在破译生命密码的过程中,科学家们有哪些“意外发现”?

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  作者:Gaia Vince

  编译:小蚕

  编辑:Yuki

  科学探索,是一个漫长的历程。大多数时候,科学会日复一日地稳步向前发展着。但时不时地,偶尔也会有一些令人完全意想不到的无心之举。有时候,正是这些不经意的发现,使得科学有了跨越式的长足进步;而更有甚者,则会推翻人们对于整个研究领域的认知。

  2003年,人类DNA序列测序完成,全部基因鉴定完毕。这个历经13年之久、经多国科学家通力合作的“人类基因组计划”完满收官。虽然仍有不少在计划启动初期许下的宏伟宣言还有待进一步实现,但就像印刷术和显微镜的发明对于人类历史的贡献,人类基因组测序无疑同样是科技进程的一次重大变革。与其它颠覆性的技术一样,基因组测序技术给人类带来了一些完全意想不到的发现

  

  人类基因组测序无疑同样是科技进程的一次重大变革。图片来源:图虫创意

  染色体碎裂会引发癌症

  癌症是一类基因性的疾病。当DNA复制出现错误或者发生突变,健康的细胞就会变成杀伤性的肿瘤。如今,研究人员通过对多种肿瘤细胞的基因组进行测序,改变了我们对于“癌症到底是什么”这个问题的认知。

  皮特·坎贝尔(Peter Campbell)是威康桑格研究所癌症项目的负责人。他在肾脏肿瘤的研究工作中,常常有意外惊喜。不过最重大的科研成果,当属诱发癌症的全新机制。坎贝尔和同事们发现在目前尚不明确的情况下,一条染色体会碎裂成上百条片段,好似爆炸一般

  这个发现实在太令人震惊了。所以最初,坎贝尔推测应该是数据出现了问题。“看来几乎所有的数据都是垃圾——有人在某些处理步骤把数据搞得一团糟。所以就从我们自己开始排查,我们需要弄清楚到底哪里出现了问题”,坎贝尔说道。然而,他们并没有发现什么明显的错误。

  “基因数据的一个好处就是它是数字化的——非黑即白,因此不像其它的实验结果,比如细胞,每天看起来都不一样。”一旦确认了结果的可靠性,坎贝尔这才如释重负地开心起来。他补充道,科学通常是一个非常漫长的工程:“你会一连几个星期脑袋都快爆炸了却仍然解决不了问题;然后在某一个突然的瞬间,与意想不到的发现不期而遇”。

  

  科学通常是一个非常漫长的工程,但也会在某一个突然的瞬间,科学家与意想不到的发现不期而遇。图片来源:Pixabay

  坎贝尔已经准备好迎接来自领域反对的声音。意外的是,最终他的研究论文很顺利地被接收了。同行们在实验室中捕捉到细胞生长过程中的变化,验证了坎贝尔的发现。研究人员相信,这很可能是诱发多种不同癌症的机制。

  所以,该发现是否改变了人们的想法呢?“没错,我想是的”,皮特认为:“最优秀的研究论文通常都会改变人们的认知。但在科研人员的研究生涯中,这种好文章可遇不可求。我们很幸运早早地就接触到了现代基因技术,这使得我们先人一步发现了这些模式”。

  Y染色体并不“多余”

  血液病学家乔治·瓦西利乌(George Vassiliou)和他的团队当时正在寻找治疗白血病药物的新靶点。其中之一名为UTX的基因是一个位于X染色体上的抑癌基因。团队的一部分工作就是观察携带错误UTX基因的小鼠何时患上癌症。在实验中,瓦西利乌同时也对Y染色体上一个类似的无功能基因UTY进行了细微地改造。

  除了决定性别的基因之外,Y染色体上的其它基因曾被广泛认为是没有功能的。事实上,在进化的过程中,鼹形田鼠就完全丢失了Y染色体。研究人员之前于是推测类似的情况可能最终也会发生在人类身上,直到瓦西利乌的团队发现了具有功能性的人类UTY基因。更重要的是,UTY对抑制癌症至关重要。

  

  完全丢失了Y染色体的鼹形田鼠。图片来源:Wikimedia Commons

  “这个发现确实令人兴奋”,瓦西利乌表示,“最初,我们只是很高兴又找到了一个白血病的潜在靶点”。不过随后,迎来的是一个颠覆认知的时刻:“Y染色体实际上是有功能的。它并非一无是”。

  我们认为无价值的细菌基因实际影响着疫苗的效用

  桑格研究所和奥斯陆大学的生物统计学家尤卡·科兰德(Jukka Corander)和伦敦帝国理工学院的细菌遗传学家尼古拉斯·裘槎(Nicholas Croucher)致力于细菌感染的基因组学。他们通过计算机模拟不同的菌株,试图揭示疫苗作用下菌群变化背后的奥秘。

  

  肺炎链球菌扫描电镜显微照片。图片来源:Wikimedia Commons

  肺炎链球菌是一类能够引发诸如肺炎、败血症和脑膜炎等严重疾病的细菌。科兰德和裘槎比较了若干不同肺炎链球菌菌株的基因组。这些菌株来自世界范围内四个不同的人种,其中三个曾经接种过抗肺炎链球菌的疫苗。

  结果表明,实验收集的所有肺炎链球菌菌株均包含大约2000个左右的基因。它们当中有四分之三的基因在各个菌株都非常相似,而剩下的“附属基因”则千差万别。基因在不同的菌株之间可以相互交换,这种现象被称为“水平基因转移”。

  计算机模型显示即使菌株类型发生了显著的变化,接种前后菌株中附属基因的水平依然保持基本不变。换句话说,接种后出现的新菌株与被疫苗消灭之前的菌株相比,两者有着相似的附属基因。因此,附属基因远不像人们认为的没有功能,它们似乎在细菌对疫苗响应的过程中发挥着作用。重要的是,研究人员还发现,一些在接种后恢复到之前水平的附属基因参与了耐受抗生素的生理活动。

  “我们之前刚刚发表了一篇支持附属基因‘中性模型’的文章”,科兰德说,“所以这个发现实在令我惊讶至极”。 这项工作为进一步帮助我们预测人类治疗细菌疾病时传播最快的那些菌株提供了基础。

  “如果不是因为解析了‘高清的’基因组,我们不可能了解到细菌基因的真相”,科兰德说,“甚至我们都不会知道细菌基因组竟会产生如此丰富的变异,更不用说这些少见的附属基因还有响应疫苗和耐受抗生素等重要的功能了”。

  有了强大的基因组测序技术,人们得以接近诸多生命现象的本质。如今,测序技术日新月异。它的每一次变革和发展,都将对基因组学、疾病医疗、药物研发、农业育种等领域产生巨大的推动作用。相信在不久的未来,科学家们会解锁更多生命的奥秘。

  

  基因测序仪器。图片来源:Pixabay

  科学家点评2018年诺奖

  作为全球科学界最盛大的事件,每年的诺贝奖吸引了全球的目光。面对地球上最重要的科学盛事,“我是科学家”怎么能错过?

  10月2号和3号将公布诺贝尔物理学奖和化学奖,“我是科学家”将继续为大家带来科学家点评2018年诺奖,所以文章会延迟发布,敬请期待吧~

  排版:小爽

  题图来源:图虫创意

  文章来源:storythings

  https://mosaicscience.com/story/serendipitous-findings-genetics-genomics-dna-testing/

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