（续上期）

组蛋白登上中央舞台

问题的答案似乎是另一种编码，而且这种编码比DNA基因链要微妙和复杂得多。它甚至没有记录在DNA里，而是编写在名为组蛋白一类的蛋白质的结构中。几年前，组蛋白还仅被看作DNA的乏味包装而备受忽视。现在这些蛋白质及其隐含的编码已被视为决定基因活动开始或停止的控制者，从而登上中央舞台。

这种新编码尚未被破译，但所有迹象表明，它将是解释我们基因组的广泛差异性和灵活性的关键。例如，它也许能解释不同细胞如何能“记住”自己的类型，它们分裂时如何传递这种信息。它也许能解释奇异的外遗传效应，即那些从上辈继承、然而似乎不是基因遗传的特征。有些研究者甚至怀疑这可能是先天和后天的汇合点，环境、压力、有毒化学物质以及我们所吃的食物通过这一途径实现对基因内信息的更改和控制。

破译这种编码并非易事，但一旦成功，我们将受益匪浅。回报之一是找到过制癌症和其他遗传病发展的新途径，此外还能得到关于人如何衰老甚至如何延缓衰老的线索。它可能有助于解决生殖问题，成为成功克隆的关键，也许会向我们展示如何制造理想的干细胞并将其变为我们所需的任何组织。

20世纪60年代，在核小体的结构被弄清之前，几个研究小组看到组蛋白上有乙酰基和甲基等化学基作为修饰。他们很快发现，当缺乏这些化学基时，周围的基因很可能是不活动的。80年代和90年代初这段时期。弗吉尼亚大学医学院的戴维 · 阿利斯、布赖恩 · 特纳和洛杉矶加利福尼亚大学的麦克尔 · 格林斯泰因等研究人员证实，组蛋白末端有很多这种化学修饰、他们发现这些修饰在不断变化，它们在末端的位置决定了它们对基因表达的影响。

3年前，阿利斯和同事布赖恩 · 施特拉尔把所着例证汇编成一篇论文发表在《自然》杂志t。他们提出组蛋白上的化学基就像编码。他们认为这种编码具有很大的灵活性，不仅可以分别控制每个基因，也可以协调整个基因组的活动，这些基因组对细胞分裂或细胞类型分化至关重要。

他们指出，这种编码可能由一组酶编写而成，已知这些酶可以添加或删除组蛋白上的化学基。如今，人们已经确认了几十种可能调整组胺编码模式的酶，并且证实其中有些酶会激活基因表达。

简而言之，组蛋白编码体现为组蛋白链中化学基的复杂模式。它起作用的部分方式把蛋白质吸引到激活和复制基因的染色质中。而且和DNA编码不同的是，DNA编码在几乎所有有机体中的工作方式都相同，但各个有机体中的组蛋白编码则各不相同。

首先，这些编码的工作周期似乎大不相同。从长期来看，它能确保让细胞记住自己的性质。长期信息能够像基因编码_样稳定并代代相传。当细胞在胚胎发育过程中开始分化（比如形成心脏细胞）时，它们必须在某种程度上保留所有与心脏相关的基因的活动，同时停止所有不相关基因的活动。特纳说：“组蛋白编码的作用就像细胞的记忆存储器。”细胞的具体模式被记录到与新的DNA链相联系的组蛋白中，这样，这些模式就能传递给下一代细胞。

但组蛋白也能像快速反应系统一样起作用。牛津大学的路易斯 · 马哈德万小组证实，给细胞施压（例如让它接触有毒化学物质和紫外线）会改变组蛋白末端磷酸基的模式，这会让保护细胞的基因活动起来。事实上，这种反应如此迅速，以至于马哈德万怀疑这种蛋白修饰是否应该被看作一种编码。

为疾病治疗开辟新途径

令人兴奋的是，基因表达的这种灵活性意味着，我们所认为的某些遗传病症可能不是由于DNA突变造成的，而是因为基因不正常的活跃或停止活动——可能是组蛋白编码错误的结果。如果事实如此，破解组蛋白的语言可能为控制这些疾病开辟新的途径。

组蛋白编码控制还可能有助于治疗某种男性不育症。研究人员最近发现一种名叫CDY的组蛋白乙酰转化酶和精子不成熟有关。因此增加乙酰基水平的疗法也许会治疗这种不育症，而且还可能为男性避孕另辟蹊径。

甚至癌症也可能得到控制，因为几种组蛋白调节酶已经被认为与癌症有关。目前大约20种有抑制组蛋白脱乙酰基作用的药物正在进行治疗各种癌症的临床试验。

几乎各地的研究人员都在考虑组蛋白在很多未解之谜中的作用。组蛋白修饰也许能影响我们的老化速度，也许是克隆只能偶然成功的原因。如果这样，修饰组蛋白可能是让成熟DNA表现胚胎期DNA性状的关键，也是让细胞表现干细胞性状的关键。也许人们可以研究出拓展细胞的记忆力的酶疗法，让细胞成为一种新的组织。

但远在考虑这些问题之前，我们需要破译组蛋白语言。人们从认识DNA的双螺旋结构到破译其排列顺序花了近50年时间，投人大量的人力和技术，因此组蛋白编码不可能被迅速攻克。阿利斯说：“它的复杂程度十分惊人。”但这个问题值得研究，“我们的DNA——编码形式的基因蓝本——能够为我们提供全部蛋白质和RNA的清单，但这仍然远远不足解释我们为何是人类。”或许答案就蕴藏在这些组蛋白编码中。

位置、位置、位置

每个商人都会说，在住房市场，房屋的地理位置非常重要。这个原则可能同样适用于微观世界，适用于细胞里的基因。人们逐渐了解到，每个细胞的细胞核里既有熙熙攘攘的主干道，挤满了努力工作的基因，也有静寂的死胡同，退休的基因呆坐在那里。

这就是新发现的基因组地理学，它对于理解在分裂时期乃至我们整个生命过程中细胞如何开启和停止基因活动也许是至关重要的。它还可能提供新的信息，解释是哪里的错误导致了细胞癌变。

基因联结形成的染色体，染色体在细胞分裂时会短暂现身，表现为由DNA密集缠绕形成的几微米长的模糊X形。但大多数的时候，染色体的存在形态是DNA松散盘旋的细长链。直到不久前，染色体在，细胞核中的排列还被视作随机混杂的结果，就像装在包里的一截截绳子一样。但人们最近对各个染色体注入荧光标记进行研究的结果显示，染色体构成了一种非常复杂但有序的结构。

遗传学家在过去几年间发现，至少在某些类型的细胞里，每条染色体往往保持自己在细胞核内的领地，它们在细胞分裂结束后就回到原来的位置。例如在淋巴细胞里，人们发现19号染色体总是接近细胞核中央，而18号染色体潜伏在边缘。这是4年前英国医学研究委员会人类基因小组的温迪 · 比克莫尔发现的。

比克莫尔认为，出现这种情况是因为19号染色体含有很多基因，而18号基本上是“垃圾”DNA，基因很少。她指出，通常含有基因多的染色体会位于细胞核中央。

一条染色体在自己领地如何排列也很重要。忙碌的基因——那些常常被转录成RNA副本（这是合成蛋白质的第一步）的基因——的最佳位置似乎是在边缘，伸出到各个领地之间的“无人区”。有些遗传学家认为，这些地区的基因更容易接触漂浮在染色体质间的转录酶。

然而人们尚不清楚究竟是基因位置决定了它们的活动还是基因活动决定了它们的位置。比克莫尔说：“还没有直接的实验证据表明，如果你把某个部位的一个基因放到其他位置，它的表现就会受到影响。”这种实验难度很大，因为它还需要移动这个基因的调节成分，这些成分可能位于染色体上数千个碱基对以外的地方，而且可能无法全部甄别出来。

如果基因在细胞核中的位置帮助决定它的活动，那么相邻基因应该具有类似的表达水平。伯克利加利福尼亚大学的研究人员去年发表的研究报告指出，1/15的果蝇基因是10个到30个相邻基因连成一组的，它们往往同时开始或停止活动。

如果仅仅位置的改变就能把静止的基因唤醒并让其他基因停止活动，那么细胞核内上的微小运动可能对癌症的产生具有至关重要的影响。例如，它可以解释为什么染色体“易位”（部分物质脱离原来的染色体并连接到另一条染色体上）经常导致恶性肿瘤。美国国家癌症研究所的细胞生物学家汤姆 · 米斯泰利说：“这种一再发生的易位可能有某些作用。作用之一可能是改变基因在细胞核中的位置，改变基因的环境。”如果事实如此，癌症研究人员可能像遗传学家那样对细胞核地理学重视有加。

内在的机器人

人们把它叫作“世界吞噬者"。用常人话说，这个词的意思是“吃掉地球”。有传言说自我复制的纳米结构可能会这样做。根据一项计算，它们会在大约3个小时之内吞噬整个地球。

因此，当2002年12月德国化学家冈特 · 冯 · 凯德罗夫斯基宣布他即将制造出直径几纳米的自我复制结构时，外界的平静反应未免令人不解。凯德罗夫斯基和他在波鸿大学的研究小组报告说，他们能够对复杂分子（这些分子可以组成特定的结构）中的化学信息进行复制，但所有人对此都置若罔闻。

这意味着这些结构有朝一日可能组成微型机器人——纳米机器人，它们能够执行无比精密的任务，例如，他们能够帮失效的免疫系统区分友好细胞和危险的入侵细胞，或者帮助形成微型电路。

尽管在科幻小说的疆梦中，纳米机器人是一种不太真实的能从周围提取细胞并利用它们制造更多同类的微小装置，但凯德罗夫斯基的构想是以经过验证的分子复制者DNA为基础的，其基本模型具有DNA自我复制相同的原理。

纳米机器人清理血管中有害堆积物构示图

在过去10年左右的时间里，他们发现DNA也是纳米工程的理想建筑材料。制造纳米设备通常是难度高而且很费力的工作，但如果你能让建筑材料按照设计自动组合起来，或者自我组装，这就不再是苦差事了。为了实现这一点，需要给它们设计正确的组装指令。

DNA信息是通过碱基的排列顺序体现的，每个碱基都有对应的碱基与之配对，从而形成了双螺旋结构。由于生物技术的进步，科学家们能够形成自己所需的基因顺序，因此人们可以在DNA分子中编写出全新的信息，从而让它们以新的方式组合到一起。纽约大学的纳德里安 · 西曼已经率先把这路方法应用于DNA分子纳米技术。他制造了能够自动组合成复杂形状（例如管状和交织的网状）的DNA链。

2002年，凯德罗夫斯基及其同事已经用这种方法制造出了四面体形的DNA纳米结构。这种结构的组成单位是三臂分子，一个这种分子由三个单链DNA分子与中心部分相连构成。这些“三角架”每个都构成四面体的一个角。当两个三角架具有互补的碱基序列时，它们的臂会两两缠绕形成双螺旋，结果就形成了一个坚实的纳米结构。应该承认，这样制造出来的纳米机器人很乏味，但这只是一个原型。实验显示，DNA制造的产物可以更活泼一些。例如，西曼已经制造了一种能像微型摩托车一样行动的DNA结构。其他研究者还利用DNA制造出了镊子和活塞。而且DNA能够导电，因此这种纳米结构可能用于制造自我组装的微型电路。

真正生物水平上的复制不仅意味着只制造一个副本——复制者必须以指数方式递增。具体地说，这意味着副本必须和模板分离，两者都成为进一步复制的模板。正是这种迅速的繁殖令纳米复制者听上去如此可怕。凯德罗夫斯基最终做到了让他的6个碱基构成的复制者进行指数方式复制。

但当模板DNA链和互补DNA链的基因序列不同时，复制就会变得更加复杂。凯德罗夫斯基的小组发明了一种方法，能够在无须酶的情况下实现普通DNA的指数方式复制。他们把这种方法称为“SPREAD法"。研究者们现在已经在微型芯片上实现了这个程序的自动化。凯德罗夫斯基设想利用SPREAD法让DNA纳米结构变成复制者。2002年12月，他的研究小组实现了关键的一步：DNA三角架上的化学信息的复制。

但纳米复制程序的进行还需要研究人员的干预。他们必须为复制者提供特定的DNA链，然后把副本和原型分离。实现复杂的复制（如SPREAD法复制）则需更多的干预。因此纳米四面体不可能像病毒那样独立并自发地繁殖。

尽管有人提出了可怕的警告，但世界吞噬者是不可能出现的。这可能是一个精彩的小说构思，但不是一个合理的科学论点。至少，现在还不是......