罗杰·大卫·科恩伯格：真核细胞转录机制奥秘的揭示者

人物小传

罗杰·大卫·科恩伯格 （1947年4月24日—），美国生物化学家，斯坦福大学医学院结构生物学教授。因对基因信息从DNA复制到RNA过程的研究而获得2006年诺贝尔化学奖。

生于“诺奖”世家

1947年4月24日，罗杰·大卫·科恩伯格出生于美国密苏里州圣路易斯的一个犹太家庭，是诺贝尔奖得主、生物化学家阿瑟·科恩伯格（Arthur Kornberg）和同样是生物化学家的西尔维·鲁思（Sylvie Ruth）三个儿子中的长子。出身于这样的家庭，科恩伯格从小就受到了很好的科学教育，在12岁那年，他的父亲获得了诺贝尔生理学或医学奖，可父亲却十分低调，因为他不想让孩子从小就顶着这种光环和压力，而失去独立创造、独立思考的能力。

直到长大以后，科恩伯格和弟弟们才知道，原来父亲是一位这么出名的科学家，不过那时他们早已成为自信的成年人。父亲这种独特的教育方式让科恩伯格免于压力，更好地追逐自己的梦想。多年之后，科恩伯格也取得了和父亲一样伟大的成就。

在科恩伯格的记忆里，父亲总是很有耐心地为他们讲述各种有趣的科普故事，这种无心插柳却在不久后成为一片“绿荫”—父亲随口讲的故事被编辑成书：《微生物的故事》，这本言简意赅、生动有趣的科普书还被翻译成多种文字，惠及世界上众多充满好奇心的小朋友。

在这样宽容自由，充满想象力的家庭氛围中，科恩伯格顺理成章地走上了科学的道路。1967年，他在哈佛大学获得了化学学士学位，1972年，他又在斯坦福大学获得博士学位，师从于著名科学家哈登·麦康奈尔，他的科学生涯就此正式开始。

开拓全新领域

后来，科恩伯格来到英国剑桥大学分子生物学实验室，成为那里的博士后研究员，在那里，他学习了一种重要的大分子物理化学分析方法：X射线衍射。在寻找X射线衍射研究问题的过程中，一篇名为《高等生物染色体的一般模型》的论文引起了他的注意，论文中的一幅插图显示了一个由虚线交叉的DNA环，象征着一个组蛋白分子。这一领域涉及染色质的X射线，科恩伯格对此兴致勃勃，但他的同事们却都提醒他，这是一个棘手的问题。科恩伯格在回忆录里写道：“用‘臭名昭著’这个词来形容也许更合适。许多人屈服于这个问题的诱惑，因为它具有洞察基因化学的潜力，但结果人们却被组蛋白的难处理性所挫败。这些蛋白质，看起来非常简单，实际上极其复杂。”

其实，组蛋白只有5种类型，分别是H1、H2A、H2B、H3和H4。一旦被分离，单个组蛋白就具有非常强的黏性，可以与DNA紧密结合，并且可以在各种可能的组合中相互作用。

但这些困难都没能阻止科恩伯格向他感兴趣的领域进军。像每一个科研新手一样，他开始重复其他人的工作，分离单个组蛋白，将它们与DNA以各种组合混合，并记录它们的X射线衍射图。1978年，科恩伯格成为斯坦福大学医学院结构生物学系的教员，他和妻子雅丽·洛奇（Yahli Lorch）一起开始了核小体对转录的影响的研究。他们发现核小体是真核细胞的细胞核中包装染色体DNA的基本蛋白复合物（染色体DNA通常被称为染色质，以反映这种蛋白质包装）。而在核小体中，科恩伯格发现，有大约200个碱基的DNA包裹在组蛋白的八聚体周围。科恩伯格和同事们证明了组蛋白八聚体的存在，确定了核小体在转录中的调控作用，开拓了一个全新的领域，这也是当今生物科学中活跃的领域之一。

揭示转录奥秘

众所周知，所有真核生物的生长、发育、变异等活动，都在一定程度上受基因的控制。基因是染色体上携带遗传信息的DNA分子片段，许许多多的基因，就像计算机中不同序列的代码，有着不同的编码分工，共同影响生物的生长、发育等。但这些DNA分子片段，并不能直接对生物体产生作用，它们中的绝大多数，必须通过蛋白质才能直接作用于生物体。

DNA相对稳定，储存的信息量庞大，每条DNA双链都包含大量的基因，就像一套百科全书。当需要某个基因的表达时，如果进行整体复制，那么工作量就会无比庞大。就像某个图书馆，将所有的书全部集合装订成一本巨厚无比的书，当我们需要借阅某一本书时，不得不將这本“巨书”搬回家。当然，基因的表达过程不会这样，当生物体想要利用某一段基因时，它会将这段基因序列从整段DNA序列中“复印”出来，这个过程就是转录。但正如现实生活中的“复印”有可能出错一样，基因转录过程也可能发生紊乱，如癌症、心脏病等就与此有关。所以，如果能够发现转录背后的机制，那么就可以帮助人们找到治疗疾病的方法。

当一个细胞想表达一个基因时，它会将该基因的DNA序列“复印”（转录）到信使RNA（mRNA）序列上，拥有上文提到的“复印”这一功能，且负责合成编码蛋白质mRNA的酶，被称为RNA聚合酶II。真核RNA聚合酶是无法单独进行基因转录的，它需要一个复杂的副蛋白组装才能准确高效地完成这项任务。但这一过程到底是如何进行的，在科恩伯格之前还没人能给出答案，因此他决心一探究竟。1978年，他成为斯坦福大学医学院结构生物学教授，带领研究小组开始了这一领域的研究。

他们成功地从贝克酵母（一种简单的单细胞真核生物）中开发出一种转录系统，又用这种酵母纯化出转录过程所需的几十种蛋白质，在此过程中，科恩伯格发现：把基因调控信号传递给RNA聚合酶的是一种额外的蛋白质复合物，他们把这种蛋白质复合物称为中介体。真核生物的复杂性实际上是由组织特异性物质、DNA中的增强子和中介体之间的良好相互作用形成的。中介体的发现是理解转录过程的一个重要里程碑。

科恩伯格在從事转录过程研究的同时，还在研究实现RNA聚合酶的原子结构及其相关蛋白成分可视化的方法。经过多年研究，他终于创造了一幅关于转录如何在分子水平上进行的真实画面，DNA、聚合酶和RNA的确切位置被构建出来。诺贝尔奖委员会如此评价道：“科恩伯格创作的这幅画革命性的地方在于，它充分捕捉了转录的过程。”因在基因转录研究中的巨大贡献，2006年，他获得诺贝尔化学奖。

科恩伯格的研究让他获奖无数，比如1997年的以色列理工学院哈维奖;2002年的帕萨罗癌症研究奖;2006年的哥伦比亚大学路易莎·格罗斯·霍维茨奖等。

打开未来之窗

科恩伯格的家人也都为生物学研究做出了重要贡献。1959年，他的父亲阿瑟·科恩伯格获得诺贝尔生理学或医学奖，获奖原因是他研究了基因信息如何在DNA复制过程中从一个DNA分子转移到另一个DNA分子。具体来说，阿瑟·科恩伯格分离出了第一种能够合成DNA的酶—细菌DNA聚合酶I，这是当时已知的第一个从模板中获取指令的酶，从而确保了细胞生长和分裂过程中遗传信息的保存。这一家人都致力于了解基因信息是如何在细胞中发挥作用的。正是他们以及众多生物化学家们的不懈努力，人们才得以窥探真核生物转录的实际过程。

如今，科恩伯格还在进行大型重原子团簇的合成研究，目的是在近原子分辨率下进行无晶体结构测定。科恩伯格认为：“这项工作为无机化学和材料科学的全新领域打开了一扇窗，我们可以通过它进入未来。”