得错了诺贝尔奖怎么办?

 

  诺贝尔奖委员会,从来都是很人性的,免不了犯错误。

        有些错误很离谱,有些情有可原;有些完全毫无讨论意义,有些却余音缭绕。

        例如,1959年的诺贝尔奖生理或医学奖两位得主是:美国犹太科学家Arthur Kornberg1918-2007),西班牙裔的美国科学家Severo Ochoa1905-1993)。

        诺贝尔奖委员会说OchoaKornberg得奖是“因为他们发现核糖核酸与脱氧核糖核酸生物合成的机理”。核糖核酸就是RNA,脱氧核糖核酸即DNA

        两位都是生物化学家。Kornberg曾为Ochoa的学生,不过他们得奖的研究并无合作。

        Kornberg具体的发现是DNA多聚酶,这是DNA合成的关键酶。Ochoa的发现是多核苷磷酸酶(polynucleotide phosphorylase),它不是RNA合成的关键酶,而是RNA代谢的一个不起眼的酶。

        Ochoa的奖肯定发错了。

           

死不认错

        诺贝尔奖委员会不收回发错的奖,也不道歉。

  1959年授予Severo Ochoa诺奖时,诺奖委员会说他发现合成RNA的酶。  后来,获奖理由修改了:The substances known as DNA and RNA bear organisms' genetic code and also determine their vital processes. Severo Ochoa investigated how DNA and RNA are formed and which enzymes control this process. By studying bacteria, Ochoa and Marianne Grunberg-Manago discovered an enzyme in 1955 that can join nucleotides - the building blocks of RNA and DNA - together. Initially, it was thought that this enzyme assembled RNA based on information contained in DNA. This was later proven to be incorrect, although the enzyme proved to have other important functions nonetheless.  最后这句话赫然在诺奖网页,但这句话的后半句是谎言。Grunberg-Manago和Ochoa发现的酶(PNP),用Ochoa自己的话:迄今PNP的功能不明。而不是诺奖网站所说的“无论如何,该酶被证明有其他重要功能”。  PNP的生物学功能不清楚。  1960年代初期,它曾经被用于作为工具,帮助破解遗传密码。但它不是必须的工具,而是方便的、一时的工具,最开始Nirenberg实验室没有用它也做出突破,Ochoa实验室用它后,Nirenberg实验室也用。但几年内,更好的方法使它也没有用处。研究的用处不是功能,生物学的功能是指在生物过程中的作用。  Ochoa自传时的说法是:“Whereas polynucleotide phosphorylase was present in many species of bacteria, it was by and large absent from mammalian cells. It was thus clear that, despite early hopes to the contrary, polynucleotide phosphorylase was not involved in RNA synthesis and must function somewhere in RNA degradation. However, to this day, the function of the enzyme is not really known. The importance of polynucleotide phosphorylase lies in the many studies on fundamental properties of the nucleic acids made possible by the ready availability of the synthetic polynucleotides used as models  and, above all, in the use of the enzyme by Nirenberg and co-workers and by ourselves in the early deciphering of the genetic code. Polynucleotide phosophrylase may be considered to have been the Rosetta Stone of the genetic code”。

 

 

将功补过

不过,如果个人得错了奖,而且到一定时候大家都心知肚明,怎么办?

        Ochoa本人在1961年做出他一生真正最重要的工作:解遗传密码。他有关遗传密码的第一篇文章与Marchall Nirenberg的第一篇相似,也都在同一年发表。

        而Ochoa的第二篇文章设计很聪明。在遗传密码方面,Ochoa完全应该与Nirenberg一道得奖,但因为1959年发错了一次给Ochoa,所以1968年的诺贝尔生理或医学奖给了Nirenberg(和其他两位),但没有给Ochoa,不是没有意识到他的重要工作,而是因为不好意思再给他一次。

        问题是,很多不看文献、不知道具体研究而只看诺贝尔奖颁发情况的作者,在书中只写Nirenberg而不写Ochoa,唯诺贝尔奖马首是瞻,不顾事实。这样Ochoa最重要的工作反而常常被忽略。

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Grunberg-Manago M, Oritz PJ, Ochoa S (1955) Enzymatic synthesis of nucleic acid like polynucleotides. Science 122:907-910.

Lengyel P, Speyer JF, Ochoa S (1961) Synthetic polynucleotides and the amino acid code. PNAS 47:1936-1942.

Ochoa S (1980) The pursuit of a hobby. Annual Review of Biochemistry 49:1-30.

 

遗传密码的解码:

节选自饶毅《生物学概念与途径》第四章

 

4.8 遗传密码的实验解码

任何生物学问题,选择最佳的实验材料和模型,都有助于提高研究的成效。一般来说,如果研究一个生物学现象的机理,可以找存在这一现象的最简单、经济、快速而且可以着手研究的模型。

蛋白质合成的首先在动物个体上观察,后在动物组织(肝脏),继而用肝脏匀浆,不用完整的细胞,也就是所谓无细胞体系进行研究。如果用容易培养、生长迅速的细菌来做实验,可以进一步提高效率。例如,用细菌的无细胞体系做DNA合成的实验,使Arthur Kornberg1918-2007)较快分离纯化到DNA多聚酶(Lehman et al., 1958),推进DNA合成的机理研究。

Zamecnik等几个实验室也用细菌的无细胞系实现了蛋白质合成的研究体系,细菌合成蛋白质体系需要的原料、以及其他特征类似于动物的蛋白质合成体系(Lamborg and Zamecnik1960Tissières, Schlessinger and Gros1960Kameyama and Novelli1960)。

美国国立健康研究院(NIH)的犹太生化学家Marshall Nirenberg1927-2010)获得独立实验室后(Nirenberg2004),决定做重要的研究,从原来的领域寻找新的重要课题,受法国巴斯德研究所的工作所刺激(Pardee, Jacob and Monod1959),认为基因调控和蛋白质合成最令人兴奋。他以前只研究过糖转运、糖原代谢和分离酶,没有研究过基因调控或蛋白质合成,虽然他知道课题危险性很高,同事告诉他这是自杀,他还是决定转领域。

Nirenberg当时立下的近期研究目标是mRNA的存在,远期目标是合成青霉素酶。他研究mRNA的时候,当时还没有两篇证明mRNA的文章(Brenner, Jacob and Meselson1961Gros et al.1961),但Nirenberg1953年和1958年的文章得知有模板RNA指导蛋白质合成的想法(Hershey1953Volkin, Astrachan and Countryman1958)。NirenbergZamecnik实验室的基础开始(Lamborg and Zamecnik1960),在引进细菌蛋白质合成的体系。他探讨从合成青霉素酶的细菌中得到模板RNA,用于合成青霉素酶。

一年半之后,德国的Heinrich Matthaei1929-)到Nirenberg实验室做博士后。Matthaei依据他以前的经验成功地用14C标记了所有二十种氨基酸,提高了敏感性。加入RNA可以提高蛋白质合成(Matthaei and Nirenberg1961a)。依据其他科学家的发现(Kameyama and Novelli1960Tissières, Schlessinger and Gros1960),NirenbergMatthaei知道加入DNA酶降解DNA后,细菌蛋白质合成会降低,他们重复了这一结果,然后处理了40分钟DNA酶之后加入模板RNA,这样可以观察到很好的引入的RNA引起蛋白质合成,估计原来细菌本底的DNA指导了模板RNA合成,去除DNA后,细菌原有DNA指导的RNA减少,更显出外源RNA指导的蛋白质合成(Matthaei and Nirenberg1961b)。

Nirenberg计划用烟草花叶病毒(TMV)的RNA作为模板,这样优于从细菌获得RNA再加入细菌的无细胞蛋白质合成体系。因此他离开华盛顿特区去加州大学伯克利分校请教TMV的专家。走之前,他给Matthaei一些多聚UPoly U),建议他把20种分别用同位素标记的氨基酸加到蛋白质合成体系,看看Poly U能否指导一种标记的氨基酸参与蛋白质合成(Nirenberg2004)。

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1961527日凌晨3点,Matthaei观察到Poly U可以刺激苯丙氨酸掺入蛋白质。Poly APoly CPoly I都不能刺激苯丙氨酸掺入蛋白质,UMPUDPUTP也都不能(Nirenberg and Matthaei1961)。他们用多种方法证明合成的蛋白质是苯丙氨酸的多聚体。在同一篇文章的最后,他们加了一句:Poly C刺激脯氨酸合成蛋白质(Nirenberg and Matthaei1961)。

 

19618月,莫斯科召开的第五届国际生物化学大会,Nirenberg被安排在一个只有三十五人的小会发言,听众漠不关心,但Crick偶然听到马上安排Nirenberg在大会重新讲,获得全场起立鼓掌。NirenbergMIT学术报告时,纽约大学Severo Ochoa实验室的Peter Lengyel上台告诉听众,他们用合成的含多种核苷酸的多聚体可以指导氨基酸掺入蛋白质。

1955年,苏联旅法生物学家Marianne Grunberg-Manago1921-2013)在西班牙旅美生化学家Severo Ochoa1905-1993)做博士后期间,发现多核苷酸磷酸酶(PNP),它催化核苷二磷酸聚合为多核苷酸,曾误认为PNP是合成RNA的重要酶,后被否定(Grunberg-Manago and Ochoa1955Grunberg-Manago, Oritz and Ochoa1955Ochoa1980Grunberg-Manago1997)

匈牙利布达佩斯的学生Peter Lengyel1929-)在1955年读了PNP的文章,1957年逃出苏联占领下的布达佩斯到达纽约的第二天找Ochoa申请加入其实验室,被接受成为研究生(Lengyel2012)。196166日,Ochoa去欧洲旅行的当天,Lengyel和纽约大学的同事到纽约长岛的冷泉港实验室听学术会议,从Brenner的演讲得知mRNA可以作为蛋白质合成的模板(Brenner1961),而他想想自己所在的实验室发现的PNP是唯一可以合成RNA的酶(至少在实验室可以),那么就可以用PNP合成RNA作为模板来指导蛋白质合成,先可以合成poly Apoly Cpoly Gpoly U。有位同事指出:如果蛋白质合成的过程中,第一个密码子不是同一个核苷酸的重复,可能就什么也不能合成。这一问题有先见之明,确实有不同于后面密码子的特定的起始密码子(AUG)。但是体外蛋白质合成体系的条件有点松,允许非起始密码子直接得以指导蛋白质合成。6月底,Lengyel与纽约大学当时的副教授Joseph Speyer 1926-1998)商定,用Speyer建立的无细胞蛋白质合成体系,Lengyel合成Poly APoly UOchoa教授不在的情况下请同系的教授申请放射性同位素标记的氨基酸。Speyer去冷泉港上暑期课,他们计划等上完课再做实验。731日傍晚,有人电话Lengyel告诉他NIH的人解决了遗传密码,Poly U编码多聚苯丙氨酸。Lengyel觉得特别沮丧。他们后来想起,用单核苷酸的多聚物只能解决四个氨基酸的密码,而他们可以合成含多种核苷酸的核酸,这样有可能解决20种氨基酸的密码。81415日,他们先做了Poly U的实验,证明它确实编码苯丙氨酸,等于重复了NirenbergMatthaei的尚未发表的经典实验。17日再次重复这一实验。18日,他们碰到参加莫斯科的国际第五届生化大会回纽约大学的一位教授,后者明确告诉Lengyel在会上Nirenberg宣布了这一结果。19日,Lengyel致信在欧洲旅行的Ochoa,告知66日以来的过程。20Lengyel与妻子开始旅行12天,五十年后,他觉得自己应该取消这次旅行。Lengyel回纽约后,与OchoaPpeyer讨论了课题,Ochoa热情支持。因为NirenbergMatthaei已经做了单核苷酸多聚体的实验,他们觉得自己的新意在多种核苷酸的多聚体。10月中旬,Lengyel见通告版上Nirenberg要在MIT讲学术报告,他就赶去波士顿听,而且在Nirenberg讲完后的提问阶段,上去宣布自己和Ochoa实验室同事也在研究遗传密码,而且用了含多种核苷酸的模板。这次轮到Nirenberg焦虑,赶紧回华盛顿自己的实验室抓紧研究,也需要加上含不同核苷酸的模板,一边赶紧去图书馆找文献、一边碰到了可以合作的对象,解决合成含多个核苷酸聚合物的问题。两个实验室破解遗传密码在争先恐后的竞争中推进(Nirenberg2004Lengyel2012)。

Lengyel等发现,除了Poly U之外,Poly UCPoly UA也能刺激多聚苯丙氨酸合成,而Poly UC可以刺激丝氨酸和亮氨酸参与合成蛋白质(Lengyel, Speyer and Ochoa1961)。Lengyel提出,如果合成Poly UC的时候,加入U和加入C的比例直接映射在三联密码中,那么当U:C5:1的时候,UUUUCC/UCC/CUC)的比例就应该是25:1,而实验结果为苯丙氨酸:丝氨酸为4.4:1,这样也能预计丝氨酸的密码是其中之一。由U:A5:1比例合成的Poly UA,指导产生的蛋白质中苯丙氨酸对络氨酸为4.0,说明UUAUAUAUU为酪氨酸的密码之一Lengyel, Speyer and Ochoa1961)。这一方法可以延伸用,而且可以是三种核苷酸按一定比例合成模板RNALengyel et al., 1962),可以帮助解析多个遗传密码(Speyer et al., 1962Wahba et al., 1962Gardner et al., 1962Wahba et al., 1963)。到1963年,Ochoa实验室可以找到对应与20种氨基酸的遗传密码。Nirenberg实验室也用同一方法分析了一些遗传密码(Martin et al., 1962Matthaei et al., 1962Nirenberg et al., 1963)。

用合成的RNA作为模板指导蛋白质合成,加上比例分析,是很巧妙的方法(Nirenberg et al., 1963):

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   这种方法有其问题:有时一种氨基酸对应于几种可能的三联密码,虽然有时可以用改变比例来推测哪种氨基酸对应于哪种密码,有时还有不确定性。合成多聚核苷酸时,加入的核苷酸原料比例,与多聚核苷酸中含量比例的吻合度也存在不确定性。

1964Nirenberg和博士后Philip Leder1934-2020)发明了新的破解遗传密码的方法(Nirenberg and Leder, 1964Leder and Nirenberg, 1964)。用蔗糖梯度离心分离核糖体,发现Poly U在蛋白质合成体系可以加入核糖体组分(Spyrides and Lipmann, 1962Barondes and Nirenberg, 1962)。进一步观察到,Poly U可以刺激苯丙氨酸-tRNA与核糖体结合(Arlinghau et al., 1963Nakamoto et al., 1963Kaji and Kaji, 1963)。NirenbergLeder将蔗糖梯度离心改成更简单的滤纸过滤:14C标记氨基酸,加入细菌无细胞蛋白质合成体系,与tRNA反应后,与核糖体结合,然后通过0.4微米孔径的滤纸,分开与核糖体结合的氨基酸-tRNA(每一个氨基酸对与tRNA的氨酰tRNA),能够通过的是没有结合核糖体,留下的是与核糖体结合的氨酰tRNA,而同位素标记标记的特定氨基酸就能确定是何种氨基酸的密码,而加入的核苷酸就是密码。他们首先确定两个和一个核苷酸(如UUU)不能刺激氨酰tRNA(如苯丙氨酰tRNA)与核糖体结合,所以密码子需要三个以上核苷酸组成。UUU刺激苯丙氨酰tRNA与核糖体结合,AAA刺激赖氨酰tRNA与核糖体结合,CCC刺激脯氨酰tRNA与核糖体结合,其结论与肽链合成分析的结论一致(Nirenberg and Leder, 1964)。在此基础上,他们合成GUUUGUUUG,发现只有GUU可以刺激缬氨酰tRNA结合核糖体,GUU不能刺激其他17种氨基酰tRNA结合核糖体,所以GUU是缬氨酸的密码(Leder and Nirnberg, 1964)。

Leder等进一步改进了用PNP在二核苷酸的3’端添加一个核苷酸合成三联核苷酸(Leder, Singer and Bramacombe, 1965),NIH的核酸化学家Leon Heppel1955年发明的方法通过RNA酶在核苷酸的5’添加一个核苷酸(Heppel, Whitfeld and Markham, 1955),这两种方法都能合成确定核苷酸序列的三联密码。用确定序列的三联密码通过核糖体结合方法,他们解析了64个可能的三联密码中的54个(Nirenberg and Leder, 1964Leder and Nirnberg, 1964Bernfield et al., 1965Trubin et al., 1965Nirenberg et al., 1965, 1966Brimacombe et al., 1965Kellogg et al., 1966)。印度旅美化学家Gobind Khorona1922-2011)发明了顺序合成任何核苷酸多聚体的方法(Jacob and Khorana1965),用氨酰tRNA结合检测,确定了所有剩余的遗传密码(Nishimura et al., 1965a,1965bSöll et al., 1965)。到1965年,所有氨基酸的遗传密码被解析。起始密码子为编码甲硫氨酸的AUGClark and Marcker,1966),终止密码有UAAUAGUGA三个(Brenner et al., 1965, 1967Weigert and Garen, 1965)。到1967年,64个密码子全部解码,也就是所有遗传密码都得以确定。

Crick等提出的密码简并性(Crick et al.1961),也在实验中得到验证(Jones and Nirenberg1966):几个密码子编码同一个氨基酸。经常出现第三位有差别的几个三联密码对应同一个氨基酸。OchoaNirenberg实验室都证明了遗传密码的普适性:从细菌到哺乳动物的不同物种用同一套遗传密码(Speyer et al., 1963Marshall et al., 1966)。

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