俄国在自然科学方面,可能是物理学曾最为辉煌。
俄国的生物学,也曾有巴甫洛夫等的工作。
但俄国生物学受李森科主义的巨大打击,说是致命的也未尝不可,至少迄今尚未恢复。
李森科主义是伪科学,借助当时的权力机构,摧残了苏联已有的生物学和遗传学。把孟德尔和摩尔根的遗传学称为资产阶级的,实际最后受到讥笑和惩罚的是苏联。
在时间上,分子生物学在世界兴起的时间,正好是李森科主义的后期。世界的科学风起云涌,苏联的生物学堕落到深渊(或其最低点)。
从1940年代迄今,苏联-俄国生物学罕见值得世界重视的研究工作,甚至可以说:在生命科学绝大部分领域,不仅它没有带领什么学科,而且它产生的东西,就是抹掉,也不影响世界的科学。
但是,在这漆黑一片的情况下,也有偶尔的闪光点。
例如,在视觉生物学,苏联在1980年代有两篇文章,非常好,从外界看来,有点像空穴来风,估计里面有我们外界不易知道的内情。
1983年,Ovchinnikov等用俄文发表论文,报道他们确定了视紫红质的全部氨基酸序列。这一工作,与美国的并驾齐驱(Hargrave et al., 1983是部分序列,1985也是全部序列)。
1985年Fesenko等在Nature发表论文,证明cGMP调控视杆细胞对光反应。这是我们读研究生期间,美国大学神经生理学普遍惊艳需要读一篇苏联的文章。
这两项工作,是视觉研究的重要工作。光作用于视网膜的细胞(如视杆细胞)后,直接的对象是视紫红质这一膜蛋白。确定其氨基酸序列是一项里程碑工作,实际比以后获得诺奖的嗅觉受体更重要(因为嗅觉受体的起步就是以类似视觉的感光蛋白为基础)。感光蛋白被激活后,细胞内是什么分子进一步介导其作用,而调控细胞膜的离子通道?当时莫衷一是。Fesenko的研究,得到了正确的结论。
Ovchinnikov Iu A, Abdulaev NG, Feigina M, Artamonov ID, Bogachuk AS (1983) Visual rhodopsin. III. Complete amino acid sequence and topography in a membrane. Bioorganicheskaia Khimiia 9:1331–1340.
Fesenko EE, Kolesnikov SS and Lyubarsky AL (1985) Induction by cyclic GMP of cationic conductance in plasma membrane of retinal rod outer segment. Nature 313:310 –313.
Hargrave PA, McDowell JH, Sremiatkowski-Juszczak EC, Fong S-L, Kuhn H, Wang JK, Curtis DR, Mohana Rao JK, Argos P, and Feldmann RJ (1982). The carboxy terminal one-third of bovine rhodopsin: its structure and function. Vision Research 22:1429-1438.
Hargrave PA, McDowell JH, Curtis DR, Wang JK, Juszczak E, Fong SL, Rao JK, Argos P (1983) The structure of bovine rhodopsin. Biophysics of Structure and Mechanism 9:235–244.
2019年
以下节选自饶毅《生物学概念与途径》第十一章
11.7 色觉的分子基础
Wald研究过不同色觉的细胞,发现它们都用视黄醛,但所用的光蛋白不同。那么,如何找到人类对不同颜色反应的光蛋白?1980年代初期,Jeremy Nathans(1958-)在Stanford大学做研究生,导师为David Hogness。Hogness从1960年代末起研究果蝇发育的分子生物学,并不断推广果蝇分子生物学技术,但Nathans加入Hogness实验室的研究,是分析人类的色觉蛋白基因,而且坚持在果蝇实验室研究人的基因。
1982年已有牛视紫蛋白的部分氨基酸序列发表了。1983年美国的Hargrave和苏联的Ovchinnikov分析获得了牛视紫蛋白的全长氨基酸序列。
已知主管明暗的视紫蛋白后,怎么样才能拿到色觉的光蛋白呢?
1983年,Nathan与Hogness清晰地介绍了他们的策略。他们推测感色觉的光蛋白(我们这里姑且称为视锥光蛋白,因为应该是存在于视锥细胞中)与视紫蛋白有部分序列相似性,所以可以通过视紫蛋白找到视锥光蛋白。Nathans的研究用了四步。第一步,通过已知的牛视紫蛋白部分序列,找到其编码的cDNA而预测其全长蛋白质的氨基酸序列;第二步,用牛的视紫蛋白基因寻找人的视紫蛋白基因;第三步,用视紫蛋白基因寻找视锥光蛋白的基因;第四步,确定每个视锥光蛋白对应的颜色。
Nathans的第一步是用分子生物学技术,而Hargrave和Ovchinnikov是用生物化学方法。生物化学分离纯化貌似比较老,但到今天都很有用,有时还起不可替代的作用。掌握生物化学方法比较难,有了分子生物学以后,在有些方面可以替代一些(但非全部)生物化学的方法。比如,在得知部分氨基酸序列的情况下,制备DNA探针,筛选含全长基因的DNA文库而找到相应的全长基因。Nathans和Hogness依据Hargrave等(1982)报道的牛视紫蛋白部分序列,制备DNA探针,通过筛选获得编码视紫蛋白的cDNA,得以推测视紫蛋白全长氨基酸序列。
第二步,Nathans用牛视紫蛋白基因的序列设计探针,在人的cDNA文库中寻找人的视紫蛋白。假设牛视紫蛋白的一段序列是TAGTACTACTTGT,那么人的视紫蛋白相应这一段可能有些差别,但非百分之百相同。通过降低杂交对顺序相似程度的要求,用牛的视紫蛋白基因做探针来找人的视紫蛋白基因。Nathans称他用了自己的“种系发生细胞”制造人基因文库的DNA。Nathan和Hogness于1984年报道找到人的视紫蛋白基因,其氨基酸序列与牛的视紫蛋白相似性为93.4%。
第三步,用人的视紫蛋白基因DNA做探针,寻找视锥光蛋白的基因。这是基于推测视锥光蛋白也应该与视紫蛋白有一部分序列相似性。这样也是用人的视紫蛋白基因做探针,通过低保真度杂交,找到其他三个基因。Nathans等(1986)发现它们编码的基因相互有高度的相似性,而与视紫蛋白的相似性仅41%。
如何确定这三个基因相对应什么颜色?Nathan等在1986年的第二篇《科学》论文报道,根据色盲患者DNA片段异常和相应于Nathans获得的基因的分析,从而确定了基因与色觉的对应关系。这是人类遗传学与分子生物学相结合的成功范例。这一系列漂亮的工作为色觉分子研究的里程碑。