白发老科学家获2007年诺贝尔奖

糜克定的科学园

诺贝尔生理学或医学奖   诺贝尔物理学奖   2007年诺贝尔化学奖


马里奥·卡佩奇   (70岁)


马丁·埃文斯  ( 66岁)



奥利弗·史密斯   (82岁)

  人民网科技10月9日电 瑞典卡罗林斯卡医学院8日宣布,2007年诺贝尔生理学或医学奖授予来自美国的马里奥·卡佩奇、奥利弗·史密斯和来自英国的马丁·伊文思因胚胎干细胞研究获该奖项。
  这三位科学家是因为“在涉及胚胎干细胞和哺乳动物DNA重组方面的一系列突破性发现”而获得这一殊荣的。这些发现导致了一种通常被人们称为“基因打靶”的强大技术。这一国际小组通过使用胚胎干细胞在老鼠身上实现了基因变化。

都是白发老人

  卡佩西70岁,出生于意大利,他现在是美国公民。他1967年在哈佛大学获得生物物理学博士学位。除了在霍华德·休斯医学研究所工作外,他还担任犹他大学人类遗传学和生物学教授。卡佩奇因在“基因打靶”技术的研究上做出了开创性工作而成名。
  出生在英国的史密西斯82岁,目前也是美国公民。现在是美国北卡罗来纳大学的病理学教授。他一开始主要进行胰岛素的研究工作,后转入分子生物学领域。在差不多60岁时,他开发出了可关闭活体内特定基因的技术。史西斯和卡佩奇几乎同时对“基因打靶”技术做出了奠基行贡献,这一技术使得科学家能培育出拥有特定变异基因的小鼠。


  三人中最年轻的是66岁的埃文斯,他是英国人。1963年从剑桥大学毕业。如今自英国加的夫大学担任动物遗传学教授。1963年从剑桥大学毕业后,进入伦敦大学学习,获得解剖学和胚胎学博士学位。1978年,他返回剑桥大学。3年后,他和同事从小鼠胚胎中第一次成功分离出未分化的胚胎干细胞。这为基因打靶技术提供了施展本领的空间。如今,埃文斯在英国加的夫大学担任哺乳动物遗传学教授,同时还兼任生命科学学院的院长。

  三位科学家将分享1000万瑞典克朗(约合154万美元)的奖金。

 3位获奖科学家马里奥·卡佩基、奥利弗·史密斯和马丁·埃文斯都表示非常兴奋,但反应并不完全相同。

  在稍后接受媒体采访时,卡佩基说,诺贝尔奖评审委员会打电话时,是(美国当地时间)凌晨3点,自己睡意正浓。他说:“打电话那个人非常严肃,因此我的第一反应是,这一定是真的。”

  史密斯对获奖“非常满意”。他表示,进行基因研究20多年后,相当高兴能“在这一水平上(诺贝尔奖)得到认可”。
  埃文斯说,这是自己“职业生涯的最高荣誉”。知道获奖消息后,他打算改变周一的原定计划,好好庆祝一下。他原计划周一为女儿打扫房间。

   基因打靶技术是一种定向改变生物活体遗传信息的实验手段,它的产生和发展建立在胚胎干(ES)细胞技术和同源重组技术成就的基础之上,并促进了相关技术的进一步发展。基因打靶技术将广泛应用于基因功能研究、人类疾病动物模型的研制以及经济动物遗传物质的改良等方面。

1.原理

首先获得ES细胞系,利用同源重组技术获得带有研究者预先设计突变的中靶ES细胞。通过显微注射或者胚胎融合的方法将经过遗传修饰的ES细胞引入受体胚胎内。经过遗传修饰的ES细胞仍然保持分化的全能性,可以发育为嵌合体动物的生殖细胞,使得经过修饰的遗传信息经生殖系遗传。获得的带有特定修饰的突变动物提供研究者一个特殊的研究体系,使他们可以在生物活体中研究特定基因的功能。目前,在ES细胞进行同源重组己经成为一种对小鼠染色体组上任意位点进行遗传修饰的常规技术。通过基因打靶获得的突变小鼠己经超过千种(相关数据库参见文献),并正以每年数百种的速度增加。通过对这些突变小鼠的表型分析,许多与人类疾病相关的新基因的功能已得到阐明,并直接导致了现代生物学研究各个领域中许多突破性的进展。

2.实验流程

3.特点

基因打靶技术是一种定向改变生物活体遗传信息的实验手段。通过对生物活体遗传信息的定向修饰包括基因灭活、点突变引人、缺失突变、外源基因定位引入、染色体组大片段删除等,并使修饰后的遗传信息在生物活体内遗传,表达突变的性状,从而可以研究基因功能等生命科学的重大问题,以及提供相关的疾病治疗、新药筛选评价模型等。基因打靶技术的发展己使得对特定细胞、组织或者动物个体的遗传物质进行修饰成为可能。

4.应用

    基因打靶技术在基因功能研究中的应用、应用基因打靶技术研制人类疾病动物模型、应用基因打靶技术改良动物品系和研制动物反应器等。

 基因打靶(gene targeting)也称为基因定点同源重组(sitespecific homologous recomhnation)或基因敲除(gene knocking out),是指通过外源DNA与染色体DNA同源序列之间的重组来改造基因组特定位点,从而改变生物遗传特性的方法。通过基因打靶可以纠正染色体特定位点上的自发突变,恢复细胞正常的生理功能;也可以把理想突变引入到基因组的某一位点,使之稳定地遗传下去。本文旨在对基因打靶技术的原理与应用方面作一简述。

    1 基因打靶技术的理论基础一同源重组

    1.1 同源性重组的概念

    在生物体内根据重组发生的机制,可把它分为4种类型(张玉静,2000):同源重组(homologous recombination),位点特异性重组(site-specific recomblnation),转座(transposition)和异常重组(illegitimate recomblnatlon)。它们共有的特征是DNA双螺旋之间的遗传物质发生交换。而同源性重组是指发生在DNA同源序列之间的重组。其显著特征是在发生交换的DNA的2个区域的核苷酸序列必须是相同或很相似。同源性重组主要是利用DNA序列的同源性识别重组对象,蛋白质(如大肠杆菌RecA蛋白)可以促进识别,但提供特异性识别的是碱基序列。

    同源重组不只是在减数分裂和体细胞核中发生,也在线粒体基因间和叶绿体基因间发生。除可在DNA分子间进行外,还可在RNA分子间或RNA与DNA分子间进行,逆转录病毒RNA在逆转录中也发生高频同源重组。

    1.2 同源性重组的分子模型

    1.2.1 Holliday双链侵入模型
    Robin Holliday(1964)提出的Holliday模型,是第一个被广泛接受的重组模型,它是通过要发生重组的2个DNA分子的2条单链在同一部位断裂,断裂的游离末端彼此交换形成异源双链,然后2条杂合单链彼此连接形成Holliday连接体。Holliday连接体一旦形成就能进行重排,从而改变链的彼此关系,形成不同的构象,构象决定了在Holliday连接体拆分时是否发生重组。Holliday连接体是所有重组模型的核心。

    1.2.2 单链侵入模型
    Meselson等(1975)将Holliday模型做了改进,提出了单链侵入模型。在该模型中,2个DNA分子中的一个单链在随机部位被切开,暴露的末端侵入到另一个双链DNA分分子中,找到它的互补序列形成一个异源双链,然后再通过另一个异源双链的形成而形成Holliday连接体。

    1.2.3 双链断裂修复模型 参与重组的2个双链DNA分子中有一个发生双链断裂并形成3’粘性末端,3’粘性末端侵入到另一双链DNA分子中置换出一段和它相同的核着酸序列,并形成D-loop。随着D-looP的扩展和断裂末端的修复补合成以及DNA末端的共价连接,形成2个Holliday连接体。

    2 基因打靶技术的载体

    基因打靶技术的关键在于打靶载体的构建。依据外源基因整合到染色体靶位点上的方式不同,打靶载体可以分为2种:插入型载体和替代型载体(Kirt等,1987)(图l,略)这2种载体的区在于载体DNA同源序列双链断裂位点及标记基因的位置不同,插入型载体的断裂位点在同源目的顺序内,标记基因可在载体的任何位置,而替代型载体的断裂位点在同源目的顺序的两侧或外侧,标记基因在同源目的顺序内。

    细胞的HPrt基因构建的2个载体。HPrt基因全长33kb,含有9个外显子,在雄性来源ES细胞中以单拷贝存在。因此,只需要单一拷贝基因突变即可获得可选择性表型(Kirt等,1987)。另外,HPrt基因突变的细胞可以在含有6-硫代鸟瞟呤(6TG)的培养基上存活。因此早期的哺乳细胞基因打靶操作时,常选择该基因作为定点突变的靶位。这2个载体都含有HPrt基因的外显子8及其两端序列,并且外显子8上都因为插入了1个标记基因Neo’而失活。当发生同源重组时,替代型载体首先线性化,在目的基因组上找到Hprt基因,同源配对,然后带有Neo’基因的外显子8部分置换出目的基因组上的Hprt基因的外显子8,使Hprt基因发生突变。而插入型载体通过基因打靶而使Hprt基因失活的机制是整个载体插入到内源基因的相应区域内。

    打靶载体构建以后,采用电穿孔法导入ES细胞,目的序列就可以与ES细胞内的同源序列发生重组,从而将改造后的外源基因置换到ES细胞基因组内,实现基因的定位突变。

    3 基因打靶技术的选择标记

    基因打靶操作时,为了便于选择已整合有外源基因的ES细胞,常常在打靶载体上同时连接有阳性筛选标志,如新霉素磷酸转移酶(Neo)或次黄瞟吟核糖基转移酶基因(Hprt)。带有Neo’基因的细胞表现出G418抗性,而HPrt”细胞和Hprt一细胞可分别在HAT的培养基和6TG的培养基中筛选。这样可以直接鉴定外源基因是否整合到目的基因组上。

    但是,打靶载体进入ES细胞后,以2种形式整合到目的染色体上,即基因打靶和随机整合(图2,略),这时就要引入阴性筛选标志,如单纯疱疹病毒胸腺嘧啶激酶(HSV-tk)基因。如图所示,Neo’基因两端是打靶细胞基因的同源序列,而HSV-tk基因则在同源序列之外。如果是基因打靶事件,Neo’基因插入在X基因位置得以表达,细胞表现出G418抗性,HSV-tk基因未能插入到细胞染色体上,不能表达。细胞在丙氧鸟苷(ganciclovir)培养基上可以存活。如果是随机整合,则Neo’基因、HSV-tk基因均插入到细胞基因组中得以表达,由于HSV-tk基因的表达,使得丙氧鸟苷转变为毒性核苷酸而导致细胞死亡。

    4 基因打靶与ES

    在哺乳动物基因打靶操作中,常采用胚胎干细胞作为打靶载体的受体细胞。ES(Bongson等,1994)是动物早期胚胎(桑枢胚或囊胚)或者原始生殖细胞(Primordial Germ Cells,PGCs)在体外经分化抑制培养并传代而筛选出来的具有发育全能性的细胞。其最显著的特点是具有与早期胚胎细胞相似的高度分化潜能(Evans等,1981;Martin,1981),并且具有培养细胞所具有的特征,如增殖、克隆、冻存等。通过基因打靶技术将改造后的外源基因导入ES细胞后,再把ES细胞注入动物囊胚工S细胞能够参与宿主细胞的胚胎构成,形成嵌合体直至达到种系嵌合,从而将带有外源基因的ES细胞传给后代,产生转基因动物。

    5 基因打靶技术的应用前景

    5.1 在理论研究中的应用

    目前,已经通过基因打靶技术建立了一些重要基因的转基因小鼠模型,通过对这些转基因小鼠表现型进行的研究,深刻揭示了基因结构与功能的关系。如骨骼肌生长分化因子(Growth and Differentiation Factor-8,GDF-8)基因敲除转基因小鼠的骨骼肌重量比野生型大2-3倍(Alexdrana等,1997),有力地说明了GDF-8是骨骼生长的负调控元,能够特异性地抑制骨骼肌的生长,据此,该基因又被命名为肌肉抑制素(myostatin)基因。Detloff等(1994)设计出一种称为“插头和插座”(Plug and sochet)的靶载体技术,应用该技术建立了具有人类BIVS-2-654nt C→T突变的转基因小鼠模型,为研究具有复杂基因组织的基因簇结构与功能提供了稳定、快捷的方法。

    5.2 在人类疾病基因治疗中的应用

    人类疾病基因治疗是通过目的基因的表达,抑制、替代或补偿缺陷基因,从而恢复受累细胞、组织或器官的生理功能,达到疾病治疗目的的一种方法,其最终是要通过向体细胞或组织器官注射外源基因及载体,通过外源基因的表达,纠正体内缺陷基因的表达来实现的。为此基因治疗从一开始就非常注重人类疾病转基因动物模型的研制。通过建立人类疾病的转基因动物模型,对揭示人类疾病的发病过程、机理及探索治疗途径,特别是遗传性疾病,恶性肿瘤等具有十分重要的意义。Silva(1992年)最先报道应用基因敲除技术研究钙/钙调蛋白激酶II(α-CaMk II)基因在小鼠学习、记忆和长时程增强(Long-tern notentation,)中的作用。在α-CaMK II基因序列中插入neo基因,转入ES细胞,筛选含有同源整合外源基因的ES细胞,将它注人囊胚,再将囊胚转入假孕母鼠体内,产生雄性嵌合体小鼠,然后与正常雌性小鼠交配得到F1代杂合体,它们相互杂交F2代,经筛选得到α-CaMK II基因敲除小鼠纯合体。这一模型为人类的基因治疗打下了坚实的基础。1980年,通过基因敲除的方法将卜球蛋白基因定点整合到2个患有地中海贫血症儿童的骨髓干细胞中,该基因在这个有争议的实验中表达了9个月。

    5.3 在动物育种中的应用

    通过基因打靶可以定点地引入优良基因,提高外源基因的稳定性和表达效率,从而改变动物的遗传特性,提高动物的生产性能,增强其抗病力,最终育成满足人们需要的高产、优质、抗病新品种。1999年7月21日,英国PPL医疗公司宣布他们利用基因敲除技术获得了2只定点整合的转基因羊cupid和Diana,他们已将这一技术应用于一些人类蛋白的开发。

    总之,作为新兴的遗传工具,基因打靶技术无论是在理论研究还是在实践应用方面都有着广阔的前景。

『2007诺贝尔物理学奖获奖科学家阿尔贝·费尔(左)和彼得·格林贝格尔』

瑞典皇家科学院9日宣布,将2007年诺贝尔物理学奖授予法国科学家阿尔贝·费尔和德国科学家彼得·格林贝格尔,以表彰他们发现了“巨磁电阻”效应。瑞典皇家科学院说:“今年的物理学奖授予用于读取硬盘数据的技术,得益于这项技术,硬盘在近年来迅速变得越来越小。”

『2007年的诺贝尔奖授予仪式』 

  德国科学家皮特-克鲁伯格1939年5月18日出生。从1959年到1963年,克鲁伯格在法兰克福约翰-沃尔夫冈-歌德大学学习物理,1962年获得中级文凭,1969年在达姆施塔特技术大学获得博士学位。

    1988年,克鲁伯格在尤利西研究中心研究并发现巨磁电阻效应;1992年被任命为科隆大学兼任教授;2004年在研究中心工作32年后退休,但仍在继续工作。

    克鲁伯格在学术方面获奖颇丰,包括1994年获美国物理学会颁发的新材料国际奖(与艾尔伯-费尔、帕克林共同获得);1998年获由德国总统颁发的德国未来奖;2007年获沃尔夫基金奖物理奖(与艾尔伯-费尔共同获得)。

体积越来越小,容量越来越大——在如今这个信息时代,存储信息的硬盘自然而然被人们寄予了这样的期待。得益于“巨磁电阻”效应这一重大发现,最近20多年来,我们开始能够在笔记本电脑、音乐播放器等所安装的越来越小的硬盘中存储海量信息

“巨磁电阻”效应与硬盘的关系

    通常说的硬盘也被称为磁盘,这是因为在硬盘中是利用磁介质来存储信息的。一般而言,在密封的硬盘内腔中有若干个磁盘片,磁盘片的每一面都被以转轴为轴心、以一定的磁密度为间隔划分成多个磁道,每个磁道又进而被划分为若干个扇区。磁盘片的每个磁盘面都相应有一个数据读出头。

    简单地说,当数据读出头“扫描”过磁盘面的各个区域时,各个区域中记录的不同磁信号就被转换成电信号,电信号的变化进而被表达为“0”和“1”,成为所有信息的原始“译码”。

    伴随着信息数字化的大潮,人们开始寻求不断缩小硬盘体积同时提高硬盘容量的技术。1988年,费尔和格林贝格尔各自独立发现了“巨磁电阻”效应,也就是说,非常弱小的磁性变化就能导致巨大电阻变化的特殊效应。

    这一发现解决了制造大容量小硬盘最棘手的问题:当硬盘体积不断变小,容量却不断变大时,势必要求磁盘上每一个被划分出来的独立区域越来越小,这些区域所记录的磁信号也就越来越弱。借助“巨磁电阻”效应,人们才得以制造出更加灵敏的数据读出头,使越来越弱的磁信号依然能够被清晰读出,并且转换成清晰的电流变化。

 

1997年,第一个基于“巨磁电阻”效应的数据读出头问世,并很快引发了硬盘的“大容量、小型化”革命。如今,笔记本电脑、音乐播放器等各类数码电子产品中所装备的硬盘,基本上都应用了“巨磁电阻”效应,这一技术已然成为新的标准。

    瑞典皇家科学院的公报介绍说,另外一项发明于上世纪70年代的技术,即制造不同材料的超薄层的技术,使得人们有望制造出只有几个原子厚度的薄层结构。由于数据读出头是由多层不同材料薄膜构成的结构,因而只要在“巨磁电阻”效应依然起作用的尺度范围内,科学家未来将能够进一步缩小硬盘体积,提高硬盘容量。

巨磁电阻”效应目前的发展

    就在去年,日立公司设在英国的研究所--日立剑桥实验室(Hitachi Cambridge Laboratory)和欧洲的几所大学,日前证实了可通过磁力使电阻改变100倍以上的巨磁电阻效应“库仑阻塞各向异性巨磁电阻效应”(CBAMR:Coulomb Blockade Anistropic Magneto-Resistance)”。

    该公司评价说:“这项成果开辟了通向表面记录密度超过1Tbit/英寸2的硬盘磁头的道路”。 虽然是在-269℃下取得的试验成果,但模拟结果显示在常温下也有可能保持这一效应。 

    利用磁力来改变电阻的巨磁电阻效应在此前的MR磁头中仅为几个百分点,在当前的主流产品――GMR磁头中为数十个百分点,在正在逐渐推广的TMR磁头中,原理实验得出的数值约为400%。此次确认的库仑阻塞效果将巨磁电阻效应一下提高了100倍。

    在实验中,用膜厚为5nm的强磁性材料Ga-Mn-As薄膜制作单一电子晶体管,确认了超过100倍的电阻变化。具体来讲,施加0.1T的磁场时电阻由约1MΩ变为约100MΩ。根据模拟试验,发现了超过100倍的电阻变化可以通过配合库仑阻塞效应和强磁性物体的磁各向异性而实现。

2007年诺贝尔化学奖

格哈特·埃尔特(Gerhard Ertl)  (71岁)

瑞典皇家科学院10日宣布,德国科学家格哈德·埃特尔因在表面化学研究领域作出开拓性贡献而获得2007年诺贝尔化学奖。

当天恰逢埃特尔的71岁生日。他1936年10月10日生于德国斯图加特,当前在德国马普学会弗里茨─哈伯研究所从事研究工作。

瑞典皇家科学院在评价其研究成果时表示,埃特尔的研究有助于人们理解「铁为什么会生锈」、「燃料电池和汽车中的催化剂如何工作」、「南极上空的臭氧层如何被破坏」等问题。