是大科學家，你才是，不是說你自己吹噓自己是，就是。我想是這樣。主持人：哎呀，真是可惜。像楊振寧、李政道他們除了從科學方面掙了好多錢以外，人家每一場講演還掙了好多美元呢！咱們言歸正傳，下面就請?zhí)平▏蠋?，給咱們帶來精彩的學術報告，報告的名字是“從基因組到蛋白質組”。好，歡迎。唐建國：這個報告我想得是這樣，基因組現在大家是非常的熱門，我想在坐有學生物學的，當然也有非生物學的同學。在這個講座里面我覺得我需要把基因組、蛋白質組、基因、蛋白質這些要給大家交代清楚，這樣來說大家才可能對，從為什么現在我們這個學科已經，就是說我們生物學或者醫(yī)學現在發(fā)展的前沿，我們可以看到是從基因組的研究，我們可以逐漸過渡到蛋白質組學的研究?；騺碚f大家知道是遺傳物質，那么我們現在來說，基本上把它看成，簡單一點來說，把它看成DNA脫氧核糖核酸，在一些微生物里面也可以是RNA或者是核糖核酸，它們作為生物的遺傳物質。這個DNA，我們現在簡單的就說DNA，它的組成，實際上來說是非常簡單的?；旧衔覀冞@樣說主要由四種核苷酸來組成，那么這四種核苷酸，通過它們一個一個這樣連接起來就成一個核苷酸的鏈，那么這個核苷酸的鏈很大之后，就可以作為攜帶遺傳信息的分子。它為什么可以作為遺傳分子？它具有兩條鏈，雙螺旋兩條鏈，每條鏈就是我跟大家說的由四種核苷酸這樣相互連接起來的。那么這兩條鏈有什么作用呢？那么在我們遺傳信息的復制過程當中，我們個體，一個細胞可以變成兩個，兩個變成四個，那么下面的細胞的DNA遺傳物質，跟我們上一代的DNA遺傳物質應該是一樣的，就是靠我們兩條鏈把它分裂成一條鏈同時，在這一條鏈上又再合成另外一條鏈，那么從一個雙螺旋的DNA分子到下一代分離的時候，它一個DNA分子變成兩個DNA分子，那么就在子細胞當中，分裂成兩個子細胞當中各含有一個，這樣來說，我們一個DNA分子，在子代當中變成兩個DNA分子，各個子代來說都含有一個，這樣就可以把我們的遺傳信息傳下去°DNA分子來說從結構是非常簡單的。那么DNA結構這么簡單，以至于在過去的十幾年或者接近二十年，以至于我們發(fā)展出了分子克隆的技術，或者要從產業(yè)化來說，大家知道基因工程的技術，那么就是可以把這個基因，把它拿出來進行操作，我們知道它的序列，可以讓基因生產出一些我們所感興趣的產品來。我要再談一下蛋白是怎么回事，我這兒談的蛋白跟大家在日常生活當中的，從食物里面得到的這些蛋白是有區(qū)別的。我所談的是功能蛋白。那么大家從食物里面攝取是從食物里面得到的蛋白是屬于營養(yǎng)的物質，那么我們生物體內的蛋白我們談的主要是一些具有生物學功能的這樣的分子。那么蛋白是由什么組成的呢？蛋白是由二十種氨基酸，通過共價鍵相互這樣的連接來組成的。那么我們剛才談到，核酸是由四種核苷酸來組成，那么我們蛋白質由二十種氨基酸來組成。那么從復雜度來說，蛋白質的復雜度要比核酸的復雜度要大得多。也就是說它的功能可以形成出非常非常，非常多的功能。比如說我們人需要呼吸，那么我們吸進去是氧氣，氧氣到了肺里面，它是由什么樣的分子來把它帶到組織里面去。那么它是由一種叫做血紅蛋白，它可以把這個氧氣帶到組織里面，把這個可以交給肌肉組織里面的肌紅蛋白，這些蛋白是屬于運輸蛋白，就是運輸一個氧分子就需要一個蛋白質。到肌肉里面再把二氧化碳，我們氧化之后得到的二氧化碳要呼出，要從肌肉組織里面要把這些二氧化碳再呼出來，通過血液當中的血紅蛋白再把它帶到肺泡里面，然后再呼出，這些都涉及到蛋白，那么這個我們把它看成運輸的蛋白。那么從生理調節(jié)上來說也是，那比如說我們知道的糖尿病，糖尿病跟什么有關系呢？跟胰島素有關系。胰島素是作為一種激素分子，它本質也是蛋白質，那么它可以通過與細胞受體的結合，然后影響下面的信號傳導，提高一些酶，這里又提到酶，酶就是蛋白。提高一些酶的活性來改變我們生物的生理代謝的過程。這些過程包括我們剛才講的基因，基因要復制，一個分子變成兩個，它需要酶的幫助，這種酶也是蛋白質，DNA復制酶也是蛋白質，信息的傳遞還需要一些酶。那么信息為什么要開始進行表達，從遺傳物質表達到后面我們要講的蛋白質呢？這里面也有蛋白質，我們把它叫做轉錄因子，很多很多轉錄因子作為蛋白質的加入來調節(jié)表達的水平。那么大家可以看到蛋白質實際上是非常非常，非常重要的。作為研究來說，我們現在就回到基因組上面來，基因組研究的條件是非常成熟了。我想談一點就是，在基因到蛋白質這兩個分子的關系上來說的話，這個也是在接近50年前，人們科學家已經達到了這樣的規(guī)律，基因是由四個核苷酸這樣來組成的，蛋白質是由二十種氨基酸來組成的，它們兩者之間是什么關系？我們說基因是遺傳物質，是我們生物體的遺傳物質，在每一個細胞當中，這個基因這個遺傳物質可以說都是一樣的，同一個個體，不同的組織，不同的狀況，它的基因的水平是一樣的。那么它的蛋白的水平可以是不一樣的，那么你肌肉細胞所表達的蛋白，跟你肝細胞所表達的蛋白是不一樣的。但是基因，肌肉細胞里面的DNA，跟肝臟組織細胞來的DNA，作為同一個個體來說，是一樣的，那么也就是說基因作為遺傳物質它是恒定的，蛋白質，我們把它叫做“功能分子”，它可以是有變化的，這種變化是在基因表達過程有一定的變化，各種的組織不同的需要，可以表達出不同的蛋白分子來，來完成我們正常的生理功能。那么從DNA到蛋白質我們有一個規(guī)律，我們把它叫做“分子生物學的中心法則”。也就是說，我們知道DNA的序列之后，它是三個核苷酸是一個密碼子，那么這一個密碼子是干什么用的？它是對應著蛋白質當中的一個氨基酸。我們二十種氨基酸都有至少一種密碼子，在DNA水平上至少一種密碼子。那么一個密碼子對應一個氨基酸，第二個密碼子對應第二個氨基酸，第三個密碼子對應第三個氨基酸。這樣通過DNA這樣的遺傳信息，就可以把它轉化到，在我們蛋白質上面組成的氨基酸的序列，就可以各有不同，不同的遺傳信息就可以代表出不同的蛋白質的分子，不同的基因就可以表述出不同的蛋白，這個基因可能表達出來胰島素分子，那個基因可能表達出來生長激素蛋白分子，這個基因可能表達出來一個胰蛋白酶分子。是這樣的。那么基因跟蛋白是這樣的關系。我們知道了基因就可以知道蛋白的序列，那么知道蛋白的序列也就是氨基酸系列，我們也可以反推到DNA上面，它的一些序列就是DNA到蛋白質有這樣的關系。那么我們今天談“從基因組到蛋白質組”就需要把這種關系很好的了解，聯系起來。那么蛋白質組是什么樣的一種概念呢？蛋白質組是某一個細胞或者某一個組織當中所有表達出來的蛋白質這樣一種概念，所有表達出來的蛋白質這樣的一個集合。那么這個蛋白質組因不同的細胞而異，不同的細胞它的蛋白質組是不一樣的，但是同一個個體不同的細胞它的基因組是一樣的。那么我們人類現在有30億個堿基，核苷酸這樣序列的基因組。那么按照能夠編碼出來蛋白質這樣的序列，我們現在估計是3萬到4萬個可以編碼出來，也就是說，可以編碼出來3萬到4萬個蛋白質分子。那么這個蛋白質分子3萬到4萬是不是在每個細胞都存在呢？不是。那么這些蛋白質分子因不同的細胞的需求而表達，在某一個細胞里面這個蛋白或者這一堆蛋白，這一序列的蛋白表達得很高，在另外一個細胞，另外一些基因表達出來的蛋白，這些蛋白表達的很高。那么在一個組織里面，它可以是蛋白質的表達水平可以是不一樣的。也許一個組織只表達幾千個蛋白質分子，與我們總的3萬個蛋白質差的很遠的。那么表達這么多就足夠這個細胞完成它的功能，那么表達這樣，實際上也體現了不同的細胞它的功能，肌肉細胞表達的蛋白質跟你肝細胞，胰腺組織細胞表達的蛋白質會有很大的差別，但是這些組織的基因都是一樣的，只不過它表達的時間、方式，或者表達不表達這上面有差異。那么蛋白質組實際上是要做這些工作，了解這些蛋白的差異，而這些蛋白的差異有什么樣的作用呢？我們現在了解的人類基因組計劃這些序列，我們知道有3萬、4萬可能表達出這樣的蛋白來，那么這些基因誰是誰，誰能表達出哪個蛋白來，絕大部分我們都不知道，這個不可能從基因的序列上，我們知道它的功能。也就是說基因組的計劃我們了解了這些基因的序列，這僅僅是我們人類基因組上，所謂大科學的萬里長征的第一小步，實際上后面還有很多很多工作，這個工作實際上很大的工作量是局限在蛋白質組上面。所以說，后面的任務是非常艱巨的。那么在我們作蛋白質組的過程當中，實際上存在很大的研究價值，這個研究價值是什么呢？比如說，我們一個組織在正常的情況下，它可以表現出來比如說，五千個蛋白點在上面，五千個地圖上面有一個標志在上面。那么在非正常的時候，這些蛋白點它可能會有一些變化，比如說我們剛才談到的某些酶，在代謝過程當中某一個酶，這是蛋白質，如果它的量增加，可能會導致這樣的病理狀態(tài)。那么我們就看這個蛋白質組上面每一個是什么樣的變化，如果這個變化很強的這個蛋白點，我們把它拿出來是跟這個疾病非常有關，我們就可以找到它的序列，拿出來研究它的結構，找到它的序列。然后再反到基因組里面去，找到它的基因，那么把它的基因拿出來，我們就可以很好的研究這個基因的表達調控，就是說我們不要它病理狀況，我們能不能讓它的基因不表達或者少表達，使這個蛋白的量少一點。那么這樣就可能產生一些應用價值。再比如說我們在一個圖上，有一個蛋白正常情況下有，病變的時候它沒有了，那么這個就很可能就是說，它在這里面起了很關鍵的作用。那么我們能不能在正常情況下，把這個基因拿出來，通過這個蛋白把基因拿出來，然后我們可以通過現在的生物工程，我們比如說，通過基因工程技術生產這樣的蛋白，把這個病人他缺這個蛋白，我們給他注射進去這個蛋白，來治療他這樣的病狀。那么這里面就談到，在蛋白質組里面，實際上是要幫助基因組的解析，每個基因是什么樣的功能，最后可以得到什么呢？對很多基因可能有非常大的商業(yè)價值。大家知道現在我們市場上已經有很多的重組蛋白，包括剛才談到胰島素，生長激素，GMSF，粒細胞刺激因子這些，白細胞介素，干擾素這些都是屬于重組蛋白，它具有一定的生物學功能，是可以對于很多疾病，來進行治療的。這些都是屬于我們基因組計劃今后可能帶來的一些巨大的經濟效益或者社會效益。從研究的方面去考慮，可以使得我們很多的蛋白這樣的功能分子的結構有功能研究，加快它們的解析的進程。我覺得從基因組到蛋白質組這是一個過程，我覺得，我們國家反而我覺得在這方面可能大家不一定太熟悉，因為什么呢？我們國家雖然僅僅只有幾個局限的實驗室在開展這樣的工作，我們國家比如說國家的基礎重大研究項目也沒有蛋白質組，但是基因組是在這里面，但是沒有蛋白質組。這一點我個人認為需要領導或者一些專家們更多的思考這個問題，否則今后在我們國家蛋白質組學上面可能會比基因組還要落后。我大概講這些。主持人：好，謝謝您。下面咱們看一下來自鳳凰網站的網友，對您的提問。第一位網友他名字叫“病入膏肓”。他的問題是：據我理解基因圖譜繪制成功，一切疾病秘密便在人類視線前暴露無遺，我們醫(yī)生可以按圖索驥的方式，對因下藥。原來是對病下藥，他是對基因的因。對因下藥，包治百病，這下我就可有救了，我才34歲了，便患了謝頂、頭暈，不是陽萎便是早泄等等一系列不治之癥，我還可以治理一下我的啤酒肚和我的近視眼。現在又有了蛋白質組的研究，總之我覺得新世紀充滿了曙光。唐建國：我剛才談到基因組的研究取得現在的成績，僅僅是萬里長征的一小步。所以說我覺得公眾們對這個問題要客觀一點看，我認為不是說那么樂觀，要真的像，要把每一個基因是做什么的，它的功能是什么樣解析清楚，那絕對不是一、二十年，我認為不是一、二十年能夠拿得下來的。那么在這個里面，作為這些功能分子蛋白質，實際上也不那么簡單，除了我剛才說得好象很復雜的因素之外，實際上這些蛋白質還有一些化學修飾，有的蛋白質合成出來它不是說馬上有功能的，它合成出來比如說以前體的方式保存著，當你機體需要的時候，它再激活來使用。那么有的蛋白質它可以受一個磷酸基團，一個無機的磷，這么一個磷酸基團。它如果共價結合到一個蛋白質某一個位點上去，它就改變它的活性，它可以作為開關一樣，讓這個蛋白有活性，或者說讓這個蛋白沒有活性，這樣就可以改變這個生物體的功能。所以說基因組的解析成功不要給大家這樣一種錯覺，好象生物學的問題解決了，實際上僅僅是那么一小步。我覺得這樣可能比較客觀一點。主持人：那么我怎么告訴他呢？我告訴他唐教授說了，基因組研究完了以后蛋白質組研究，蛋白質組研究完了以后，還要研究到糖，您的謝頂、頭暈，和那些男人們不好啟齒的病才能得到治療。唐建國：因為這個東西，我認為是非常復雜的這樣一些問題。有的比如說比較簡單的，通過某一個藥物就可以解決。像剛才談到的這么多病狀，我想不是一種基因，兩種基因的問題，可能是很多基因組合在里面地方。主持人：那我干脆告訴他沒救了。唐建國：不能這樣說呀。我覺得我們人類是在一步一步往前走的，往前發(fā)展的。比如說我們現在生活條件，或者說護理這些條件已經有非常大的改進，我們的壽命已經在延長了。我覺得這就是進步，這種進步得益于我們的研究，我們醫(yī)學、生物學的發(fā)展。我們基因組僅僅是在前面打了一個頭，那么后面實際上還有很多很多的工作需要開展，需要做，否則的話，也許這些生物學家可能就該失業(yè)了。主持人：下面哪位現場觀眾有問題可以舉手示意我？觀眾：唐教授您好，尿毒癥是現在常見的一種需要進行器官移植的疾病，而它的花費是非常大的。隨著分子生物學以及基因工程的發(fā)展，我們是不是可以預計在不久的將來，可以通過克隆一個腎，或者是通過轉基因動物身上取下/