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中心法则

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是指遗传信息从DNA传递给RNA,再从RNA传递给蛋白质,即完成遗传信息的转录和翻译的过程。也可以从DNA传递给DNA,即完成DNA的复制过程。这是所有有细胞结构的生物所遵循的法则。在某些病毒中的RNA自我复制(如烟草花叶病毒等)和在某些病毒中能以RNA为模板逆转录成DNA的过程(某些致癌病毒)是对中心法则的补充。

遗传信息在细胞内的生物大分子间转移的基本法则。包含在脱氧核糖核酸(DNA)或核糖核酸(RNA)分子中的具有功能意义的核苷酸顺序称为遗传信息。遗传信息的转移包括核酸分子间的转移、核酸和蛋白质分子间的转移。

1957年F.H.C.克里克最初提出的中心法则是:DNA→RNA→蛋白质。它说明遗传信息在不同的大分子之间的转移都是单向的,不可逆的,只能从DNA到RNA(转录),从RNA到蛋白质(翻译)。这两种形式的信息转移在所有生物的细胞中都得到了证实。1970年H.M.特明和D.巴尔的摩在一些RNA致癌病毒中发现它们在宿主细胞中的复制过程是先以病毒的RNA分子为模板合成一个DNA分子,再以DNA分子为模板合成新的病毒RNA。前一个步骤被称为反向转录,是上述中心法则提出后的新的发现。因此克里克在1970年重申了中心法则的重要性,提出了更为完整的图解形式。

这里遗传信息的转移可以分为两类:第一类用实线箭头表示,包括DNA的复制、RNA的转录和蛋白质的翻译,即①DNA→DNA(复制);②DNA→RNA(转录);③RNA→蛋白质(翻译)。这三种遗传信息的转移方向普遍地存在于所有生物细胞中。第二类用虚线箭头表示,是特殊情况下的遗传信息转移,包括RNA的复制,RNA反向转录为DNA和从DNA直接翻译为蛋白质。即①RNA→RNA(复制);②RNA→DNA(反向转录);③DNA→蛋白质。RNA复制只在RNA病毒中存在。反向转录最初在RNA致癌病毒中发现,后来在人的白细胞和胎盘滋养层中也测出了与反向转录有关的反向转录酶的活性。至于遗传信息从DNA到蛋白质的直接转移仅在理论上具可能性,在活细胞中尚未发现。

克里克认为在图解中没有箭头指向的信息转移是不可能存在的,即①蛋白质→蛋白质;②蛋白质→RNA;③蛋白质→DNA。中心法则的中心论点是:遗传信息一旦转移到蛋白质分子之后,既不能从蛋白质分子转移到蛋白质分子,也不能从蛋白质分子逆转到核酸分子。克里克认为这是因为核酸和蛋白质的分子结构完全不同,在核酸分子之间的信息转移通过沃森-克里克式的碱基配对而实现。但从核酸到蛋白质的信息转移则在现存生物细胞中都需要通过一个极为复杂的翻译机构,这个机构是不能进行反向翻译的。因此如果需要使遗传信息从蛋白质向核酸转移,那么细胞中应有另一套反向翻译机构,而这套机构在现存的细胞中是不存在的。中心法则合理地说明了在细胞的生命活动中两类大分子的联系和分工:核酸的功能是储存和转移遗传信息,指导和控制蛋白质的合成;而蛋白质的主要功能是进行新陈代谢活动和作为细胞结构的组成成分。

RNA的自我复制和逆转录过程,在病毒单独存在时是不能进行的,只有寄生到寄主细胞中后才发生。逆转录酶在基因工程中是一种很重要的酶,它能以已知的mRNA为模板合成目的基因。在基因工程中是获得目的基因的重要手段。

以DNA为模板合成RNA是生物界RNA合成的主要方式,但有些生物像某些病毒及噬菌体,它们的遗传信息贮存在RNA分子中,当它们进入宿细胞后,靠复制而传代,它们在RNA指导的RNA聚合酶催化下合成RNA分子,当以RNA模板时,在RNA复制酶作用下,按5'→3'方向合成互补的RNA分子,但RNA复制酶中缺乏校正功能,因此RNA复制时错误率很高,这与反转录酶的特点相似。

中心法则是现代生物学中最重要最基本的规律之一, 其在探索生命现象的本质及普遍规律方面起了巨大的作用,极大地推动了现代生物学的发展,是现代生物学的理论基石,并为生物学基础理论的统一指明了方向,在生物科学发展过程中占有重要地位。遗传物质可以是DNA,也可以是RNA。细胞的遗传物质都是DNA,只有一些病毒的遗传物质是RNA。这种以RNA为遗传物质的病毒称为反转录病毒(retrovirus),在这种病毒的感染周期中,单链的RNA分子在反转录酶(reverse transcriptase)的作用下,可以反转录成单链的DNA,然后再以单链的DNA为模板生成双链DNA。双链DNA可以成为宿主细胞基因组的一部分,并同宿主细胞的基因组一起传递给子细胞。在反转录酶催化下,RNA分子产生与其序列互补的DNA分子,这种DNA分子称为互补DNA(complementary DNA),简写为cDNA,这个过程即为逆转录(reverse transcription)。

由此可见,遗传信息并不一定是从DNA单向地流向RNA,RNA携带的遗传信息同样也可以流向DNA。但是DNA和RNA中包含的遗传信息只是单向地流向蛋白质,迄今为止还没有发现蛋白质的信息逆向地流向核酸。这种遗传信息的流向,就是克里克概括的中心法则(central dogma)的遗传学意义。

任何一种假设都要经受科学事实的检验。反转录酶的发现,使中心法则对关于遗传信息从DNA单向流入RNA做了修改,遗传信息是可以在DNA与RNA之间相互流动的。那么,对于DNA和RNA与蛋白质分子之间的信息流向是否只有核酸向蛋白质分子的单向流动,还是蛋白质分子的信息也可以流向核酸,中心法则仍然肯定前者。可是,病原体朊粒(Prion)的行为曾对中心法则提出了严重的挑战。

朊粒是一种蛋白质传染颗粒(proteinaceous infectious particle),它最初被认识到是羊的瘙痒病的病原体。这是一种慢性神经系统疾病,在200多年前就已发现。1935年法国研究人员通过接种发现这种病可在羊群中传染,意味着这种病原体是能在宿主动物体内自行复制的感染因子。朊粒同时又是人类的中枢神经系统退化性疾病如库鲁病(Kuru)和克-杰氏综合征(Creutzfeldt-Jacobdisease,CJD)的病原体,也可引起疯牛病即牛脑的海绵状病变(bovin spongiform encephalopathy,BSE)。以后的研究证明,这种朊粒不是病毒,而是不含核酸的蛋白质颗粒。一个不含DNA或RNA的蛋白质分子能在受感染的宿主细胞内产生与自身相同的分子,且实现相同的生物学功能,即引起相同的疾病,这意味着这种蛋白质分子也是负载和传递遗传信息的物质。这是从根本上动摇了遗传学的基础。

实验证明,朊粒确实是不含DNA和RNA的蛋白质颗粒,但它不是传递遗传信息的载体,也不能自我复制,而仍是由基因编码产生的一种正常蛋白质的异构体。

哺乳动物细胞里的基因编码产生一种糖蛋白PrP。人的PrP基因位于20号染色体短臂,PrP由253个氨基酸残基组成,在氨基端有22个氨基酸组成的信号 肽。在正常脑组织中的PrP称为PrPc,相对分子质量为33 000~35 000,对蛋白酶敏感。在病变脑组织中的PrP称为PrPsc,相对分子质量为27 000~30 000,是PrPc中的一段,蛋白酶对其不起作用。现在知道,PrPc和PrPsc是PrP的两种异构体,氨基酸组分和线性排列次序相同,但是三维构象不同。PrPc的结构中。螺旋占42%,β片层占30%;PrPsc则是。螺旋占30%,β片层占43%。PrPc的4条。螺旋可以排列成一个致密的球状结构,这个结构的随机涨落(stochastic fluctua-tion)会长成部分折叠的单体PrP*,这是一种中间体,即PrP*可以生成PrPc,也可以生成PrPsc。一般情况下,PrP*的含量极少,所以生成的PrPsc极少。可是外源的PrPsc可以促使PrP*变成PrPsc。PrPsc的不溶性使生成PrPsc过程成为不可逆转。PrPsc在神经细胞里大量沉积,引起神经细胞的病变,破坏了神经细胞功能。因此,PrPsc感染正常细胞后,可以促使细胞内生成更多的PrPsc,PrPsc逐渐积累,需要有一个时间过程才会引发疾病,这也就是这种神经退化性疾病有一个很长的潜伏期的原因。所以说,PrPsc进入宿主细胞并不是自我复制,而是将细胞内基因编码产生的PrPc变成PrPsc。由此可见,中心法则是正确的,至少在目前还是无需修正的。

中心法则是一个框架,用于理解遗传信息在生物大分子之间传递的顺序,对于生物体中三类主要生物大分子:DNA、RNA和蛋白质,有9种可能的传递顺序。法则将这些顺序分为三类,3个一般性的传递(通常发生在大多数细胞中),3个特殊传递(会发生,但只在一些特定条件下发生),3个未知传递(可能不会发生)。

法则中3类遗传信息的传递顺序
一般特殊未知
DNA → DNARNA → DNA蛋白质→ DNA
DNA → RNARNA → RNA蛋白质→ RNA
RNA →蛋白质DNA →蛋白质蛋白质→蛋白质

克里克在上述那篇1970年的文章中指出,中心法则虽然对指导实验很有用,但不应该被当成教条:

"虽然本文所提出的各类法则看来是可靠的,可是我们对分子生物学的认识,即使只是一个细胞-更不用说大自然里的整个生命体-仍然远远未完备到,足以让我们把它当成教条一样肯定正确的程度"

--克里克

自从克里克发表1970年那篇文章以来,很多新发现说明了中心法则补充和发展的必要。

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