看諾貝爾生化獎名花有主，感嘆科技發(fā)展之長江后浪推前浪

諾貝爾獎揭曉的令人興奮的一周結束了，結果是三種生物大分子中的兩種，RNA和蛋白質分別捧回了桂冠。特別是今年的生理/醫(yī)學獎，得獎項目miRNA (microRNA)，和去年的mRNA疫苗（信使RNA）只差一個字母；今年的化學獎是蛋白質結構預測和設計；考慮再前一年生理獎的項目是如何鑒定古DNA，看來諾貝爾這兩個獎項經常在DNA-RNA-蛋白質這三種決定生命本質的生物大分子之間來回轉悠。

miRNA之所以獲獎，是因為它在調節(jié)基因活性和表達方面有巨大的作用。但是話又說回來，有這樣重大功能的體系在生命體中還有很多，為什么微小RNA能脫穎而出？我的解讀是這和諾貝爾獎評選委員會一個重大審美品味有關：重大自然元素之間的基礎性互動。

前一段李政道先生去世了，他和楊振寧先生近70年前提出的宇稱不守恒現象又成為科普迷的津津樂道之話題。為什么他倆的理論一經被吳健雄的實驗所證實，僅僅一年后就立即獲得諾貝爾獎？這是因為弱作用是宇宙四大基本自然力之一（重力，電磁力，強相互作用，弱相互作用），同時對稱現象又是物質世界的一個基本屬性，那么弱作用身為四大之一卻違反對稱這樣石破天驚的理論，當然夠得上諾貝爾獎的分量。

生命科學也一樣。

學過生物的人都知道生命科學的中心法則（Central Dogma）：DNA是生命密碼的存儲者，這個密碼被解碼，信息傳遞給信使RNA，然后在RNA序列的指導下20種不同的氨基酸被組裝成序列特異的蛋白質分子，去執(zhí)行催化化學反應和構建生命結構的功能。

其實中文把Dogma這個詞翻譯成“法則”還是有點意猶未盡， 因為它還包含有經典權威難以動搖之涵意。如此一來，挑戰(zhàn)自然經典的重大發(fā)現，一旦自己也成為“鐵律”的一部分，自然就為諾貝爾委員會所青睞了。所以，當RNA居然也和蛋白質一樣自身具有催化功能這個發(fā)現一出來，Dogma就被打破了，這個現象的發(fā)現人Thomas Cech和Sidney Altman獲得1989年諾貝爾化學獎。這個理論未必有多大的實用價值，因為RNA是不穩(wěn)定的，很少有人會有興趣開發(fā)RNA催化功能的工業(yè)應用和醫(yī)學前景，不過它卻對生命起源有啟示意義。可以想象幾十億年前，在一片漆黑孤獨的環(huán)境里，原始生命也許只有RNA，它孤獨到都沒有DNA和蛋白質作伴（還沒進化出來），只能獨孤一個又當爹又當媽，既擔起攜帶和傳遞遺傳信息的任務，同時扮演未來蛋白質的功能：催化化學反應，維系生命的薪火相傳。

根據中心法則，蛋白質是DNA和RNA相互作用的終產物，那么當Roger Kornberg發(fā)現了蛋白質在真核生物中能反作用于DNA/RNA的互動從而調節(jié)了遺傳信息的傳遞時, 生命的Dogma又被豐富了，他獲得了2006年諾貝爾化學獎。Roger Kornberg的父親老Kornberg由于發(fā)現DNA復制的機制獲得1959年的諾貝爾獎。所以說老子確立中心法則，兒子豐富中心法則，真是科研父子兵。

諾貝爾獎父子

諾貝爾委員對基礎自然法則之創(chuàng)新的偏愛，在1997年達到了頂點。

傳統(tǒng)的生物學認為，作為一個病原體，他至少要同時擁有核酸（DNA/RNA） 和蛋白質兩套生物大分子，才能維系自身復制和感染宿主的能力。但是Stanley Prusiner卻發(fā)現無法用這種常規(guī)的思路去解釋瘋牛病和羊癢疫這樣一類非常罕見的動物傳染病。后來他提出了朊毒體的概念，說的是單純蛋白質分子就能誘發(fā)牛羊腦部蛋白質的變性，而且這種毒素還有自我復制的功能。這種蛋白質分子拋開DNA和RNA單干的理論實在是驚世駭俗，加上有大量可靠的實驗數據做基石，諾貝爾委員會于1997給Prusiner頒獎，同時也帶來不小的爭議，很多人以為這個獎發(fā)錯了，至少也是發(fā)早了。

DNA作為比RNA少了一個氧原子的核酸分子（所以它叫“脫氧”核糖核酸），化學性質很穩(wěn)定，所以特別合適扮演遺傳信息穩(wěn)定儲藏所的角色，而RNA很不穩(wěn)定，又特別適合在短暫扮演把遺傳信息傳遞給蛋白質的角色之后，很快被機體清除掉從而節(jié)省能量，這是多么巧奪天工的合作和設計，要么怎么叫dogma呢。所以當大衛(wèi)巴爾的摩和合作者在1970發(fā)表了一種“逆向”轉錄的現象，遺傳信息從RNA被傳遞到了DNA的時候，這又是一個既離經叛道而又呈現基本生命元素互為因果的發(fā)現，僅僅在5年后就獲得了諾貝爾獎。

有趣的是，巴爾的摩等人做這個實驗的材料是一種叫做Rous sarcoma virus (RSV)的雞病毒，這個病毒是Francis Peyton Rous早在1911年就發(fā)現的，其培養(yǎng)和擴增的實驗技術也被Rous和后來的歷代組織學家所完善，巴爾的摩才能站在巨人的肩膀上極目遠眺。因為Francis Peyton Rous第一個用該病毒為示例揭示了病毒可以致癌的理論，他也是諾貝爾獎得主，不過他為這個榮譽整整等了55年！

Francis Peyton Rous做出突破性發(fā)現時31歲，55年后得到諾獎的承認，已經是耄耋87歲之年的智叟；巴爾的摩發(fā)現逆轉錄現象是32歲，5年后得獎時依然36歲風華正茂。為何厚此薄彼，公平嗎？這是因為一個復雜醫(yī)學現象的闡明可能漫長而時有反復，而一個基本生命原理的揭示卻也可以是革命般地摧枯拉朽。

少年成名的巴爾的摩（考慮到現在的生物學家在得到第一份教職的時候一般都年已不惑，37歲拿諾獎的確可算少年了）又在4年后培養(yǎng)了一個20多歲的年輕博士生Victor Ambros，也就是微小RNA的發(fā)現者，本次諾貝爾生理醫(yī)學獎的得主，他在畢業(yè)后加入了另一個研究怪生物秀麗隱桿線蟲（拉丁名：Caenorhabditis elegans）的實驗室。這種秀麗隱桿線蟲作為遺傳學研究模型的一大優(yōu)點是，實驗家們可以很方便地分離和鑒定大量表型迥異的遺傳突變體，然后再抽絲剝繭般反推出這些異常表型后面的分子機理。

Victor Ambros和這個線蟲實驗室的另一個同事Gary Ruvkun合作，發(fā)現引發(fā)一種線蟲突變型的基因終產物居然不是蛋白質而是一種微小的RNA分子，這個本身就相當地具有革命性了。更有甚者，他們首先發(fā)現的這個RNA分子僅僅是一個龐大miRNA調節(jié)基因表達這個大冰山的一角。還記得上面寫的Kornberg揭示蛋白質調控DNA基因表達嗎？Ambros和Ruvkun一下子就給這個基礎過程又加入了RNA的角色，這樣，中心法則早就不是線性的，而是網絡化了。

這個發(fā)現太太太夠得上一個諾貝爾獎了。

微小RNA可以通過和細胞內的信息RNA相配對而抑制降解對方，從而達到特異性地熄滅細胞中某一基因的效果。我還記得miRNA開始成為我當年在藥廠RNA部門同事關注和探路的話題。這是因為在制藥研究中，為了研究某一基因是否有希望成為下一個新藥的靶點，經常需要在體外模式的細胞中精準地除掉這個基因的產物，再觀察細胞表型由此而來的變化。miRNA是否能成為這樣一個工具？

但是，在區(qū)區(qū)幾年的時間內，他們討論的話題開始轉移，miRNA漸漸聽不到了，另一個很類似的名詞卻取而代之成為顯學，它叫siRNA。

siRNA的全名叫small inhibitory RNA, 小抑制性RNA，它和今年的miRNA一樣，有抑制細胞內基因表達的功能，而且他們的生化機理極為類似，但是其起源，發(fā)現的歷史和后來的境遇卻大不相同，我下面稍微細聊一下。

我們前面講了，miRNA的發(fā)現和秀麗隱桿線蟲作為一種遺傳模式工具的偉大分不開，而siRNA的誕生卻更和該蟲的“顏值”有關，它是一種全透明而且擁有極易刺穿且能快速愈合的皮膚的生物。于是富有好奇心的科學家們開始把各種想得到想不到的大分子通過一種叫“顯微注射”的技術攝入線蟲體內，他們通體透明毫無隱私可言，各種生物學后果一覽無遺。

該發(fā)生的總會發(fā)生的，RNA分子被注射入蟲體后，該RNA所特意編碼的線蟲蛋白質居然消失得一干二凈！一片詳盡描述這個現象的文章發(fā)表于1998年的自然雜志，比miRNA的突破文章還晚了5年，但是基于siRNA的基因干擾技術在2006年就獲得了諾貝爾獎，也就是在做出發(fā)現后的8年就得到最高認可。相比之下，miRNA從發(fā)現到獲獎等了30年。為什么？

這就不能不談到諾貝爾委員會的第二個偏愛：革命性的應用成就。

siRNA干擾作為清除細胞內基因的工具實在是太太太方便實用了！

在這個技術出來之前，特異性清除細胞內基因產物非常困難，可以用特異性極差的小分子化合物，或者引入壓倒性地負調控基因（dominant negative），或者在從缺乏該基因的動物身上直接獲取（且不說制造基因缺失的動物的難度），效果都不理想。有了它，實驗生物學家可以輕松地找專業(yè)公司設計和目標基因匹配的短雙鏈RNA，簡單混入細胞培養(yǎng)皿就萬事大吉了。

在2006年，siRNA正值頂峰的時候，誰都想不到，它作為一種基因失活技術在后來會快速失寵，幾乎和它高樓大廈平地起般的崛起同樣的令人炫目， 這是因為我們又有了CRISPR。

siRNA機理的來源，是細胞針對雙鏈RNA病毒入侵而進化出來的一套防御機制。這套防御就是宿主細胞動員一套自身的分子剪刀，見到進犯的雙聯RNA就當成入侵者病毒而猛切一通。但是如果生物學家雞賊一點的話，把這個雙鏈RNA設計成和細胞自己的基因互相配對，那么細胞本來用于自保的分子剪刀，就會不分青紅皂白把自體RNA也給剪了，這就是siRNA熄滅基因的原理。

同理，細菌也有防御病毒入侵的機制，不過攻擊細菌的是一種特殊的病毒，叫做噬菌體，其遺傳物質以為DNA為主，所以細菌的這種機制有精準切碎DNA的功能。而這種功能也被人類利用了，這就是CRISPR技術，比上面的siRNA技術高級太多了。因為mRNA僅僅是一個信使的功能，而且本來就不穩(wěn)定，你把他切了，也僅僅是短暫地消除基因的表達。而CRISPR技術是從DNA的根子入手，可以永久性地改變人類的遺傳特性，通過CRISPR剪刀精準設計人造Baby早就不是科幻小說了，現在僅僅是由于醫(yī)學倫理的禁區(qū)而不讓我們討論這個問題。

CRISPR這個發(fā)現和技術從問世到獲諾獎等了8年，和RNA干擾是一樣的，但是理解和改造CRISPR比siRNA更難，所以我個人認為CRISPR成就比siRNA高一個檔次。

除了能對人類社會帶來的重大影響外，在簡單的基因熄滅實驗試劑領域里，CRISPR也全面壓倒siRNA, 為什么，我們可以用一個不大恰當的比喻來說明。

最近中國試射了東風31洲際導彈，有網上討論能否攔截它，這是很難的，因為ICBM末端速度超過10倍音速，那么什么是消除這個導彈威脅的最好方法呢？就是先發(fā)制人把他消滅在發(fā)射井里。

如果把發(fā)射井比成DNA， 而射出去的ICBM是RNA的話，RNA干擾就仿佛是在ICBM的末端攔截，攔得再好也不如把對方直接消滅在發(fā)射井里，CRISPR就是攻擊DNA這個基因信息發(fā)射井。

2006，如日中天的siRNA干擾技術拿下諾獎之后，有些人對miRNA的前景有點擔心，因為這兩個體系的分子機理實在太類似了，從來就不乏選擇的諾貝爾獎委員會也許很難把獎再次頒給一個如此相關的領域。但是隨著RNA干擾如此快速地走下神壇，也許委員會的審美情趣又重新回到了生物分子功能的重新界定，終于讓等了30年的miRNA的英雄們名至實歸地凱旋。

多說一句，諾貝爾委員會的關注重點除了上述的兩個方面外，我認為還有第三個：突破性的醫(yī)學成就。例子包括體外受精技術的發(fā)明，治療瘧疾青蒿素和腫瘤的免疫治療，預防新冠的mRNA疫苗，等等。

從miRNA到siRNA, 再到CRISPR, 你不得不驚嘆科技的長江后浪推前浪，但是前浪不會就被拍死在沙灘上，因為知識是累計的，科學在螺旋中前進。你再看看今年的諾貝爾化學獎，蛋白質立體結構的預測，其實又何嘗不是如此呢？

DNA和RNA僅僅解決了蛋白質一級結構的問題，也就是他們氨基酸單元的序列。如何解開蛋白質的三維立體結構？

這個始于1915年的諾貝爾獎得主布拉格父子，他們找到了通過X光對小分子晶體照射產生的電子衍射圖反推物質晶格排列的方法，其中25歲的小布拉克至今仍是歷史上最年輕的諾獎得主；1962年，用這個原理解出了血紅蛋白結構也獲得了諾貝爾獎；后來是復雜的核糖體和跨細胞膜的離子通道結構被解開，都是諾貝爾獎級別的成就。

X光衍射技術的限制在于必須在溶液中獲得蛋白質的結晶，這個過程極其費力，而且有的蛋白質是無法結晶的。所以在2017年，一項叫做冷凍電鏡的技術獲得了諾貝爾獎，它是把蛋白質及其溶液冷凍后用高能電子掃描，直接獲得蛋白質在活性狀態(tài)中栩栩如生的圖像，省去了獲得晶體這一個瓶頸步驟。

冷凍電鏡技術雖然簡化了，但是你至少還得做實驗吧。能否不做實驗而直接預測？Christian Anfinsen由于嚴格論證了蛋白質的氨基酸序列決定它的立體結構，從而在1972年獲得諾貝爾化學獎，這就給蛋白質立體結構的預測奠定了理論的可能性。今年的諾貝爾化學獎的一半授予了谷歌deepmind的兩位大神，他們開法的阿爾法折疊算法體系在權威的蛋白評級競賽中得分幾乎完美，成為近些年計算生物學的最大革命。

那么是否說明實驗科學就過時了呢？遠非如此，靠純理論計算的話，他們的模型遠非完美，但是通過對已有蛋白結構數據庫的建模，就能大大提高預測的精度。這些數據庫是哪來的？當然是來自實驗生物學家的埋頭苦干。