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一个可能的诺贝尔化学奖 精选 已有 4019 次阅读 2011-4-16 16:19 |个人分类:科学|系统分类:科研笔记|关键词:诺贝尔 化学奖 评奖委员会 生物学奖  我们知道:诺贝尔化学奖委员会,不时地肯定化学和生物交叉的工作,比较常见的是生物化学和生物物理学的工作,有时也给分子生物学。 从2003到2009之间7年的诺贝尔化学奖,有5年给生物学研究:2003年钾通道的结构和水通道,2004年蛋白质降解,2006年基因转录的结构生物学研究,2008年绿色荧光蛋白,2009年合成蛋白质的核糖体结构。 结构生物学占了很大比重(2003、2006、2009)。 我们也知道:诺贝尔化学奖委员会经常犯错误,不该给的他们给了、该给的他们没给,两种错误都犯过。 2003年,不应该奖水通道的发现,因为并不足够突出:不是第一个通道(是第几十个通道)、也无特殊性。 2006年,化学家们只重视自己懂的,而忽略了同一科学领域中偏生物、但更重要的工作。基因转录领域,有两项工作的重要性毫无疑问高于解出转录因子的X线晶体结构:发现第一个转录因子(Mark Ptashne)、发现RNA多聚酶(Robert Roeder)。但诺贝尔化学奖委员会过分强调结构而忽略了转录领域中更重要的生物学工作。 基本可以放心:化学奖委员会一如既往地跨界出现错误,既不是第一次,也不会是最后一次。 不过,化学奖委员会继续给结构生物学发奖时,如果做到一个中等偏上的研究生的水平(比如本文就是给研究生上课过程中两句带过,也是中上研究生可以写出来),就可以公平地奖励一个大家都会公认的工作。谈不上将功补过,可以证明他们不都经常肤浅。 可以奖对于GPCR(G蛋白偶联受体)的结构生物学研究。 GPCR是细胞膜的跨膜蛋白,一般来说,把细胞外的信号转入细胞内。 GPCR的发现历史很长。第一个是在19世纪发现于眼睛视网膜上。1851年,Heinrich Müller发现视网膜红紫色,认为是血红蛋白造成。年轻的德国医生Franz Boll(1849–1879)实验证明视网膜漂白并提出其物质基础是“红紫物质”,存在于视干细胞,进行光化学反应。不幸他因肺结核而英年早逝。Boll发表1877年论文不久,德国医生Willy Kühne很快继续其研究,大量投入时间和精力,在1878到1882年间发表22篇论文,将红紫物质称为“视紫”(visual purple),发现光化学还原,并用胆盐提取了视紫,也就是后来大家所谓的“视干蛋白”(rhodopsin)。Kühne提出,光解构视干蛋白,解构的光化学反应产物刺激视神经。 以后实验证明,视干蛋白确实对视觉非常重要。 从生物化学和生物物理学角度来说,这是第一个细胞膜蛋白。不仅对于理解视觉有推动,而且有助于以后研究和理解其他一些膜蛋白。很长时间,这是唯一被较多人研究的膜蛋白。 视干蛋白不仅存在于有视觉的高等动物,也存在于细菌中:用于感光,虽然不能形成视觉。 哺乳类的视干蛋白由约350个氨基酸连接组成。到1970年,洛杉矶加州大学的研究者获得其9个氨基酸顺序,1977年美国的Hargrave获得其16个氨基酸顺序。1983年,通过分子生物学帮助,Hargrave等和俄国的Ovchinnikov等分别推出牛视干蛋白的全顺序。 1960到1980年代,发现G蛋白调节很多递质和激素的受体,这些受体就都称为GPCR(G蛋白调节受体),氨基酸顺序类似于视干蛋白。因为发现G调节蛋白和提出GPCR概念,美国的Alfred Gilman和Martin Rodbell获1994年诺贝尔生理或医学奖。  这样,研究视干蛋白和研究一般GPCR实质是同一类研究,差别只在于视干蛋白参与细胞对光的反应、其他GPCR一般来说参与细胞对细胞外化学分子的反应,2011年3月发现果蝇视干蛋白可能参与对温度反应。 用X线晶体衍射研究蛋白质的空间三维结构,是理解蛋白质功能的一个重要途径,可以在分子和原子水平上理解生物分子如何起作用,还可以通过结构提出合理的方法设计新的药物,所以一直是生物与化学/物理交叉的一个重要领域。不仅以上提到的2003年以后多次诺贝尔化学奖给结构生物学,以前也较多,如:1962年Max Perutz和John Kendrew,1964年Dorothy Hodgkin,1982年Aaron Klug,1988年Johann Deisenhofer,Robert Huber和Hartmut … Continue reading

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很美的句子(英汉对照) 热度 22已有 190 次阅读 2011-3-17 13:13 1.一个人总要走陌生的路,看陌生的风景,听陌生的歌,然后在某个不经意的瞬间,你会发现,原本是费尽心机想要忘记的事情真的就那么忘记了。 1.One is always on a strange road, watching strange scenery and listeningto strange music. Then one day, you will find that the things you tryhard to forget are already gone.   2.幸福,不是长生不老,不是大鱼大肉,不是权倾朝野。幸福是每一个微小的生活愿望达成。当你想吃的时候有得吃,想被爱的时候有人来爱你。 2.Happiness is … Continue reading

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华盛顿大学 饶毅 自从诺贝尔奖获得者马立斯发明多聚酶链反应(PCR)后,这一技术给生物学家提供了一个强有力的手段,可以大量扩增极微量的DNA。这个技术,除了用于生物学研究外,也给其它行业或学科提供了新方法。因为这一技术的极高敏感性,每个使用都面临着是否正确、谨慎,避免假阳性结果和污染的问题。 考古学家,对于PCR的应用最初有很大的热情,希望以此帮助他们分析古老样本中的DNA。经过7、8年的实践,觉得这一技术有有用之处,也有局限。局限主要有二个方面,一是前面提到的污染问题,这是所有PCR应用都要注意的问题,在考古上又更突出,因为样本的野外来源和时间的久远。第二个局限是DNA化学性质变化的问题。DNA的自发降解,主要是因去嘌呤化。DNA降解后,是不能再为PCR检测到的。 最近,德国慕尼黑大学帕伯实验室,对PCR在考古上的应用进行了分析。他们的文章发表在今年五月十日的《科学》杂志。帕伯是将PCR应用于考古学的先驱和权威之一。他们收集了好些古生物样本,比较了其中氨基酸和DNA性状。他们的结论是:在温带地区(如埃及),DNA保留以几千年为限,在寒冷地区,DNA保存期以十万年为限。超过这些期限的DNA,一般被降解的不再能被检测到了。 他们这种结论自然就给以前声称找到恐龙DNA的报道打上了问号。帕伯实验室特意重新分析了在科学刊物或媒体报道过的4个恐龙样本。一个是美国蒙大拿州的,一个是美国犹池州的,二个来自南极的。他们重分析的结果显示这几个样本中的DNA不太可能保存下来了,他们也发现这些样本有近代生物的污染(包括南极寒冷条件下保存的样本也有污染)。因为有这二个问题,他们推论从这些样本中取得恐龙DNA的可能性极小。 PCR在考古学中还是有可用之处,但越古老的样本,保存条件要求越高。帕伯实验室发现,存在于琥珀中的昆虫DNA,保存特别好。猜想这可能是琥珀给昆虫样本造成了一个疏水环境,这种环境大大减慢了DNA的降解。琥珀将昆虫样本迅速地与外界封闭起来,又减少了污染的可能。 PCR在考古学上遇到的这些问题,证明了应用一个新技术所需要的谨慎。PCR正确地应用于法医学,也有很好的成功。最近一个例子,是美国、英国和俄国科学家合作,成功地分析了几十年前被秘密处决的沙皇家庭的DNA。证明了乱山岗中挖出的一堆骨头确为沙皇家庭成员及其医生的,并证明了一位几十年号称为沙皇女儿的波兰裔美国人不可能是沙皇家庭成员,而肯定是一位波兰人的亲戚。也就是说,PCR的正确应用仍将会是现代科学的有力工具。 1996年发表于《中国科学报》  

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细胞分裂的分子原理——一个值诺贝尔奖的科学领域 华盛顿大学 中国科学院 饶毅 细胞是许多生命形式的基本单元。细胞进行分裂是细胞生长的重要环节。过去二十年的研究表明:从简单的单细胞生物酵母,到复杂如人的多细胞生物,通用一个相同的分子机器,控制细胞分裂的周期性过程。这一领域的成果,不仅解答了细胞生物学的基本问题,并直接推动了包括癌症研究在内的其它领域。其重要性清楚地置其于诺贝尔奖候选范围。 很长以来已经知道,细胞分裂周期是很有规律的。二个大的过程是DNA合成和细胞分裂本身。它们分别发表在细胞周期的S和M期。这二个相中间又有所谓“间期”。这些亚期的循序发生,构成一个整的细胞分裂周期,在不同的细胞其形式大同小异。 对细胞周期研究的突破,来源于对酵母、青蛙和一种低等海洋生物的研究。七十年代初,美国西雅图的华盛顿大学哈特沃(Leland Hartwell),用遗传学方法筛选一种酵母中控制细胞周期的基因,他发现的一群基因,成为八十年代和九十年代人们研究细胞周期的主要对象。也在七十年代,英国牛津大学的勒思(Paul Nurse),用另外一种酵母找影响细胞周期的基因。他对其中一个基因进行了进一步的分子生物学和生物化学研究,证明这个基因的产物是一种蛋白激酶。这个酶的激活和失活,是决定细胞周期运转的关键。用青蛙的卵细胞做细胞周期的研究,在六十年代底、七十年代初有一重要进展提示有某种显性物质有作用,但这种物质的本质指导八十年代中才开始被揭示。一九八八年美国科罗拉多大学的马勒,和加州大学圣迭哥校区的纽波特分别领导的二个小组纯化了这种物质,发现其主要成分之一就是跟酵母中那个酶一样的分子。其中另外一个主要成分后来发现是跟一种叫“循环素”一样的分子。循环素是1983年英国的汉特实验室最早从海洋无脊椎动物中找到的,其特点是在细胞周期的不同阶段有涨有落。这二个分子,特定的蛋白激酶和循环素,就构成了细胞周期的核心机器,从简单细胞到人都相似。 迄今为止,受细胞周期研究突破影响最大的是癌症研究。细胞周期的失调是癌症的根本原因。已经有确切的证据表明,有一些癌症的产生是因为直接调控细胞周期机器的基因失常。也有工作发现,一些对细胞分裂周期机器有刹车作用的分子,可以用来控制一些恶性分裂。这种性质的研究都是现在的前沿课题。 细胞周期研究的突破,无疑值得给诺贝尔奖。其中美国的哈特沃和英国的勒恩二位特别突出。有无第三位则不易定。至于哪一年得则更难猜了。以前有快的如杨振宁、李政道工作出来一年得奖的,慢的有如基因工程开创者(加州大学的波耶尔和斯坦福大学的科恩)至今还未得奖的。当然得奖是否重要,则取决于每个人的观点了。 (本文于1998年发表于《科技日报》, 2001年以上介绍的Hartwell、 Nurse 和Hunt获得诺贝尔奖)  

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分子生物学在过去半个世纪的发展,对人类健康和医学发展产生了质的推动。其成果之一是带动过去十几年医学分子生物学的成长,已经形成一门新的学科分子医学。基因疗法就是其中一个令人兴奋的领域。它的应用范围较广,不只限于传统概念中的遗传疾病,对肿瘤、传染病等都提供了新的治疗或预防途径。 基因疗法是基于对遗传物质即核酸的应用。广义而言,人为地有目的地对人体DNA或RNA进行处理,都是基因疗法。实际应用上,目前主要在于三个方面。一是跟踪体内细胞,二是治疗疾病,三是预防疾病。 体内细胞跟踪,是将特定的示踪基因,导入一定细胞内, 以后可以靠追踪这个基因来观察这些细胞到身体什么部位,命运如何等。严格地说,这只是帮助一些研究工作,不是治疗。但这种方法,可以用来辅助一些真正的治疗,比如看疗效或帮助跟踪肿瘤转移情况。 治疗疾病,是通常人们最容易想到的基因疗法的用途。理论上,可以有体细胞基因治疗和性细胞基因治疗二种。前者是对个体基因治疗,不影响其后代。后者是对个体的遗传系统进行改造,以至影响其后代的基因。这样,性细胞基因疗法将影响人类将来,有广泛社会后果,因此,社会和伦理的重要课题没有达到人类人类共识前,现在不能进行人类性细胞的基因疗法方面的研究。这个情况主要不是技术上的问题,因为在老鼠里,科学家们已经做了大量的性细胞基因改造的工作。对人类进行的基因疗法, 现在都是体细胞治疗。迄今做的多的是遗传病的体细胞基因疗法。已知一些遗传病是单个基因变化所造成。如果是功能缺乏性的变化,就可用基因疗法,人为地引入一个正常的基因,从而治疗疾病。这种治疗已有临床实验了。这种用途有几个局限因素。不是所有基因变化可以用引入正常基因所纠正。比如一个基因变化后,不是简单的失去功能,而是起了一个新的功能而造成疾病的话,单靠引入正常基因是不能治病的,这时需要的是要去掉原来的坏基因,换上好基因。这种基因置换型的基因疗法,在人类尚无成功进行。非遗传病的基因疗法有多方面。一个是可以作为给药系统,比如肾透析的病人血中红细胞会下降,常规对策是用红细胞生成素。这种药价格昂贵,长期注射给药也不方便。理论上,可以把红细胞生成素的基因导入体内,让人体细胞自行造药。基因疗法也可用于许多肿瘤的治疗。比如很多肿瘤是因一个叫p53的基因变化所致。将正常的p53导入肿瘤细胞,在有些肿瘤中有治疗作用。基因疗法应用于传染病方面的研究,也有很多科学家重视。特别是病毒类的疾病,常规疗法很少有效。人们寄希望于基因疗法。目前做的最多的自然是爱滋病。 基因疗法的第三大主要应用是预防疾病。这项应用是近几年特别才重视起来的。从其趋势来看有可能是最快能成熟起来的技术。因为制造基因疫苗来防病,用的是基因技术中最简易和可行的部分:表达基因产物。这个产物如果是可以引起保护性免疫的合适的旦白质,就可以有疫苗作用。基因长期表达产物,是多数基因疗法需解决的问题,但这一问题对疫苗最容易解决,因为疫苗不要求长期产生旦白质,只要短期有足量旦白质产生就可以了。已经有成功的例子,显示可以用基因疫苗替代卡介苗对付结核病。对其它一起常见传染病,比如在中国威害大的肝炎, 基因疫苗的前景也很吸引人。 对基因疗法研究最多的是美国,六年前批准第一次进入人体以来,到现在已有一百多个临床实验,美国国立卫生研究院,每年提供约二亿美元用于基因疗法有关的研究。而且产业界也兴趣日增,目前产业界对基因疗法的投资,已经超过国家投资。各方面来的信心使基因疗法这个年轻的领域充满活力。在基因载体的完善,转导能力的改进、表达水平的提高,临床应用和观察,疗效判断等多方面,都有科学家和临床医生在进行不断的努力。 美国科学家重视的,首先自然是美国常见的疾病。这样,给中国科学家和临床工作者留下了一片需进行研究的领域:中国常见或特有的疾病。对这些病的治疗和预防进行探讨,也是中国人群对中国科学家和临床医生的要求。

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华盛顿大学 饶毅 人的胖与瘦是由什么决定的?太胖了是否有可能治疗?对这二个问题的回答,过去一年的科学研究有很大的实质性进展。 初步的答案是:基因对体重控制有主导作用,有一个基因已经拿到,用它可能可以调节体重。之所以说初步,是因为还有一些问题没全搞清楚。已经明确的是:人类对这方面的了解已经进入了一个崭新的时期。 体重不光是对人的长相重要,伴随体重超出正常范围所带来的,有一系列健康问题。比如,太胖的人易有高血压和糖尿病。体重是由摄入和排出的比例所决定。影响这一决定有好些因素:有环境的,有人体的。温度、昼夜周期会有影响,人的活动、情绪状态也起作用。但生物学家的研究表明,最重要的因素是基因。在各种因素综合考虑后,基因占了最主要的部分:百分之八十以上。这个结论已经知道有相当一段时间了。 那什么是决定体重的基因呢?能否拿到这些基因呢?这个问题的突破口不是在人身上,而是在于研究老鼠。美国缅因州贝港的杰克逊实验所(Jackson Laboratory, Bar Harbor, Maine)是一个专养老鼠的地方。位于风景秀丽的东海岸。这个所的研究人员几十年前发现一些特胖的老鼠。这些老鼠如果要是在自然界存在,那一定是早就成了猫食了:因为它们行动缓慢。在实验室发现这种老鼠,却成了科学家的好材料。它们的肥胖,是由于基因的突变所造成。用遗传学的分析发现有好几个基因,其中任何一个坏了,都会导致肥胖。有二个基因特别有意思,一个叫“胖子”(ob),一个叫“糖尿”(db,因为胖伴随糖尿)。这二个基因任何一个失活,都造成同样的肥胖等症状。但生理学实验结果推断,它们在控制体重的信号系统中起的作用是不同的。ob很可能是一个象激素一样的信号,由某个组织产生后分泌到血液里,能后作用于某个靶组织,如脑,进而影响摄食行为,最后调节体重。db的行为却不象是信号本身,而象是接受、执行这个信号的分子。 以上这些结论,都是在没有拿到ob, db分子的情况下以遗传和生理学进行的推测。 美国纽约的洛克菲勒大学是生命科学研究有很多贡献的中心之一。该校的杰弗里?弗雷曼教授(Jeffrey Friedman)的实验室,花了七年时间拿到了ob分子。 这里先解释一个分子生物学的基本概念:基因是编码蛋白质的基础,蛋白质是起生物功能的分子。在ob的情况下,ob基因是遗传信息,它的产物蛋白质是游离在血中的控制肥胖的直接信号。一般常常混起来说是因为分子生物学技术发展到今天,拿到基因就能得蛋白质,拿到蛋白质也就得基因,在技术上,只要有其一就很容易得其二,这样对一般的读者,常常没有清楚的解释。 弗雷曼实验室拿ob分子,也是可以随便选其中一条路:要么去分离血中ob蛋白质,要么去分离ob基因。这二条路一条是生物化学方法,一条是分子生物学。各有利弊。在没有最后答案以前,很难确定哪一条途径更好。它们后来是二条路都试了。但生化提蛋白质这条不畅,成功的是拿基因。1994年12月他们在《自然》杂志发表文章宣布他们成功地拿到了ob基因。这篇文章的第一作者是一位来自中国的科学家张一影。 他们的工作立即将体重控制的研究推进到分子生物阶段。他们发现,ob基因是在脂肪组织里活跃:它只在脂肪组织里生产出相应的蛋白质产物出来。他们现在把这个蛋白质产物叫“瘦素” (leptin)。瘦素的行为真的象以前遗传和生理学分析所推论的一样:它是一个象激素一样的分子,由脂肪产生,进到血里,再到脑中一个叫下丘脑的地方控制摄食行为。这种分子生物的直接证据,高度相符于经典遗传和传统生理研究推论的美妙,是现代生物学常使研究者感到津津有味之处。 生命科学的基础研究经常是有应用价值的。ob基因便是新的例子。弗雷曼实验室的初步成功,立即吸引了不同的人,一方面,多个实验室大力推进科学研究,一方面多个制药和生物工程企业竞相与弗雷曼实验室签约。 过去数月有4篇文章在《自然》和《科学》杂志上发表,不同的实验室证明ob的产物(瘦素)确实是能控制体重的。在ob基因坏了的肥胖鼠身上,注射了瘦素后,体重在几天内大幅度减低。说明对一部分病态肥胖鼠,瘦素是有治疗作用的。这种鼠,不光瘦下来了,行为也明显活跃起来。有意思的是:对正常鼠,瘦素也可以使其体重下降百分之十二左右。 瘦素对人有意义吗? 对此问题,还没有答案。已经知道,人也有同样的ob基因和其产物瘦素。人的瘦素在鼠身上也有作用。但在人身上的作用还没有试。因为先要经过严格的初步实验,证明瘦素注射到人身上不会产生毒性副作用后,才能进一步探索它的好作用。很多人都在等着看其结果。对于生物学家来说,老鼠跟人是很接近的。需知果蝇的基因都有一些到人是一样的,才能体会到鼠和人的相似性更大。但是,人与鼠自然有一些差别。在ob和瘦素这个故事里,人和鼠是同还是异?这还得等进一步的实验了。 瘦素是不是就完全解决了肥胖的控制问题? 不是的。如前所述,还有其它基因参与体重调节,如db就是一个。生物学家们还在试图拿到它。 如果瘦素对人有作用,是否它是减肥的灵丹妙药? 这个问题的答案,要因人而异了。在老鼠里,已经知道ob基因坏了的鼠用瘦素有显著作用;正常鼠,有一定作用;但db基因坏了的,用瘦素毫无效果。由此推测,人群中有一些有时瘦素有反应,有些反应要小或无了。或许,体内有正常瘦素产生的人,再多加一些作用不一定大;体内有超出正常量瘦素的人,再加就没有意义了;瘦素偏低者,其中一部分加一些可能有效。真正有效的药都是有针对性的。只有假药,才能厚着脸称“包治一切”某某病。 本文1995年发表于《健康报》

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饶毅 人各有所好, 很难有众所认同的世界上“最重要”的事物; 但是, 从人类社会的角度看,很少人会认为人脑没有关键作用,有少数人“持”此观点也实质上反证了正常脑的重要性。对脑和神经系统的科学研究近年有显著的进展,一门新的交叉学科-神经科学是过去二十多年中发展最为迅速的学科之一。它应用生命科学和物理科学,信息科学的综合途径,从分子、细胞到计算网络、心理多个水平,对神经系统的形成,正常功能和异常病变进行研究。神经科学研究,对改善现代社会的健康、推进传统药物工业和新型生物工程企业、和发展科学都是有意义的。 一. 神经科学对社会和科学发展的意义 1.1  神经科学对社会健康的意义 对于社会的发展和人类的健康,人脑所起的作用是世间任何事物不可替代的。神经科学研究对每个年龄层次的人都有意义。出生前的胎儿神经系统的形成和发育是正常脑功能的决定性基础;儿童脑的可塑性发育是人才智力和健康心理形成的关键;成年人脑的有效工作取决于神经网络中信息的高效传递和加工;老年人健康生活依赖于有无病理性衰变和神经损伤。 从发达国家的经历来看,随着以前常见病的减少和消失,影响人的高级功能的病如各种脑疾患占的比例会越来越高。这些疾病极大地影响人的健康,而且造成巨大家庭和社会负担,转用了本来可以用于社会发展的精力和经费。美国九十年代初的统计结果,65岁以上的人患老年痴呆占百分之11,每年消耗1131亿美元,精神疾病每年消耗351亿,脊柱损伤消耗226亿,中风消耗179亿,癫痫和多发性侧束硬化消耗55亿。中国这方面统计尚不全,在北京、上海的初步统计显示65岁以上的人患老年痴呆占百分之4.9,从健康史上看,中国人群脑疾患的整个趋势是会不断接近发达国家的。 人口素质的核心是智力。提高人口素质和控制脑疾患是世界性问题。而在中国,因为特殊的人口结构,又是更突出的课题。每 对 夫 妻 只 生 一 个 孩 子 的政策使全社会普遍关注每一个儿童的健康成长,其中很重要的就是脑功能的发育和成长。“一胎”政策和医疗的改善造成老年人口比重增加,而且老年人的脑疾患也明显增加,这就要求对老年人常见的脑疾患要有有效的预防和控制。这些都是神经科学研究的课题。 1.2  神经科学对社会发展的意义 神经科学既是传统药物工业的主要基础,也是现代高技术产业-生物工程的重要支柱之一。传统药物工业的成功很大一部分归功于神经药理的研究。神经药理不仅仅是推出了大家可以想象的神经系统或神经疾患的药物,如各种麻醉药物、控制巴金森氏综合症的药物、控制精神病的药物、影响睡眠的药物等;神经药理也推出了大部分心血管药物,如很多控制血压、心律、微循环的药物都是靠影响神经对心血管的调节,从而达到控制心血管的目的。治疗呼吸系统和消化系统的药物,也依赖和借鉴神经药理的研究结果,比如一些控制鼻塞、哮喘的药和控制胃酸的药是调节神经信号而产生作用。因为神经药理对大量药物发展非常重要,所以世界上传统药物工业起家的大药厂,靠神经药理为基础的占了很大比重,迄今仍是药物工业主力。 现代生物工程产业,是以分子生物学为基础。这一新型高技术产业还在快速发展,有大量企业兴起,已经有成功利润的企业屈指可数。就在这些成功的企业中,神经科学相关的药物也很受重视。比如,包括老年痴呆在内的神经退行性变的危害之广,使大家有共识其药物市场是很大的。因此,美国几家专攻神经退行性变的生物技术公司,股票上市时曾创记录。而且,靠传统药物工业起家的大药厂在吸收和推进生物技术产业的过程中,也注重神经科学有关的生物工程药物。 1.3  神经科学发展的科学意义 神经科学是综合性很强的交叉学科。它综合了多门学科,对神经系统进行全面的研究。它得益于这些学科,又推动这些学科;加速神经科学的发展可以带动一批相关学科的发展。 传统上,神经科学来源于生理学、生物化学、生物物理学、药理学、解剖学、胚胎学、神经病学和精神病学。在七十年代初神经科学形成单独的学科,到八十年代定型。分子生物学、遗传学、影象学、计算网络(神经网络)和认知科学等对神经科学的促进在近十到二十年很为明显。 以前,神经科学的各亚学科侧重单一的研究策略。神经解剖学发现神经系统的基本结构;神经生理学分析神经系统内信息传递的基本规律;生物物理学研究神经细胞的物理特性;神经生物化学找到神经系统的主要化学成份;神经遗传学了解影响神经系统结构和功能的遗传因素,这些基础科学部分成神经科学中的神经生物学部分。神经药理学一方面寻找治疗疾病的药物,另一方面用分子作为工具来探索神经系统的功能;神经病理学着重神经、精神疾病的解剖结构变化;神经病学和精神病学主要是疾病的临床分析和治疗;放射学仅起辅助临床诊断的作用;而心理学更是与自然科学缺乏联系。 现代神经科学的发展使其各亚学科有活跃的相互作用。这即表现在多学科的技术交叉上,也体现于学术思想和概念的交融上。现在,当神经生物学家用分子生物学发现一个基因及其产物分子后,要用多个途径研究它在神经系统形成和功能中的作用:可用免疫学技术辅助,靠解剖学观察来定位基因产物在神经系统什么部位存在,以生物物理学手段分析基因产物对神经细胞电活动的影响,用生理学方法研究它在信息传递中的作用。这些基本特征了解后,也可进一步用转基因技术或基因剔除技术来增加或减少基因产物的存在量,然后研究脑的高级功能的变化,如通过行为的分析看学习记忆是否受影响,或通过行为、病理等分析看是否导致了疾病的发生。这些综合研究可以揭示特定的基因是否参与脑的高级功能、或影响神经系统的疾病发生。现代影象学在神经科学中的应用是物理科学与生命科学相互作用的一个范例。正电子扫描和功能性核磁共振等无创性成象技术使人们观察活体脑的美梦成为可能;而神经系统的精细和复杂也要求和驱使这些技术不断改进和提高。神经系统内信息传递是控制论早期就感兴趣的问题。人脑具有所有人造机器所不及之处,信息科学一方面可以它为研究目的,一方面可以借鉴其优点,以改善人造机器。 因为神经科学高度综合性的特点,神经科学的发展能够有助于驱动一系列相关学科,这也是国际上对神经科学高度重视的从学术发展角度来考虑的原因。现代神经科学综合了分子生物学、细胞生物学、解剖学、组织学、发育生物学、生理学、生物化学、生物物理学、遗传学、药理学、免疫学、病理学、神经病学、精神病学、影象学、计算网络、控制论、心理学、认知科学等多门学科。推动神经科学发展可以带动多门相关学科的发展。 1.4  国际社会和国际科技界对神经科学的重视 国际社会对神经科学很重视。美国总统和国会定九十年代为“脑的十年”,欧洲推出“欧洲脑十年”,日本有二十年“脑科学时代”等计划,都是为了推动神经科学。美国国立健康研究院1997年度投入直接与神经科学有关的经费为18亿美元,是其人类基因计划的10倍多。美国国家科学基金会总共22亿年经费中,用于神经科学的经费与其对数学、物理和化学这种大学科的研究经费在相近数量范围。日本“脑科学时代”计划年投入1000亿日元(约8亿美元),总投入2万亿日元,为其“超级钢材计划”的10倍。这些投入一方面是为人的健康,一方面也期望对脑的研究揭示新的奥秘能推动药物工业和生物技术产业,并有助于将来改进人造机器如计算机。 从国际科技界看,早在50年代,一批控制论的先驱就注重神经系统。从60年代起,一批分子生物学的开创者,包括DNA结构发现者、英国科学家克里克,纷纷转向神经科学的研究领域,使神经科学的发展有更多高质量的人员加入研究行列。神经科学的发展速度也表现在其从业人员的增长速度上。美国神经科学会于1970年成立时仅500多会员,到1998年已有2万8千以上了,这个上升趋势还未进入平台期。每年学会年会都有2万多人参加。作为比较的数字:美国数学会成立于1888年,现有会员3万;美国物理学会成立于1899年,现有会员4万。这样看,神经科学的规模已经不在数理科学的亚学科的规模,而是与大学科的规模在一个数量级了。这个比较结果,并不意味着神经科学与数学科学或物理科学在科学领域的比较,但是却反映了神经科学研究人员和梯队的发展规模和趋势。 二. 神经科学前沿简介 对于脑的好奇心,人们长久已有。对于人脑的好奇更是与对于人本身的好奇紧密相关。对神经系统的科学研究大部分是本世纪进行的。神经科学这门综合学科在过去二十多年中有显著的进展,深化了我们对神经系统的奥妙的了解,改善了对神经系统疾病的预防、诊断和治疗,促进了相关学科的发展。这里,简单介绍神经科学的一些进展,使人们了解神经科学为什么是令人兴奋的一个前沿学科。 2.1 脑的高级功能 脑的高级功能是生命科学中,乃至所有科学中,最令人感兴趣的问题之一。 学习记忆这个领域,从巴甫洛夫的工作以后较长时间进展缓慢,但在最近二十年中有较多进展。先在低等动物中,后在高等动物中,神经生物学家们对学习记忆的细胞和分子生物学原理终于有了一定的了解。在七十年代和八十年代,以美国哥伦比亚大学的肯德尔为代表的科学家们,用低等动物海兔研究了一些简单行为的学习记忆过程。他们找到了这些行为所需要的神经环路,揭示了其学习记忆所依赖的细胞和亚细胞结构(特定的突触),发现了神经信息的变化,并证明了第二信使cAMP的重要性。在高等动物中,七十年代,英国的布理斯和挪威的洛默发现长期性增强作用(LTP),被认为是神经可塑性的细胞机理。其后二十多年内,LTP已在脑内多个部位观察到,并有证据显示是与一些学习记忆的行为有联系。八、九十年代,以旧金山加州大学的尼科和斯坦福大学的华裔科学家钱永佑为代表的电生理学家们推进了人们对LTP的神经生理的了解。九十年代,以麻省理工学院的日裔科学家利根川和哥伦比亚大学的肯德尔为主的科学家们,用分子生物学结合神经生物学,研究高等动物学习记忆的分子机理,发现了一些影响学习记忆的基因,也再次发现cAMP的重要性,提示低等动物和高等动物的学习记忆原理有一部分相似性。肯德尔对低等动物和高等动物学习记忆的研究贡献被普遍认为是诺贝尔奖的热门候选者。近年,一些以前人们认为在发育中起营养性作用的分子,也被发现影响LTP的出现,从而提出它们可能参与脑的可塑性过程。从分子、细胞水平到整体、行为水平,学习记忆整个领域呈现一片活跃。应该指出的是,已故的中国神经生物学家、美国科学院院士、中国科学院上海生理研究所的冯德培曾在神经可塑性领域作出重要贡献。三十年代,冯德培在当时的中国生命科学研究中心-北平协和医学院-工作时,发现强直后增强作用(PTP),这一工作实质上是第一个细胞水平的神经可塑性发现。近六十年后,冯德培到肯德尔处访问时,肯德尔让大家“向神经可塑性的先驱致敬”。九十年代,冯德培实验室又在LTP方面作出成绩。目前,中国神经科学界,包括上海脑研究所,还在继续进行学习记忆的研究。 无创性成象技术在神经科学的成功应用,使人们对脑的高级功能研究进入了前所未有的境界。生命科学上有这样一个事实:很多“生物”学的知识是从“死物”身上、或者从活的部件上所得到。虽然这样的研究方式也告诉了我们很多结果,可是我们大家都知道,脑功能的奥妙之一在于其整体和活体起的作用是与局部和死的系统有质的不同。所以神经科学家特别期待观察活体脑的机会。现代无创性成象技术终于第一次使这个幻想成为现实。正电子发射断层扫描(PET)是通过监测发射正电子的分子在脑内的分布,来了解脑内功能活动。这些发射正电子的分子是由人为导入,根据需要可以观察血流、也可以观察脑内神经递质等分子。以美国华盛顿大学雷克尔为代表的科学家们,将PET应用于脑功能多方面研究,使人们真的得以窥视活体脑的工作。比如,有报道:音乐家和一般人在听音乐时用的脑区是不一样的;也有发现,同一词汇,人把它作为动词想时和作为名词想时用的脑区不一样。在以前,神经科学的内行与外行一样,对这类无从着手研究的”理论性”题目都是只能进行”思辨”的,无创性成象技术才第一次把它们置于真正的科学基础上。功能性核磁共振(fNMR)是另一已成功应用的无创性成象技术。在脑内,fNMR主要检测有氧对无氧血红蛋白的比例,从而观察脑内局部区域血流量,而脑血流量能显示脑局部区域活动情况。它的用处与PET的重叠,但它无需使用人工的同位素,这样更是安全,虽然它能检测的分子也受限制。这些无创性成象技术都能用于疾病的诊断和早期诊断,所以为科学家和临床医生都提供了强有力的手段。 2.2 脑和神经系统的疾病 脑和神经系统的疾患是现代社会占比重越来越大的健康问题,在中国这种不断老化的人群中更是迫切希望能得到解决或控制。神经科学的综合研究,为多个脑疾患的诊断和治疗提供了可能和希望。不仅如此,对神经系统疾患的研究还为其它疾病,如各种癌症,提供了一些有普遍意义的结果和教益。 老年性痴呆是以前在中国不被重视的问题。也许就是因为其常见,很多人以为老年的脑功能病理衰退是正常“老化”。现代神经科学告诉我们,老年痴呆是异常的病变。在过去科学不发达的漫长岁月里,人的寿命是不长的,这样在进化的过程中就没有把造成老年性痴呆的疾病基因筛选、淘汰掉。现在人的寿命延长后,老年性疾病也就增加得很快。九十年代的神经遗传学和分子神经生物学研究开始揭示了老年性痴呆的分子基础。以现在美国华盛顿大学的英国科学家戈娣和现在弗罗里达大学的英国科学家哈狄在九十年代初的发现为领先,迄今已经有四个基因被证明参与老年性痴呆的发病,其中三个中间任何一个坏了都不光造成发病,而且提早发病年龄。这三个基因是多个遗传因素的一部分,如果中国研究出现在已知的这几个基因和将来会知道的其他有关基因在中国人群的致病性突变位点,在理论上就可以进行产前诊断,以避免在老化人群中老年性痴呆发病率的不断增高。利用分子遗传学,神经科学家们也建立了用于药物筛选的老年性痴呆的动物模型。 因为美国国立健康研究院科学家的工作,在1997年也终于发现了第一个造成巴金森氏病的基因,现在世界神经科学界正在探索这个基因的重要性,并希望找到更多的致病基因。长期困扰人类的精神病,在过去几年中也有进展,已经有几个研究小组开始逼近精神分裂症的基因了。中风是常见的脑疾患之一,它的分子和细胞生物学机理在过去十几年被仔细研究。以华盛顿大学的韩/华裔美国科学家崔为代表的神经科学家们,发现了钙离子和谷胺酸受体在中风导致的脑细胞死亡中的作用。中风的细胞和整体动物模型的建立,为筛选治疗药物提供了扎实的基础。 1997年的诺贝尔奖是发给旧金山加州大学的神经病学家普鲁辛勒。他研究的是一种神经退行性病变,他提出这种病是由蛋白质造成的传染病,病原蛋白质可以通过改变蛋白质结构,使正常蛋白质转化成致病蛋白质。他的假说,在八十年代很不为人接受,因为一方面大家公认传染病都需要含核酸的病原体,另一方面,人们难以理解蛋白质结构改变如何参与致病,所以,普鲁辛勒的假说最初多年是为人嘲笑的。过去十年中,越来越多的研究支持其假说,虽然至今仍未完全证明。如果他是对的话,对分子生物学和生物化学都带来突破,开辟新的领域。 2.3 脑发育的分子原理 … Continue reading

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