看诺贝尔生化奖名花有主，感叹科技发展之长江后浪推前浪

诺贝尔奖揭晓的令人兴奋的一周结束了，结果是三种生物大分子中的两种，RNA和蛋白质分别捧回了桂冠。特别是今年的生理/医学奖，得奖项目miRNA (microRNA)，和去年的mRNA疫苗（信使RNA）只差一个字母；今年的化学奖是蛋白质结构预测和设计；考虑再前一年生理奖的项目是如何鉴定古DNA，看来诺贝尔这两个奖项经常在DNA-RNA-蛋白质这三种决定生命本质的生物大分子之间来回转悠。

miRNA之所以获奖，是因为它在调节基因活性和表达方面有巨大的作用。但是话又说回来，有这样重大功能的体系在生命体中还有很多，为什么微小RNA能脱颖而出？我的解读是这和诺贝尔奖评选委员会一个重大审美品味有关：重大自然元素之间的基础性互动。

前一段李政道先生去世了，他和杨振宁先生近70年前提出的宇称不守恒现象又成为科普迷的津津乐道之话题。为什么他俩的理论一经被吴健雄的实验所证实，仅仅一年后就立即获得诺贝尔奖？这是因为弱作用是宇宙四大基本自然力之一（重力，电磁力，强相互作用，弱相互作用），同时对称现象又是物质世界的一个基本属性，那么弱作用身为四大之一却违反对称这样石破天惊的理论，当然够得上诺贝尔奖的分量。

生命科学也一样。

学过生物的人都知道生命科学的中心法则（Central Dogma）：DNA是生命密码的存储者，这个密码被解码，信息传递给信使RNA，然后在RNA序列的指导下20种不同的氨基酸被组装成序列特异的蛋白质分子，去执行催化化学反应和构建生命结构的功能。

其实中文把Dogma这个词翻译成“法则”还是有点意犹未尽， 因为它还包含有经典权威难以动摇之涵意。如此一来，挑战自然经典的重大发现，一旦自己也成为“铁律”的一部分，自然就为诺贝尔委员会所青睐了。所以，当RNA居然也和蛋白质一样自身具有催化功能这个发现一出来，Dogma就被打破了，这个现象的发现人Thomas Cech和Sidney Altman获得1989年诺贝尔化学奖。这个理论未必有多大的实用价值，因为RNA是不稳定的，很少有人会有兴趣开发RNA催化功能的工业应用和医学前景，不过它却对生命起源有启示意义。可以想象几十亿年前，在一片漆黑孤独的环境里，原始生命也许只有RNA，它孤独到都没有DNA和蛋白质作伴（还没进化出来），只能独孤一个又当爹又当妈，既担起携带和传递遗传信息的任务，同时扮演未来蛋白质的功能：催化化学反应，维系生命的薪火相传。

根据中心法则，蛋白质是DNA和RNA相互作用的终产物，那么当Roger Kornberg发现了蛋白质在真核生物中能反作用于DNA/RNA的互动从而调节了遗传信息的传递时, 生命的Dogma又被丰富了，他获得了2006年诺贝尔化学奖。Roger Kornberg的父亲老Kornberg由于发现DNA复制的机制获得1959年的诺贝尔奖。所以说老子确立中心法则，儿子丰富中心法则，真是科研父子兵。

诺贝尔奖父子

诺贝尔委员对基础自然法则之创新的偏爱，在1997年达到了顶点。

传统的生物学认为，作为一个病原体，他至少要同时拥有核酸（DNA/RNA） 和蛋白质两套生物大分子，才能维系自身复制和感染宿主的能力。但是Stanley Prusiner却发现无法用这种常规的思路去解释疯牛病和羊痒疫这样一类非常罕见的动物传染病。后来他提出了朊毒体的概念，说的是单纯蛋白质分子就能诱发牛羊脑部蛋白质的变性，而且这种毒素还有自我复制的功能。这种蛋白质分子抛开DNA和RNA单干的理论实在是惊世骇俗，加上有大量可靠的实验数据做基石，诺贝尔委员会于1997给Prusiner颁奖，同时也带来不小的争议，很多人以为这个奖发错了，至少也是发早了。

DNA作为比RNA少了一个氧原子的核酸分子（所以它叫“脱氧”核糖核酸），化学性质很稳定，所以特别合适扮演遗传信息稳定储藏所的角色，而RNA很不稳定，又特别适合在短暂扮演把遗传信息传递给蛋白质的角色之后，很快被机体清除掉从而节省能量，这是多么巧夺天工的合作和设计，要么怎么叫dogma呢。所以当大卫巴尔的摩和合作者在1970发表了一种“逆向”转录的现象，遗传信息从RNA被传递到了DNA的时候，这又是一个既离经叛道而又呈现基本生命元素互为因果的发现，仅仅在5年后就获得了诺贝尔奖。

有趣的是，巴尔的摩等人做这个实验的材料是一种叫做Rous sarcoma virus (RSV)的鸡病毒，这个病毒是Francis Peyton Rous早在1911年就发现的，其培养和扩增的实验技术也被Rous和后来的历代组织学家所完善，巴尔的摩才能站在巨人的肩膀上极目远眺。因为Francis Peyton Rous第一个用该病毒为示例揭示了病毒可以致癌的理论，他也是诺贝尔奖得主，不过他为这个荣誉整整等了55年！

Francis Peyton Rous做出突破性发现时31岁，55年后得到诺奖的承认，已经是耄耋87岁之年的智叟；巴尔的摩发现逆转录现象是32岁，5年后得奖时依然36岁风华正茂。为何厚此薄彼，公平吗？这是因为一个复杂医学现象的阐明可能漫长而时有反复，而一个基本生命原理的揭示却也可以是革命般地摧枯拉朽。

少年成名的巴尔的摩（考虑到现在的生物学家在得到第一份教职的时候一般都年已不惑，37岁拿诺奖的确可算少年了）又在4年后培养了一个20多岁的年轻博士生Victor Ambros，也就是微小RNA的发现者，本次诺贝尔生理医学奖的得主，他在毕业后加入了另一个研究怪生物秀丽隐杆线虫（拉丁名：Caenorhabditis elegans）的实验室。这种秀丽隐杆线虫作为遗传学研究模型的一大优点是，实验家们可以很方便地分离和鉴定大量表型迥异的遗传突变体，然后再抽丝剥茧般反推出这些异常表型后面的分子机理。

Victor Ambros和这个线虫实验室的另一个同事Gary Ruvkun合作，发现引发一种线虫突变型的基因终产物居然不是蛋白质而是一种微小的RNA分子，这个本身就相当地具有革命性了。更有甚者，他们首先发现的这个RNA分子仅仅是一个庞大miRNA调节基因表达这个大冰山的一角。还记得上面写的Kornberg揭示蛋白质调控DNA基因表达吗？Ambros和Ruvkun一下子就给这个基础过程又加入了RNA的角色，这样，中心法则早就不是线性的，而是网络化了。

这个发现太太太够得上一个诺贝尔奖了。

微小RNA可以通过和细胞内的信息RNA相配对而抑制降解对方，从而达到特异性地熄灭细胞中某一基因的效果。我还记得miRNA开始成为我当年在药厂RNA部门同事关注和探路的话题。这是因为在制药研究中，为了研究某一基因是否有希望成为下一个新药的靶点，经常需要在体外模式的细胞中精准地除掉这个基因的产物，再观察细胞表型由此而来的变化。miRNA是否能成为这样一个工具？

但是，在区区几年的时间内，他们讨论的话题开始转移，miRNA渐渐听不到了，另一个很类似的名词却取而代之成为显学，它叫siRNA。

siRNA的全名叫small inhibitory RNA, 小抑制性RNA，它和今年的miRNA一样，有抑制细胞内基因表达的功能，而且他们的生化机理极为类似，但是其起源，发现的历史和后来的境遇却大不相同，我下面稍微细聊一下。

我们前面讲了，miRNA的发现和秀丽隐杆线虫作为一种遗传模式工具的伟大分不开，而siRNA的诞生却更和该虫的“颜值”有关，它是一种全透明而且拥有极易刺穿且能快速愈合的皮肤的生物。于是富有好奇心的科学家们开始把各种想得到想不到的大分子通过一种叫“显微注射”的技术摄入线虫体内，他们通体透明毫无隐私可言，各种生物学后果一览无遗。

该发生的总会发生的，RNA分子被注射入虫体后，该RNA所特意编码的线虫蛋白质居然消失得一干二净！一片详尽描述这个现象的文章发表于1998年的自然杂志，比miRNA的突破文章还晚了5年，但是基于siRNA的基因干扰技术在2006年就获得了诺贝尔奖，也就是在做出发现后的8年就得到最高认可。相比之下，miRNA从发现到获奖等了30年。为什么？

这就不能不谈到诺贝尔委员会的第二个偏爱：革命性的应用成就。

siRNA干扰作为清除细胞内基因的工具实在是太太太方便实用了！

在这个技术出来之前，特异性清除细胞内基因产物非常困难，可以用特异性极差的小分子化合物，或者引入压倒性地负调控基因（dominant negative），或者在从缺乏该基因的动物身上直接获取（且不说制造基因缺失的动物的难度），效果都不理想。有了它，实验生物学家可以轻松地找专业公司设计和目标基因匹配的短双链RNA，简单混入细胞培养皿就万事大吉了。

在2006年，siRNA正值顶峰的时候，谁都想不到，它作为一种基因失活技术在后来会快速失宠，几乎和它高楼大厦平地起般的崛起同样的令人炫目， 这是因为我们又有了CRISPR。

siRNA机理的来源，是细胞针对双链RNA病毒入侵而进化出来的一套防御机制。这套防御就是宿主细胞动员一套自身的分子剪刀，见到进犯的双联RNA就当成入侵者病毒而猛切一通。但是如果生物学家鸡贼一点的话，把这个双链RNA设计成和细胞自己的基因互相配对，那么细胞本来用于自保的分子剪刀，就会不分青红皂白把自体RNA也给剪了，这就是siRNA熄灭基因的原理。

同理，细菌也有防御病毒入侵的机制，不过攻击细菌的是一种特殊的病毒，叫做噬菌体，其遗传物质以为DNA为主，所以细菌的这种机制有精准切碎DNA的功能。而这种功能也被人类利用了，这就是CRISPR技术，比上面的siRNA技术高级太多了。因为mRNA仅仅是一个信使的功能，而且本来就不稳定，你把他切了，也仅仅是短暂地消除基因的表达。而CRISPR技术是从DNA的根子入手，可以永久性地改变人类的遗传特性，通过CRISPR剪刀精准设计人造Baby早就不是科幻小说了，现在仅仅是由于医学伦理的禁区而不让我们讨论这个问题。

CRISPR这个发现和技术从问世到获诺奖等了8年，和RNA干扰是一样的，但是理解和改造CRISPR比siRNA更难，所以我个人认为CRISPR成就比siRNA高一个档次。

除了能对人类社会带来的重大影响外，在简单的基因熄灭实验试剂领域里，CRISPR也全面压倒siRNA, 为什么，我们可以用一个不大恰当的比喻来说明。

最近中国试射了东风31洲际导弹，有网上讨论能否拦截它，这是很难的，因为ICBM末端速度超过10倍音速，那么什么是消除这个导弹威胁的最好方法呢？就是先发制人把他消灭在发射井里。

如果把发射井比成DNA， 而射出去的ICBM是RNA的话，RNA干扰就仿佛是在ICBM的末端拦截，拦得再好也不如把对方直接消灭在发射井里，CRISPR就是攻击DNA这个基因信息发射井。

2006，如日中天的siRNA干扰技术拿下诺奖之后，有些人对miRNA的前景有点担心，因为这两个体系的分子机理实在太类似了，从来就不乏选择的诺贝尔奖委员会也许很难把奖再次颁给一个如此相关的领域。但是随着RNA干扰如此快速地走下神坛，也许委员会的审美情趣又重新回到了生物分子功能的重新界定，终于让等了30年的miRNA的英雄们名至实归地凯旋。

多说一句，诺贝尔委员会的关注重点除了上述的两个方面外，我认为还有第三个：突破性的医学成就。例子包括体外受精技术的发明，治疗疟疾青蒿素和肿瘤的免疫治疗，预防新冠的mRNA疫苗，等等。

从miRNA到siRNA, 再到CRISPR, 你不得不惊叹科技的长江后浪推前浪，但是前浪不会就被拍死在沙滩上，因为知识是累计的，科学在螺旋中前进。你再看看今年的诺贝尔化学奖，蛋白质立体结构的预测，其实又何尝不是如此呢？

DNA和RNA仅仅解决了蛋白质一级结构的问题，也就是他们氨基酸单元的序列。如何解开蛋白质的三维立体结构？

这个始于1915年的诺贝尔奖得主布拉格父子，他们找到了通过X光对小分子晶体照射产生的电子衍射图反推物质晶格排列的方法，其中25岁的小布拉克至今仍是历史上最年轻的诺奖得主；1962年，用这个原理解出了血红蛋白结构也获得了诺贝尔奖；后来是复杂的核糖体和跨细胞膜的离子通道结构被解开，都是诺贝尔奖级别的成就。

X光衍射技术的限制在于必须在溶液中获得蛋白质的结晶，这个过程极其费力，而且有的蛋白质是无法结晶的。所以在2017年，一项叫做冷冻电镜的技术获得了诺贝尔奖，它是把蛋白质及其溶液冷冻后用高能电子扫描，直接获得蛋白质在活性状态中栩栩如生的图像，省去了获得晶体这一个瓶颈步骤。

冷冻电镜技术虽然简化了，但是你至少还得做实验吧。能否不做实验而直接预测？Christian Anfinsen由于严格论证了蛋白质的氨基酸序列决定它的立体结构，从而在1972年获得诺贝尔化学奖，这就给蛋白质立体结构的预测奠定了理论的可能性。今年的诺贝尔化学奖的一半授予了谷歌deepmind的两位大神，他们开法的阿尔法折叠算法体系在权威的蛋白评级竞赛中得分几乎完美，成为近些年计算生物学的最大革命。

那么是否说明实验科学就过时了呢？远非如此，靠纯理论计算的话，他们的模型远非完美，但是通过对已有蛋白结构数据库的建模，就能大大提高预测的精度。这些数据库是哪来的？当然是来自实验生物学家的埋头苦干。