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DNA,你所不知的另一面

2015-10-12倪显丽

科学大众(中学) 2015年10期
关键词:粒细胞中性免疫系统

倪显丽

1915年,自从美国人沃森和克瑞克发现DNA是双螺旋结构以来,人们对DNA的认识一直局限于它在细胞分裂时所起的传递遗传信息的作用。最近的科学研究发现,DNA的功能并非局限于此。

当人体被病毒或细菌感染时,我们身体的免疫系统就会立即拉响警报。于是一批批增援的白细胞穿过道道血管壁垒,迅速赶到受感染的现场。它们通常采取两种手段来消灭微生物:一种是在该环境中立即分泌有毒物质,绞杀病毒和细菌;另外一种就是吞噬微生物,并把它们消化掉。这两种机制已经为人类所熟知。可是,最近一个德国的科学团队却发现了DNA另外一种完全出人意料、闻所未闻的防卫机制。

破译防卫秘密

众所周知,细胞命名反映了各染色剂的性质,根据染色剂的酸碱性,可以按照碱性、中性或酸性对细胞进行区分。在人体白血球中,约有70%的细胞是由这类细胞组成的。它们以每分钟8 000万个的速度从人体骨髓中源源不断地被生产出来。它们中有一种叫中性粒细胞,独特的防卫方式就是发生在它身上。它将自身的DNA物质释放到细胞外部,形成一个由DNA丝状体构成的网,这张类似蛛网的结构能够困住微生物,并将其杀死消灭掉。

这种独特的防卫机制在生物学界一经公布,无疑引起一场轩然大波。因为生物学家对DNA的这些丝状体实在是太熟悉了。过去,他们时不时总能在样品中看到它们,但之前一直以为那是因为显微镜的盖玻片不是很干净,或认为那是在研究操作中死去的中性粒细胞的DNA片段。总之,之前根本没有谁想象到会有这样的现象发生。然而,正是由于每次都能够观察到这些DNA丝状体,德国的研究小组才决定要将问题查查清楚。

研究小组在电子显微镜下对一些中性粒细胞进行观察,其中一部分处于休眠状态,另一部分则由于接触到一种源自细菌的蛋白质而得到了激活。实验的结果令人震惊:当中性粒细胞在有细菌的环境中被激活时,DNA丝状体总是无一例外地出现在该环境中,而这种现象也仅仅在有细菌时才会出现。研究小组很快地意识到,他们可能看到了一种从未被发现过的机体自卫武器。接下来的实验更证实了他们的想法。他们用来自不同菌株的细菌种类(如沙门氏菌、葡萄球菌)和一种真菌(白色念珠菌)做了测试,DNA丝状体总能极其有效地将这些微生物摧毁。毫无疑问,这就是一种“杀手DNA”。

不过,大家熟悉的遗传信息传递工具DNA分子,怎么能够消灭致病菌呢?首先,研究小组发现DNA分子自身并没有杀死微生物的机能,DNA长达2米,而且黏性极强,是它的这一物理特性形成了极其有效的网,可以轻易困住微生物!此外,研究小组还发现DNA并不是独自被释放出体外的。它在细胞核内时与某些蛋白质结合在一起,被释放出来后仍然与之相连,特别是组蛋白。这种蛋白质平时将DNA分子保留在细胞核内,并将其压缩成为染色体。其实,组蛋白的杀菌特性早在上世纪50年代就已为医学界所知晓,但人们至今一直不知道这些特性的用途所在。之前,人们只在它们与DNA相结合、严严实实地被包在细胞核里的情况下才观察过它们。

研究小组在细胞核外,并且在与细菌感染作斗争的情况下观察了组蛋白,终于预见到了它在这个杀菌行动中所起的作用。可这还不是全部。因为除了直接消除致病菌外,这张DNA网似乎还有其他许多功能。不难想象,这张网能够限制细菌向机体的其他部分扩散,并为后来其他的白血球争取时间。事实上,中性粒细胞会在环境中释放出蛋白酶,其作用就是降解细菌。同时,它们对机体自身的细胞也是一种威胁。这张DNA网可以将蛋白酶集中在局部,这样就能限制住对宿主自身组织的伤害。

开辟医学新天地

但是,让我们实在难以理解的是,细胞排出自己的DNA,因为这种行为就如同在进行自杀式攻击一般。这项发现完全干扰了人们过去认为DNA作为遗传信息载体的想法。过去人们认为,DNA就是遗传信息的载体,它在细胞分裂时会将此信息传输出去,除此之外,DNA别无其他功能。要知道,骨髓会不断地产生出中性粒细胞,它们在血液中的数量很大。它们与某些神经元细胞可不同,和神经元一样无法再造的细胞得尽量让自己存活得越长越好。而中性粒细胞呢,却有点像奔赴前线的战士。这些离开血管来到受感染部位的细胞生命已经走到了尽头,不能再分裂了,它们注定是要死的。它们是来与入侵者进行战斗,完成自己最后使命的,无论会发生什么,它们几个小时后都会当场死去。

这种背景下,我们就更容易想象到以下的情况:在生命即将结束的那一刻,为了造出了这张细胞外的DNA网,细胞改变了DNA作为基因信息的载体的功能。这一发现还引发出了许多疑问。什么信号会发动这一机制呢?DNA是通过什么路径被释放到细胞外部的呢?感染情况控制住之后,DNA是怎样被降解的?还有一个问题就是,这种自卫机制会不会反过来损害机体本身呢? 因为DNA身在细胞外部这个事实并不是毫无后果的。在许多自身免疫疾病发病时,当免疫系统转而攻击宿主、袭击机体细胞时,可以看到一个共同点,就是身体在制造反DNA的抗体。类风湿性关节炎就是个很好的例子。换句话说,当细胞将DNA释放到环境中时,DNA的存在可能会引发这种抗体的产生。同时,人类免疫系统的细胞还具有受体即“把关”功能,精确地辨认出入侵细菌的DNA,以便引导免疫系统对这些细菌作出反应。这为自身免疫疾病的研究开辟了前所未有的新天地。

中性粒细胞一旦释放出DNA就会被“把关”受体辨认出来。结果就是,免疫反应得到了加强。机体从中得到了好处,它能募集更多的免疫细胞到受感染部位。只不过,抗DNA抗体的大量生产同样也会引发自身免疫疾病。这是不是解释某些目前尚不明原因疾病的关键呢?同样道理,这项发现或许能够对某些病理作出更新的解释,比如先天性黏液稠厚症。这种遗传疾病源于基因异常,它特别影响肺部,能导致分泌物过于黏稠,堵塞支气管。值得注意的是,这些在肺部的分泌物中含有数量极大的DNA,人们在此前对这些DNA来源一无所知。毫无疑问,这种机制的发现从基础研究的角度来看真的非常重要。

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