【高考生物】【生物奥赛】近十年生物诺奖概述

2010年英国生理学家罗特·爱德华兹获得2010年诺贝尔生理学或医学奖，因“在试管受精技术方面的发展”而被授予该奖项2011年美国人布鲁斯·博伊特勒、法国人朱尔斯·霍夫曼和加拿大人拉尔夫·斯坦曼以免疫系统研究赢得2011年度诺贝尔医学奖，发现免疫系统激活的关键原理，博伊特勒和霍夫曼所作贡献，是认定免疫系统中的“受体蛋白”，可确认微生物侵袭并激活先天免疫功能，构成人体免疫反应的第一步。斯坦曼所作贡献，是发现免疫系统中的“枝状细胞”（DC细胞）及其在适应性免疫反应、即以自身调控方式适应并清除体内微生物过程中的作用，构成免疫反应的后续步骤。2012年英国发育生物学家约翰-戈登因和日本京都大学研究中心主任长山中伸弥获诺贝尔生理学或医学奖。一直以来，人体干细胞都被认为是单向地从不成熟细胞发展为专门的成熟细胞，生长过程不可逆转。然而，格登和山中伸弥教授发现，成熟的、专门的细胞可以重新编程，成为未成熟的细胞，并进而发育成人体的所有组织。把蝌蚪的分化细胞的细胞核移植进入卵母细胞质中，并培育出成体青蛙。这一实验首次证实分化了的细胞基因组是可以逆转变化的。2006年山中伸弥等科学家把4个关键基因通过逆转录病毒载体转入小鼠的成纤维细胞，使其变成多功能干细胞。这意味着未成熟的细胞能够发展成所有类型的细胞美国科学家罗伯特·莱夫科维茨和布莱恩·克比尔卡因“G蛋白偶联受体研究”获得2012年诺贝尔化学奖。碘同位素附着到各种激素上，借助放射学，成功找到数种受体，其中一种便是肾上腺素的受体：β-肾上腺素受体。将编码β-肾上腺素受体的基因从浩瀚的人类基因组中分离出来，认识到，存在着一整个家族看起来相似的受体，而且起作用的方式也一样。这一家族被称作“G蛋白偶联受体”。大约一千个基因编码这类受体，适用于光、味道、气味、肾上腺素、组胺、多巴胺以及复合胺等。大约一半的药物通过G蛋白偶联受体起作用。2013年美国科学家詹姆斯·E·罗斯曼、兰迪·W·谢克曼、德国科学家托马斯·C·苏德霍夫获诺贝尔生理学或医学奖。发现了细胞囊泡运输系统的运行与调节机制，每个细胞都是一个生产和传送分子的工厂。分子通过细胞周围的囊泡在正确的时间传送到身体所需部位。谢克曼发现了能控制细胞传输系统不同方面的三类基因，从基因层面上为了解细胞中囊泡运输的严格管理机制提供了新线索；罗思曼20世纪90年代发现了一种蛋白质复合物，可令囊泡基座与其目标细胞膜融合；基于前两位美国科学家的研究，祖德霍夫发现并解释了囊泡如何在指令下精确地释放出内部物质。细胞生命活动依赖于细胞内的运输系统。所谓囊泡运输调控机制，是指某些分子与物质不能直接穿过细胞膜，而是依赖围绕在细胞膜周围的囊泡进行传递运输。囊泡通过与目标细胞膜融合，在神经细胞指令下可精确控制荷尔蒙、生物酶、神经递质等分子传递的恰当时间与位置。若囊泡运输系统发生病变，细胞运输机制随即不能正常运转，可能导致神经系统病变、糖尿病以及免疫紊乱等严重后果。2014年约翰·欧基夫和迈-布里特·莫泽以及爱德华·莫泽获得2014年诺贝尔生理学或医学奖。发现构建大脑定位系统的细胞——GPS细胞。发现了一种大脑定位系统——内部GPS，可以指导我们的空间定位，为更高级的认知功能提供了细胞基础。2015年中国药学家屠呦呦，爱尔兰科学家威廉·坎贝尔和日本科学家大村智分享2015年诺贝尔生理学或医学奖。爱尔兰科学家威廉·坎贝尔和日本科学家大村智发现治疗丝虫寄生虫新疗法，屠呦呦发现治疗疟疾的新疗法瑞典科学家托马斯·林达尔、美国科学家保罗·莫德里克和拥有美国、土耳其双重国籍的科学家阿齐兹·桑贾尔获诺贝尔化学奖。发现了细胞修复自身DNA的机制，为创新癌症治疗手段提供了广阔前景。发现，DNA会以一定的速率发生衰变——按此速率，地球上的生物甚至都不该存在并发展下来的。这让他揭示了一种分子机制——碱基切除修复——该机制不断地抵消了DNA的崩溃。绘制出了核苷酸切除修复机制，细胞利用切除修复机制来修复UV造成的DNA损伤。细胞还可利用此机制修复致突变物或其他物质引起的DNA损伤。证明了细胞在有丝分裂时如何去修复错误的DNA，这种机制就是错配修复。错配修复机制使DNA复制出错几率下降了一千倍。如果先天缺失错配修复机制可导致癌症的发生2016年日本分子细胞生物学家大隅良典荣获2016年诺贝尔生理学或医学奖，以表彰其在研究自噬性溶酶体方面作出的贡献。利用面包酵母定位了细胞自噬的关键基因。细胞自噬控制着许多重要的生理功能，涉及到细胞部件的降解和回收利用。细胞自噬能快速提供燃料供应能量，或者提供材料来更新细胞部件，因此在细胞面对饥饿和其它种类的应激时，它发挥着不可或缺的作用。在遭受感染之后，细胞自噬能消灭入侵的细胞内细菌活病毒。自噬对胚胎发育和细胞分化也有贡献。细胞还能利用自噬来消灭受损的蛋白质和细胞器，这个质检过程对于抵抗衰老带来的负面影响有举足轻重的意义。2017年美国科学家迈克尔·杨、杰弗里·霍尔和迈克尔·罗斯巴什，因在生物昼夜节律控制分子机制方面的卓越工作而获诺贝尔生理学或医学奖。首先在果蝇分离并鉴定出一个控制正常昼夜生物节律的周期基因。他们的研究表明，该基因编码一种在夜间在细胞中积聚白天降解的蛋白质。随后，他们发现了这种分子机器的其他蛋白质组分，揭示了控制细胞内自控式的钟表发条机制。成功发现这种基因编码的被命名为PER的蛋白质，这种蛋白质在夜间积累，白天降解，细胞内这种蛋白质的水平在每天24小时的周期内与昼夜节律同步波动。PER蛋白阻断了周期基因的活性，通过抑制反馈阻止自身的合成，从而以连续的循环节律调节其自身的水平波动。迈克尔·杨发现了另一种没有时间波动性的时钟基因，它编码正常昼夜节律所需的TIM蛋白。并证明，当TIM与PER结合时，两种蛋白质就能够携手进入细胞核，在那里它们阻断周期基因活动以构建起了抑制反馈完整的环。迈克尔·杨随后确定了另一个基因，编码DBT蛋白，这种蛋白质在细胞内延缓了PER蛋白的积累，很好的解释这种蛋白水平波动是调整以更紧密地匹配24小时昼夜节律变化。2018年美国免疫学家詹姆斯·P·艾利森以及日本免疫学家本庶佑典荣获2018年诺贝尔生理学或医学奖，以表彰他们在癌症疗法以及免疫负调控的抑制领域所作出的贡献.免疫系统的T淋巴细胞是重要的免疫应答效应细胞，其表面的受体可以识别抗原物质产生后续的作用，同时T细胞表面也会有很多其他辅助分子来帮助完成这一过程，其中就存在发挥负向调控的受体分子，可以对T细胞的免疫效应活动及时“踩刹车”，防止免疫应答过于剧烈和长时间工作，避免自身免疫病对机体的损伤。这种对T细胞的激活和抑制是需要精确、及时调控的，而在肿瘤微环境中的T细胞这种平衡往往被打破，肿瘤细胞“狡猾”地利用其自身表达的配体与T细胞表面的这些负调控分子受体结合，有效抑制住T细胞的抗肿瘤效应从而产生免疫逃逸。譬如T细胞表面的跨膜受体CTLA-4（细胞毒T淋巴细胞相关抗原4）和PD-1（程序性细胞死亡蛋白-1），在肿瘤诱导的免疫耐受中就发挥了重要作用，将CTLA-4“手刹”放下和PD-1“脚刹”松开，使得部分效应T细胞能够恢复“战斗力”杀伤肿瘤细胞。弗朗西丝·阿诺德、乔治·史密斯和格雷戈里·温特共同获诺贝尔化学奖，以表彰他们在酶的定向演化以及用于多肽和抗体的噬菌体展示技术方面取得的成果。弗朗西斯·阿诺德获奖的理由是首次进行了酶的定向进化。从一种存在于自然界的枯草杆菌蛋白酶开始研究，对其基因进行了分离编码；然后他们使用不同的技术令基因变异，并将新的变异片段重新插入细菌中。这种细菌会产生数千种不同的枯草杆菌蛋白变体，研究人员根据需要对其进行筛选，比如快速发挥作用或是在高温以及存在某些特定化学物质的条件下才发挥作用。阿诺德在第三代枯草杆菌蛋白酶中，发现一种变体溶解在DMF时的催化效果比原始酶高出256倍。利用这种方法，研究人员产生了能够催化原本自然界中并不存在的反应的新型酶。乔治·史密斯发明了一种被称为噬菌体展示（phagedisplay）的技术：这让能感染细菌的病毒可以用来进化新的蛋白质。而格雷戈里·温特爵士则利用噬菌体展示技术生产了新的药物。如今，噬菌体技术可产生抗体，用以中和毒素，对抗自身免疫性疾病以及治疗转移性癌症。将编码多肽的外源DNA片段与噬菌体表面蛋白的编码基因融合后，以融合蛋白的形式呈现在噬菌体的表面。被展示的多肽或蛋白可保持相对的空间结构和生物活性并暴露于噬菌体表面。导入各种各样外源基因的一群噬菌体，就构成了一个呈现各种各样外源肽的展示库。当用一个蛋白质去筛查一个噬菌体展示库时，具体的操作过程其实是用这个蛋白质与该库中的全部噬菌体同时进行反应，以测试蛋白质与噬菌体的结合能力。所用的蛋白质会选择性地同（暴露于特定噬菌体表面的）某个外源肽相结合，从而分离出展示库里的某个特定的噬菌体。