与主流观点背道而驰，却把诺奖收入囊中，他的发现揭开了DNA保持稳定的秘密

　　▎药明康德内容团队编辑在科学家们普遍认为DNA稳定、不易损伤的时代，一位名叫托马斯·林达尔（Tomas Lindahl）的瑞典生物化学家大胆地挑战了这一共识。他坚定地相信，DNA是会自然受损的，并且细胞中一定有某种机制能够修复这些损伤。在这个无人问津的领域，林达尔博士坚持开展自己的研究，并因发现了对抗内源性DNA损伤的主要细胞防御机制——碱基切除修复机制，而获得了2015年的诺贝尔化学奖。今天这篇文章中，药明康德内容团队将结合公开资料为大家分享托马斯·林达尔博士的科学探索故事。

　　

　　▲Tomas Lindahl博士（图片来源：药明康德内容团队制作）

　　在叔叔的影响下，踏上医学之路

　　托马斯·林达尔于1938年1月28日出生于瑞典斯德哥尔摩。尽管林达尔的家庭并不富裕，但好在父母开明、家庭氛围温馨。林达尔的父母在自然科学方面全无背景，一个是商人，一个是行政工作者，但他们对林达尔的学业选择和兴趣都给予了无条件的支持和鼓励。

　　在小林达尔的记忆中，父亲与他兄弟姐妹的往来十分密切。其中，贡纳尔（Gunnar）叔叔与父亲的关系最为热切。贡纳尔叔叔是一名杰出的外科医生，经常会给林达尔一家提出一些有建设性的建议。可以说林达尔在读大学时选择学医，一定程度上是受了这位叔叔的影响。

　　

　　图片来源：123RF

　　上高中时，林达尔的兴趣十分广泛，他喜欢长跑，还喜欢音乐和钢琴。由于这些爱好分散了他在学习上的注意力，他的成绩并不拔尖。而在瑞典，因为教育是免费的，如果想考取医学等热门的大学专业，需要学习成绩十分优异。在林达尔犹豫未来的选择时，贡纳尔叔叔给了他很大的鼓励，于是他决定挑战申请斯德哥尔摩的一所医学院——卡罗林斯卡学院（Karolinska Institute）。最终，林达尔没有辜负家人的期待，顺利进入了这所医学院就读。

　　迈入DNA研究的大门，埋下疑问的种子

　　在进入医学院后，林达尔逐渐意识到自己不是当医生的材料——他在外科手术的实操课程上显得力不从心，但却对生物化学和细菌学十分感兴趣。凑巧的是，卡罗林斯卡学院的细菌学系推出了一个新的项目，将招收医学生开展为期一年的基础研究。这个项目正中林达尔的下怀，他立即报名，这一选择使他踏上了科学研究的道路。

　　在细菌学系，林达尔认识了一位鼓舞人心的化学教授埃纳尔·哈马斯滕（Einar Hammarsten）。哈马斯滕教授是DNA研究领域的先驱，但那时他已退休。在与哈马斯滕教授接触的过程中，林达尔被他在探讨科研问题时的专注、认真和全身心投入的态度折服，就像沉浸在音乐里的顶级音乐家，林达尔认为哈马斯滕教授在科学领域毫无疑问是一位真正的顶级学者。例如有一次，林达尔和教授在冷库中取试剂，教授全神贯注地向林达尔解释一些科学问题时甚至全然忽略了环境的寒冷，也没有意识到他完全可以走出冷库再继续讨论。在哈马斯滕教授的带领下，刚刚踏入科研大门的林达尔跌跌撞撞地探索了许多与DNA相关的有趣问题。

　　

　　图片来源：123RF

　　1960年代中期，林达尔由于在核酸的分离和表征方面积累了一些经验，受邀到普林斯顿大学雅克·弗雷斯科（Jacques Fresco）教授的实验室做博士后，研究使tRNA结晶的方法，并探索tRNA的结构。

　　一开始，林达尔的实验进展得非常不顺利，因为他的RNA样本在加热的过程中总是会降解。弗雷斯科教授认为这是实验过程中引入了RNA酶污染了样本导致的，但林达尔确信不是自己的操作有误，因为他通过仔细观察发现，这些tRNA在不同的制备方法下都会以相同的速度分解，这种有规律的现象显然不可能是由意外造成的。

　　尽管林达尔没有继续深究RNA为何会在加热时自发分解，但这使他开始对当时关于DNA稳定性的理论产生了一丝怀疑——像RNA这样的小分子在受到损害（加热）时会如此迅速的分解，那么DNA呢？尽管从分子结构上来说双链形式的DNA会比单链的RNA更稳定一些，但DNA会不会实际上也没有人们想象的那么稳定？

　　

　　图片来源：123RF

　　在1953年以前，DNA的分子结构还未被发现时，科学界普遍认为DNA是非常稳定的，这样才能保证其携带的遗传信息完好无损地传递给下一代，维持物种的稳定延续。当受到极端压力（如高强度的电离辐射）时，基因突变才有可能产生。早期的遗传学家在生物体中观察到的自发突变率非常低，并凭借此特性开展了大量遗传学研究，这也进一步支持了DNA是稳定的这一说法。

　　在DNA双螺旋结构发现后，其自然形成的“碱基互补配对”原则似乎成为了DNA稳定性的最佳保证——如果DNA螺旋中的一条链的一部分被破坏，则该部分的信息可以从互补链中直接根据配对原则得到。但当时没有人想到过，DNA的自发突变率低或许并不是因为其结构本身不容易出错，而是有专门的修复机制，通过不断“检错”并修复使其保持着动态稳定。

　　由于林达尔的想法与当时的主流想法背道而驰，并没有人探究过DNA实际上是不稳定的这个可能性，因此，他决心自己来解开这个问题的答案。但细心且较真的林达尔并没有第一时间展开研究，而是等到回瑞典组建起自己的实验室能够自由地开展研究，以及必需的分子生物学技术（例如DNA克隆和测序技术）成熟后再对其进行充分的研究。

　　推翻主流观点，发现碱基切除修复机制

　　在1970年至1980年间，林达尔博士发现，人类的基因组中每天会产生上万次潜在的基因突变，但我们依然能健康地活着。这意味着，一定存在着某种特殊的DNA修复酶和机制来抵消这种内源性的DNA损伤。

　　凭借其在核酸生物化学方面打下的坚实基础，林达尔博士敏锐地意识到，DNA分子的组成本身可能就是造成其不稳定性的威胁之一。我们知道DNA中存在着4种核苷酸，并能两两配对，分别为腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）配对，鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）配对。从分子结构来看，碱基内部以及碱基与DNA的糖-磷酸骨架之间形成的化学键相对容易断裂，在化学物质或辐射的诱导下，胞嘧啶很容易丢失一个氨基形成新的碱基尿嘧啶（U），这将使另一条链上原本与之配对的鸟嘌呤无法形成稳定的碱基对，并最终引起复制和转录错误。

　　在随后的十多年里，林达尔博士及其团队发现了人体对抗内源性DNA损伤的主要细胞防御机制——碱基切除修复机制，并揭示了几种重要的DNA修复蛋白的作用机制，彻底推翻此前主流观点认为的“DNA非常稳定”的观点。

　　

　　▲碱基切除修复机制图（图片来源：参考资料[3]）

　　在碱基切除修复机制中，尿嘧啶会被一种特异性的DNA糖苷酶（glycosylase）识别出来并切除，形成一个没有碱基的糖-磷酸骨架部位，该部位被称为AP位点。然后，AP内切酶会识别出AP位点，并切断糖-磷酸骨架，形成一个单核苷酸间隙。紧接着，瓣状核酸内切酶-1（FEN-1）会用另一条链作为模板修补间隙。最后，DNA连接酶会把添加上的碱基与DNA链的其他部分连接起来，完成修复过程。林达尔博士认为，这种全新发现的碱基切除修复机制是使人体基因组应对日常生活中自然产生的内在损伤、并能保持惊人的稳定性的机制之一。

　　随后，揭示参与碱基切除修复的各种功能奇特的酶的工作占据了林达尔博士职业生涯的大部分时间，基本上每年都能有新的收获。1994年和1996年，林达尔博士的团队又完成了两项壮举，分别利用来源于大肠杆菌和人类的酶在体外重建了碱基切除修复的过程。

　　2015年，林达尔博士因发现了碱基切除修复机制获得了诺贝尔化学奖。除诺贝尔奖外，他还获得过2010年的皇家学会科普利奖章。该奖项被认为是除诺贝尔奖外在科学成就方面的最高荣誉——此前的科普利奖章得主包括进化论的奠基人查尔斯·达尔文和阿尔伯特·爱因斯坦。

　　研究成果为癌症药物开发提供多种思路

　　林达尔博士是第一批发现DNA修复过程的科学家之一。他的信念和决心驱使他走在科学研究的最前线，勇敢地挑战了科学界当时的主流观点，揭示了DNA的修复机制。他的工作不仅改变了我们对癌症的发病机制的理解，也为癌症新药研发人员提供了多种思路。

　　现在大家都知道，基因突变是癌症发展的重要驱动因素，DNA修复机制缺陷在癌症形成的过程中发挥着至关重要的作用。在林达尔博士工作的基础上，科学家们设计出了多种新型的癌症治疗方法。首先是化疗药物的开发，这些药物会给细胞造成无法修复的DNA损伤从而杀死癌细胞。一些科学家们还设想在放射治疗的基础上增加抑制DNA损伤修复功能的药物，以提高放射治疗的有效性。除此以外，通过靶向DNA损伤修复反应（DDR）通路，科学家们开发出了“合成致死”疗法，可以在杀伤癌细胞的同时，减少对健康细胞的影响。目前，已有多款利用“合成致死”原理的PARP抑制剂获批上市，为大量癌症患者提供了新的希望。随着科学家们对DNA修复机制的进一步深入了解，我们可以期待更多针对DNA修复缺陷的靶向治疗药物的出现。

　　目前，林达尔博士已经退休，享受退休后的悠闲时光，并重拾年少时的兴趣——钢琴。期待有更多的年轻科学家们能够接过这些老一辈科学家们的接力棒，并为科学界带来更多新鲜的想法甚至颠覆性的新观点，为未来的科学发展带来新的突破和希望。

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　　参考资料：

　　[1] Tomas Lindahl Facts. Retrieved July 14, from https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2015/lindahl/facts/

　　[2] Tomas Lindahl Biographical. Retrieved July 14, from https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2015/lindahl/biographical/

　　[3] Lindahl T. My journey to DNA repair. Genomics Proteomics Bioinformatics. 2013 Feb;11(1):2-7. doi: 10.1016/j.gpb.2012.12.001. Epub 2012 Dec 21. PMID: 23453014; PMCID: PMC4357663.

　　[4] 4 ways that Tomas Lindahl’s Nobel Prize for Chemistry revolutionised cancer research. Retrieved July 14, from https://news.cancerresearchuk.org/2015/10/07/4-ways-that-tomas-lindahls-nobel-prize-for-chemistry-revolutionised-cancer-research/

　　[5] Kathy Weston. Blue Skies and Bench Space: Adventures in Cancer Research. Cold Spring Harbor Laboratory Press.

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