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苦行僧的博客  
本人出身贫寒,学识浅薄。常有异想,设此博客与大家分享,欢迎批评指正。  
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老虎机和分子生物学(16)退出噬菌体研究 2019-04-20 17:37:21

      在我准备将Luria的工作介绍给华人社会的生物学爱好者时,我曾试图向一位居住在我们莱克星屯已达四十多年、从哈佛大学获得物理学学士学位后改学文学,专门从事科学写作、同为犹太人的朋友Bob询问有关Luria在莱克星屯生活事迹,希望能在介绍一位科学家的事迹时增加一点佐剂。

      Bob告诉我,他曾经为Luria一手创立的麻省理工学院(MIT)癌症研究中心工作,写过很多早期有关分子生物学的报道,知道Luria积极参与了以Linus Paulin组织的反对美国政府继续进行核武器试验和反对美国政府在越南进行的战争的活动。正是因为这些活动,Luria在1969年因为噬菌体方面的开创性研究而获得了诺贝尔生理医学奖并接到尼克松(Richard Nixon)总统贺电后的第三天,就被尼克松政府列入了黑名单,让他失去美国健康研究所的研究经费资助。但Bob并没有意识到Luria也曾经生活在我们这一个仅有三万人口的小镇。

      其实朋友Bob不知道Luria和他家住在同一个小镇是情有可原的。虽然在1947年正式归化为一名美国公民后,Luria"决定充分利用在自己的祖国意大利没有享受到、而美国宪法赋予的正常的公民民主权力,积极参政议政",并热衷于追求社会公平正义,但他本身是一位不爱热闹、社交上较为孤立的人。与Luria家来往较多的基本上是通过妻子Zella Luria(Tufts University著名的性心理学教授)结识的朋友。不象Delbrück那样经常把学生或志同道合的人聚集在一起参加各种沙龙或郊游之类的活动,Luria倾向于与同事间他们保持一定的距离,即使是同他的学生之间。在1948年左右,James Watson选择加入Luria实验室从事自己的博士学位研究时,很多学生认为Luria是一个"性情古怪"的人,很怕他。当时Luria手下只有Reneto Dulbecco(与David Baltimore和Howard Temin分享1975年诺贝尔生理医学奖)一个人和他合作研究。也许正是这种"古怪"的性格加上他独特的研究方向才能吸引住性情同样"古怪的"的科学天才James Watson。

      这样一位科学"怪人"思考科学问题的方式当然也会与众不同。在评价自己在科学上的成就时,他认为除了那个受老虎机游戏启发而解决的有关细菌基因突变和自然选择的Luria-Delbrück实验外,他的其他发现都不值一提,因为如果他没有发现,一定很快会有其他的人发现。即使是James Watson和Francis Crick发现的DNA双螺旋结构这种影响重大的发现也属于后面一类。因为如果不是由于麦卡锡主义的影响,美国政府没收了Linus Paulin护照,让他赴英国学术访问的行程泡汤,率先提出DNA双螺旋结构的可能是化学基础比James Watson和Francis Crick强很多、并因创造性的提出了蛋白质的α螺旋结构(α-helix )而并激发Watson研究DNA结构热情的Paulin。给予一定时间,已经拿到了DNA的高清晰度X射性衍射图片,并将它与Watson和Crick无私地分享的Maurice Hugh Frederick Wilkins和Rosalind Elsie Franklin也有可能解开DNA结构之谜。

      正是由于Luria执着于思考人类面临的大问题,在为分子生物学的研究解决了研究材料和方法,在解决了生命最基本的单位——病毒——的基因遗传和变异的谜思,在为基因工程的发展奠定了理论基础后,这一领域修修补补的工作已经无法激发他的热情。在被他们吸引进来的大量天才的科学家试图用生物化学、生物物理或遗传学的手段去研究基因的属性时,同Delbrück一样,Luria选择在自己开创的噬菌体研究进入它的黄金发展阶段时退出了这一领域。

      在1959年加入MIT后,Luria基本放弃了噬菌体的研究,转而去研究另外一个冷辟的领域—--一种名为colicin的膜蛋白——的研究,并发现colicin通过在细菌的膜上形成孔状结构,导致细菌因离子流失而死亡。

      在MIT工作的时期,Luria也找到了管理工作中的乐趣。Luria从1959年开始担任微生物系主任。1972年开始为没有医学院的MIT筹建癌症研究中心,并成功地将麻省理工学院癌症研究中心建设成为名负其实的世界分子生物学研究的中心。

      也许正是由于他"古怪"的性格,Luria对在攻读博士学位期间"不屑于浪费自己的时间去听某位著名教授的课"的David Baltimore关爱有加,并在1968年将他招入MlT微生物系担任副教授。1972年,在Luria领衔组建麻省理工学院癌症研究中心时,他又将David Baltimore招募到自己麾下,与Phillip Allen Sharp组成麻省理工学院癌症研究中心的三架马车。在Luria的带领下,麻省理工学院癌症研究中心的学者们在科学研究上取得了很多令人瞩目的成就。其中David Baltimore不仅因发现逆转录酶获得1975年诺贝尔生理医学奖,他在病毒学、癌症研究、免疫学研究等很多方面都有巨大的影响。Susumu Tonegawa因发现了抗体多样性的遗传机理获得1987年诺贝尔生理医学奖。Phillip Allen Sharp发现了基因的内含子及其剪切机理而获得了1993年诺贝尔生理医学奖。Howard Robert Horvitz以绣丽线虫(Caenorhabditis elegans)为模式动物在动物发育研究中取得众多突出的成就而获得2002年诺贝尔生理医学奖。麻省理工学院癌症研究中心的学者们取得的这些成就足以让Luria觉得:自己在管理上面的付出得到的回报太丰硕了。

      值得一提的是,Howard Robert Horvitz在MIT读大学期间学习的是数学专业,在哈佛大学攻读博士学位时在James Watson的指导下研究了T4噬菌体诱导的对大肠杆菌的RNA聚合酶(RNA polymerase)修饰,在英国剑桥大学从事博士后研究时开始研究绣丽线虫中不同细胞的命运。1978年,被Luria招募到麻省理工学院癌症研究中心后,Horvitz继续以绣丽线虫为研究对象,在研究细胞程序性死亡(apoptosis)方面取得了很多开创性的成果。

      有的人喜欢一辈子做一件事并将它做到极致,有的人热爱不停地去尝试不同的新事物、接受不同的挑战;有的人热爱追逐时尚,有的人特立独行地去引领潮流;有的人喜欢热闹,有的人偏爱独处……。

      Luria就是一位安静、爱独处却引领科学潮流的大师。Luria在为分子生物学的发展这幅点画上描出了几个重要的点之后,将细节留给了后来者。参与填补这些细节(或空白)的人都成为了该领域的专家,而从他的身上学到精髓后另辟蹊径的则会成为一个全新领域的开拓者。不管怎样,有机会从这样一位大师学习是一种福气。如果你的导师既无法给你指点一个全新的方向,又不愿或不能留下一点空白让你去描画,也许你该开始另谋出路了。



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老虎机和分子生物学(12) 病毒遗传学 2019-03-31 19:31:27

      细菌是有基因的,也可以产生突变,而这些突变不需要环境因子的诱导就可以自然产生。当在它们的培养基中施加某种不利它们生长的环境因子(如可以感染并导致细菌裂解的噬菌体或某种抗生素)时,只有那些能抵抗该环境因子压力的变异(如抗病毒感染的细菌菌株)才能被被选择存活下来,这是1943年发表的著名的Luria-Delbrück实验的主要结论。

      伴随这一结论的是大量的生物学家开始关注这种称为大肠杆菌(E. coli)的不起眼的微生物及其变异的机理,从而催生了细菌遗传学的兴起。Luria也受邀亲自与冷泉港的Eugene F. Oakberg合作于1947年在《Genetics》期刊上发表了题为"金黄色葡萄球菌对磺胺类药物抗性的突变"一文,证实当时在临床上发现的一些对磺胺类药物有抗性的金黄色葡萄球菌(Staphyloccus Aureus)是由基因突变引起的,这些发现直接影响了药物的开发和临床上对抗生素药物的使用方式。今天,如果我们不立即采取行动,对抗生素药物作出更严格的使用规范,以抗性细菌产生的速度(每10^8个细菌就可能产生一个对噬菌体感染产生抗性的变异个体),受到违害的将是全人类。

      在研究这些抗噬菌体感染的变异大肠菌菌株时,Luria又在思考另外一个问题:噬菌体自身的基因产生变异的可能性,虽然当时还没有人知道这种长得象"精子"、只有利用电子显微镜才能观察到的亚细胞结构是否有基因。

       与研究细菌的变异不一样的是,离开了其寄生的宿主细菌,噬菌体本身并不会生长,无法进行单独培养。噬菌体感染细菌后,需要先经历一个潜伏期,从一个裂解的细菌里面释放的噬菌体数目可能多达一百多个。噬菌体的体积更小,只有在电子显微镜才能观察到。虽然此前Luria在和Delbrück合作发现两种不同的噬菌体之间存在互不相容的现象,但生物学家们对这种微小的细菌病毒的了解甚少。这些局限性让研究噬菌体变异比研究细菌变异的难度更大。

      为了更好地研究噬菌体变异,更加方便地研究和记录其实验结果,Luria于1945年在《Genetics》期刊上发表的"细菌病毒的突变改变了它们的宿主范围"一文,首先创造了一套系统的方法来命名实验中使用的细菌和噬菌体的变异菌株。

      Luria在该文中用希腊字母B代表大肠杆菌,两种可以感染大肠杆菌并产生形态和大小不同的噬菌斑的噬菌体分别用拉丁文的α和γ代表。将用α和γ噬菌体感染大肠杆菌B后,二次生长并筛选出来的抗α和γ噬菌体的大肠杆菌菌株分别命名为Bα或Bγ。如果在抗α和γ噬菌体的大肠杆菌菌株Bα或Bγ有形态或生长状况不一样的菌株,则用阿拉伯数字表示,如Bα1,Bα2…,或Bγ1,Bγ2…。

      利用抗α噬菌体的大肠杆菌菌株Bα与大数量的α噬菌体一起培养,Luria筛选出其中一种新的噬菌体并命名为α‘。α’噬菌体既可以感染和裂解对α噬菌体敏感的大肠杆菌菌株B,也可以感染和裂解抗α噬菌体的大肠杆菌菌株Bα。同样地,Luria又从抗γ噬菌体的大肠杆菌菌株Bγ和γ噬菌体的培养中筛选出另一种新的噬菌体并命名为γ‘。γ’噬菌体可以感染和裂解大肠杆菌菌株B和Bγ。

      利用1943年Luria-Delbrück实验中建立起来的波动测试的原理,Luria证明了这两种新的噬菌体α’和γ’分别是由α和γ噬菌体自身的基因变异产生的,这种变异直接改变了噬菌体对其寄生对象的选择。而且这种野生型的α和γ噬菌体与突变型的α’和γ’噬菌体在感染同一种大肠杆菌菌株时,存在着互不相容的现象。

      Luria单独完成的这篇文章可以称得上是病毒遗传学的开山之作,它为以后研究病毒的遗传机理的研究指明了方向。

      首先,Luria在这篇论文里建立了一套系统的方法来分类和研究不同的噬菌体,论述非常清楚明了,逻辑推理非常严密,这为后来者研究病毒遗传学提供了一个可供参考的样板。

       其次,他证明了即使是这种小得只有通过电子显微镜才能观察到的亚细胞结构也有自己的基因,而且噬菌体的基因也会象细菌的基因一样发生变异。虽然病毒有自己的基因这一概念对现代人来说已经是一种常识,但在一个"基因是一种分子"的概念刚刚被提出不久且人们还不知道基因这种分子到底是蛋白质还是核酸的年代,在一个人们认为病毒可能是"生物界的原子"的年代,提出病毒自身也有基因,它控制着病毒某些性状方面的表现,这在概念上就是一个很重大的突破。

      另外,由噬菌体自身的某个基因的变异就可以改变该噬菌体识别其寄生的对象立即就可以演生出很多的问题。如这个调节噬菌体识别寄生对象的基因的作用机理是什么?除了这个基因之外,一个噬菌体内到底还有多少基因、它们的功能又是什么?噬菌体在细菌体内复制的机理是什么?噬菌体进入溶原或溶菌状态的决定因素是什么?顺便提一下分子生物学中最常用的LB培养基,由于这种培养基最早由Giuseppe Bertani在Luria实验室研究噬菌体的溶原状态时开始使用,并于1951年正式发表,虽然Bertani的原意是指其为溶原培养基(Lysogeny Broth),科学界却将它称为Luria-Bertani培养基。

      作为一个比细菌还要小得多的最基本的生命单位,"噬菌体含有基因"这一发现可以将研究基因属性的工作聚焦到结构和组成更简单的噬菌体的身上,将从捞针的范围从大海缩小到了一个小池塘。在此基础上,Alfred Hershey和Martha Chase合作,于1953年通过简单地应用放射性同位素32P或35S分别标计含有磷酸基团的核酸或含硫的蛋白质,证明DNA而非蛋白质是遗传信息传递的载体——即著名的Hershey-Chase实验,为困扰生物学家们长达87年(从Mendel在1866年发表遗传因子的分离和重组理论的论文算起)关于基因属性的问题画上了一个完美的句号。

       最后,Luria首创的这种噬菌体的遗传学的方法也可以推广到其他病毒的研究上,如Renelto Dulbeco(大约在1945年加入Luria实验室,于1949年合作发表了不同噬菌体间的遗传重组的论文,1949年后又加Caltech与Delbrück合作研究)和David Baltimore(于1961年参加Delbrück在冷泉港实验室组织的噬菌体课程,受Luria的学生、后来改变研究方向成为斑马鱼研究的先驱George Streisinger指导而激发对分子生物学研究的兴趣)都得益于Luria对噬菌体的研究方法,并分别用来研究制癌的DNA病毒和逆转录RNA病毒的作用机制而分享1975年诺贝尔生理医学奖。



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老虎机和分子生物学(13) 分子生物学的摇篮 2019-03-23 17:51:28

      一个天才根据老虎机激发的灵感,设计实验在人类历史上首次从分子(基因)水平上证明了达尔文的自然选择学说比拉马克的用进废退或获得性遗传学说更加合理,而这一证明的可靠性又由另一个天才建立的数学模型进一步确认和推广。这一发现让科学家们利用细菌或噬菌体为实验材料从分子水平研究基因的遗传规律——即细菌和病毒的遗传学研究——有了一个坚实的理论基础。

      然而,一门新的学科的兴起决不可能是由一两个天才人物的灵光一现就可能完成。于是,Luria和Delbrück做出了一个重大的决定:通过设立噬菌体技术课程,吸引更多的天才科学家加入自己的研究行列。

      这一设想首先由Luria提出,并立即得到了Delbrück响应。在时任冷泉港实验室主任MiIislav Demerec(他自己也将研究兴趣从果蝇转移到细菌和噬菌体上)的大力支持下,首届噬菌体技术课程于1945年(Luria-Delbrück实验发表后的第三年)夏天在纽约长岛的冷泉港实验室正式面向全球的科学家开放。

      具有巨大个人魅力、无私奉献精神和超强的组织能力的Delbrück亲自组织和设计了第一期的噬菌体技术课程。从第一次噬菌体课程要求学员们必须有一定的数学基础而不需要其他的实验经验来看,Delbrück是希望能从物理学界和化学界吸引人才进来研究生物学界面临的基因属性方面的问题。

      通过在冷泉巷实验室设立的噬菌体技术课程,Delbrück(虽然Luria也参与了其中的某些讲座,但Delbrück无疑是最重要的领导组织者)为噬菌体的研究制定了很多规则,让全世界关于噬菌体方面的研究成果可以彼此借鉴,共同促进这一学科的发展。

      首先,规定在研究用的噬菌体只能选用从T1到T7噬菌体(T是Type的简称)中的一种,任何研究者都可以从课程中免费获得这七种噬菌体。如现在分子生物学中常用的T7启动子是从T7噬菌体克隆出来的。T4 DNA连接酶是由T4噬菌体产生的。试想如果Geo Rita在Tiber河水中分离出来的噬菌体,Delbrück在加州湾区的下水道里分离出来的噬菌体和Luria在纽约的哈德逊河上分离出来的噬菌体分属不同的类型,因而得出不同结果,那这么结果有何可比性呢?

      其次,所有参与这个噬菌体课程的人都将采取相同的无菌操作、细菌培养平板、培养基、噬菌体的生产和稀释的过程的规定等。严格地将参加噬菌体课程的研究者和没有参加噬菌体课程的研究者的成果区分开,甚至拒绝评审没有接受这些课程培训的学者的论文,虽然Delbrück有时也觉得做出这种决定很痛苦。

      此后,Delbrück坚持定期在冷泉港实验室或加州理工学院组织噬菌体技术课程,前后经历了26年,为分子生物的发展培养了大量的人才,著名分子生物学家Mark Adams, Martha Baylor, Seymour Benzer, Robert Edgar, Herman Kalkar, Aaron Novick, Frank Stahl, Gunther Stent 等都是其中正式注册学员。因发现DNA双螺旋结构而获得诺贝尔奖的James Watson和因研究DNA肿瘤病毒而获得诺贝尔奖的Reneto Delbecco不仅直接在Luria获得学习和研究的机会,也积极参与了其中的很多活动。

      正是这些由Delbrück一手建立和执行的规定保证了分子生物学家们能够集中力量,解决最激迫的问题,让分子生物学能够迅速发展起来。这些课程也增加了不同学科的科学家们相互交流的机会,如James Watson就是因此获得去欧洲学习的机会的,并在英国剑桥大学的卡尔迪许实验室破解DNA的双螺旋结构模型。

      另外,由于"噬菌体帮"的组织壮大,帮中成员的一些新的发现和新的观点也就会很快被科学界接受。其中一个明显的例子就是:科学家们虽然对Oswald Avery在1944年发现DNA可能是遗传物质的结论一直有所保留,而在1953年Alfred Hershey和Martha Chase发表了证明Avery的结论是正确的Hershey-Chase实验之后,DNA是遗传物质、承载着可在后代中传递的基因的信息的结论立即被科学家广泛接受。当然,Hershey的结论能立即被科学界接受的另一个重要因素是:Hershey-Chase实验中噬菌体的遗传信息的传递是在天然的状态下发生的,实验非常容易重复。而Avery在实验中用光滑型肺炎球菌的DNA转化粗糙型肺炎球菌的方法是在人为状态下完成的,比较复杂。科学家们当时因无法用Avery的方法成功地转化其他细菌,因而对他的结论有一定的保留。Hershey-Chase的这一发现也更加坚定了还在剑桥大学作为访问学者的James Watson继续研究DNA结构的决心,加速了DNA双螺旋结构模型的完成,这也是分子生物学发展中的另外一个里程碑。



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