Science：磷酸化，进化的另一条路径

Science：磷酸化，进化的另一条路径

2016年10月15日讯 EMBL-EBI和华盛顿大学的研究人员发现，蛋白质修饰变化为进化提供了显著的生物多样性。相关论文发表在十月十三日的Science杂志上，有助于更好的理解物种对环境的适应。

遗传多样性研究过去往往针对的是基因表达。而这项研究表明，蛋白磷酸化也对遗传多样性做出了重要的贡献。蛋白磷酸化属于翻译后修饰PTM，是一种通用的快速调控机制。它可以赋予蛋白新的功能，影响蛋白的开启或关闭，改变蛋白的目的地。

此前，人们在近缘物种之间进行蛋白比较的时候没有发现多少突变。因此并未将PTM视为生物多样性的重要因素。现在研究人员发现，只需很少的突变就能改变蛋白磷酸化位点。换句话说，少量改变会对蛋白和细胞运作产生很大的影响。

研究人员对18个单细胞生物进行研究，重建了它们磷酸化位点的进化史。研究显示，绝大多数磷酸化位点出现时间相对较近，说明它们参与了物种差异的形成，对进化多样性做出了贡献。研究人员指出，如果物种需要适应新的条件，它需要一代代生成很大的多样性，以便进化在其中做出选择。基因表达变化是实现多样性的重要途径，而蛋白磷酸化的改变同样有效。

PTM生成的多样性也是癌症研究需要考虑到的问题。不少癌症药物通过阻断肿瘤生长的信号通路来抑制肿瘤，相当于给蛋白挂上一把锁。而癌症会通过突变生成新的PTM和信号事件，相当于制造数百万不同的钥匙。绝大多数钥匙可能是无效的，但只要有一把钥匙打开了锁，肿瘤就能重新开始生长。

靶向性治疗可以阻断肿瘤的生长通路，但这些细胞往往能够绕道而行，对药物发展出抗性。加州理工的研究团队通过单细胞分析，全面绘制了癌细胞迂回前进的路线。研究显示，单细胞磷酸化蛋白质组学技术能够反映单个癌细胞的内部活动和信号传导。

蛋白磷酸化是最常见、最重要的一种翻译后修饰，参与并调节了机体的多种生命活动，比如信号转导、基因表达、细胞周期等等。Salk生物研究所的科学家们开发了一种检测蛋白磷酸化的新技术，相关成果发表在去年七月的Cell杂志上。

中山大学生命科学学院的贺雄雷（Xionglei He）教授和 Li Liu在本期Science杂志上发表文章，通过介绍爱丁堡大学和密歇根大学的两项研究，探讨了前瞻性分子进化研究的前景与应用。文章指出，确定适应度景观可以帮助我们预测进化轨迹。这一点非常有实用价值，比如控制病毒感染的蔓延或者预防抗生素抗性的产生。

现代科学对光合作用有什么新的利用或探究发现？

虽然光合作用的部位早就被认为是叶绿体，但真正用实验加以证实则在20世纪30年代末40年代初。英国植物生理学家R.希尔用离体叶绿体作实验,测到放氧反应,这是绿色植物进行光合作用的标志。但是否代表光合作用未能肯定。希尔称它为叶绿体的放氧作用，亦被称为“希氏反应”。这一工作直到1951年才被证实是光合作用的一部分。1954～1955年，美国生物化学家D.I.阿尔农、美国微生物学家M.B.艾伦又证明离体叶绿体不仅能放氧，而且也能同化二氧化碳。这也就证实了叶绿体确是光合作用的部位。 美国伯克利加州大学的M.卡尔文、A.A.本森、J.A.巴沙姆等，利用劳伦斯实验室制备的同位素的和其他新的生化技术，花了10年的时间于50年代中期阐明了“光合碳循环”,或称“卡尔文循环”的过程。他们证明,在叶绿体内一种5碳糖起了二氧化碳接收器的作用经过一系列的酶促反应，不断地循环同化二氧化碳，形成一个一个的6碳糖，再聚合成蔗糖或淀粉。 光合磷酸化是光合作用中的重要的能量传递过程。1954年D.I.阿尔农在用菠菜叶绿体研究二氧化碳同化的同时，发现叶绿素受光的激发产生电子，在传递过程中与磷酸化偶联,产生ATP,电子仍回到叶绿素分子上,继续上述过程，这一过程被称为循环光合磷酸化。几乎同时别人也证明，细菌中也存在着类似的过程。1957年D.I.阿尔农等又发现另一类型的光合磷酸化。在这个过程中，光使叶绿素从水中得到电子，电子传递过程中与希尔反应偶联，还原辅酶Ⅱ，放氧，同时产生ATP,这一过程称为非循环光合磷酸化。 光合作用中两个光反应系统的发现推动了光合磷酸化研究的不断深入。这项工作主要是美国植物生理学家R.埃默森及其合作者从40年代初到他逝世这十几年内进行的。1943年他们发现红光波段中,短波(～650纳米)区比长波区(～700纳米)的光合效率高。1957年他们又发现两者同时照射比单一照射所产生的光合效率高。根据他们的工作以及其他人的工作，英国的R.希尔等提出可能存在着两个光反应系统:系统Ⅰ由远红光(～700纳米)激发,系统Ⅱ则依赖于较高能的红光（～650纳米）。非循环光合磷酸化对此就是一个有力的支持事例。根据这一设想及大量实验结果，设计出一个“Z图解”,表达两个光反应系统的协同作用，得到了广泛的支持。由此掀起了研究两个光反应系统结构与功能的热潮，推动了光合作用的核心问题——原初反应和水的光解问题的研究。 进入80年代，光合反应中心的结构研究取得了重要突破，1982年西德生化学家H.米舍尔成功地分离提取出生物膜上的色素复合体，即光合反应中心。以后德国的蛋白质晶体结构分析专家R.休伯和J.戴维森,经过4年的努力，用X射线衍射分析的方法,测定出这个复合体的复杂的蛋白质结构。这一成果在光合作用研究上是一个飞跃，有力地促进了太阳光能转变为植物能的瞬间变化原理的研究。 有关植物的光合作用的研究还在继续……

为什么说进化论是生命科学的基石?

施莱恩和施旺在1838~1839年建立的细胞说;
达尔文在1859年建立的进化论;
孟德尔在1866年确立的遗传学.
目前，普遍认为现代生命科学系统的建立开始于16世纪。他的基本特征是人们对生命现象的研究牢固地植根于观察和实验的基础上，以生命为对象的生物分支学科相继建立，逐渐形成一个庞大的生命科学体系。现代生命科学可以说是从形态学创立开始的。1453年比利时医生维萨里（Andreas Vesalius 1514~1564）的名著《人体的结构》发表不仅标志着解剖学的建立，并直接推动了以血液循环研究为先导的生理分支学科的形成，其标志是1628年，英国医生哈维（William Harvey 1578～1657）发表了他的名著《心血循环论》。解剖学和生理学的建立为人们对生命现象的全面研究奠定了基础。

　　18世纪以后，随着自然科学全面蓬勃地发展，生命科学业进入它的辉煌发展阶段。生命科学重要得分支相继建立，其中以细胞学、进化论和遗传学为主要代表，构成了现代生命科学的基石。

　　1665年，胡克（Robert Hooke，1636～1702）在他的《显微图谱》中第一次使用“细胞”一词（cell）。

　　图1-1 Hooke使用的显微镜 图1-2 Hooke观察到的软木结构

　　现在一般认为细胞学创立于19世纪30年代，是由施莱登（Matthias Jacob Schleiden， 1804～1881）、施旺（Theodor Schwann，1810～1882）以及稍后的数位生物学家共同完成的。他们奠定了细胞是独立的生命单位、新细胞只能通过老细胞分裂繁殖产生，一切生物都是有细胞组成和由细胞发育而来的细胞学说的基本内容。

　　林耐因他对现代生物分类系统建立的卓越贡献成为有史以来最伟大的生物分类学家千姿百态的生物物种被科学的归纳在界、门、纲、目、科、属、种的秩序里。林耐生物分类系统建立的更重要的意思还在于他直接的诱发了生物进化理论。在林耐当初建立生物分类体系时，企图表达的是精确地显现上帝造物的构思和成就。但是事与愿违，林耐生物分类系统中体现的各生物物种的相关性和物种由简单到复杂的“秩序”排列强烈的安是了生物的进化现象。在马耶（Benoit 的 Mailler，1656～1738）、布丰（Comte de Lamarck 1744~1829）拉马克（Chavalier de Lamarck 1744～1829）等人工作的基础上，1859年，达尔文（Charless Darwin，1809～1882）的《物种起源》发表。

　　19世纪前后，生命科学的重大成就还包括其他一些重要的发现和分支学科的建立。解剖学和细胞学促使人们对生物发育现象的研究获得了长足的进步，并由此建立了实验胚胎学。胚胎学实现了对各种代表生物的形态发育过程的组织学和细胞学的研究，绘制了有史以来最精美的生物学图谱。魏斯曼（August Weismann,1839~1914）关于生物发育的种质学说推动了遗传学的建立。

　　1856年，现代遗传学创始人孟德尔（Gregor Mendel，1822～1884）在“布隆自然历史学会”上宣读了自己的豌豆杂交实验结果，遗憾的是其工作的价值被满摸了30多年。直到20世纪初，当孟德尔发现的生物遗传规律被几个人几乎同时再次试验证实时，才引起了人们的注意。为遗传学作出重大贡献的另一位伟大的遗传学家是摩尔根（Thomas Hunt Morgen，1866～1945）。202世纪10～20年代他用果蝇为实验材料确立了以孟德尔和摩尔根的名字共同命名的景点遗传学的分离、连锁和交换三大定律，并因此而荣获了1933年的诺贝尔奖。遗传学科学的解释了生物的遗传现象，将细胞学发现的染色体结构和进化论解释的生物进化现象联系起来，指出了遗传物质定位在染色体上而推动了DNA双螺旋结构合中心法则的发现，为分子生物学的建立奠定了基础。

　　在19世纪中，法国科学家巴斯德（Louis Paster，1822～1895）创立了微生物学。微生物学直接导致了医学疫苗的发明和免疫学的建立，推动了生物化学的进展，并为分子生物学的出现准备了条件。生物化学的辉煌发展出现在20世纪的前叶到中叶，围绕能量和生物大分子物质代谢的研究，发现了生物以三磷酸循环卫枢纽的有着复杂超循环结构的代谢途径，和以电子传递和氧化磷酸化为中心的生物能量获取、利用的基本方式。

　　分子生物学的建立是生命科学进入20世纪最伟大的成就。遗传学的研究预示了生物遗传载体分子的存在，而DNA双螺旋结构的发现（J.D.Watson,F.Crick,1953）直接导致了对生物DNA－RNA－蛋白质中心法则（central dogma）的揭示。人们因此探索到了生命运作的基础框架和生物世代更替的联系方式。从此，以基因组成、基因表达和遗传控制为核心的分子生物学的思想和研究方法迅速的深入到生命科学的各个领域，极大地推动了生命科学的发展。

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