現代生命科學進展(第二版) 節選

第1章中心法則的補充和發展 1.1中心法則的要點及其面臨的挑戰 1.1.1中心法則的提出 1958年Crick首次對核酸和蛋白質的相互關系提出了中心法則（central dogma），即DNA上的遺傳信息可以通過復制傳遞給下一代的DNA分子，也可 以通過轉錄傳遞到RNA，*后經翻譯又從RNA傳遞至蛋白質分子。即DNA— RNA—蛋白質。 此法則奠定了分子生物學的理論基礎，其要點有三：**，遺傳信息指 DNA、RNA的核苷酸序列和蛋白質中的氨基酸序列；第二，從DNA、RNA到 蛋白質的遺傳信息流向是嚴格的單程路線；第三，DNA序列與其所轉錄出的 RNA序列及翻譯出的蛋白質中的氨基酸序列有嚴格的共線性（collinearity）。 1.1.220世紀70年代后的補充 Temin （1970）發現了反轉錄酶并證明了反轉錄的機制，如肉瘤病毒的復制 是先以病毒RNA為模板通過反轉錄酶合成DNA，再以該DNA為模板合成 RNA，即遺傳信息在某些情況下也可以從RNA傳遞到DNA。Spiegelman等證 明反轉錄酶在單鏈RNA模板上合成DNA時，作用機制與DNA聚合酶類似， 該酶也需要引物，tRNA可作為RousRNA病毒反轉錄的引物。新合成的DNA 鏈與RNA模板結合形成DNA/RNA雙鏈，然后以新合成的DNA為模板產生環 狀的雙鏈DNA。這些發現是對中心法則中遺傳信息流向單程路線的**次沖擊。 20世紀70年代中期幾種RNA病毒如MS2、R7、Q等的復制過程被發現， 這些病毒僅編碼3個基因：A蛋白、外殼蛋白和復制酶。在復制時復制酶先結合 到RNA基因組的3，端上，開始沿5， —3，方向合成一個互補負鏈。負鏈RNA并 不與正鏈氫鍵結合，但可再作為模板，合成新的正鏈RNA。這意味著RNA的 遺傳信息也可以通過復制傳遞給子代。 Jeffreys和Flavell （1977）發現盧-珠蛋白基因內有內含子。Doel等（977） 也證實卵清蛋白基因中也存在內含子。為此，這些基因中DNA的堿基序列與氨 基酸序列不存在嚴格的共線性。 20世紀70年代后，分子生物學家們對Crick的中心法則做了如下的補充，即 1.1.320世紀90年代面臨的新挑戰 雖然Lipmann等（1971，1976，1984）早就發現并證實存在以蛋白質為模 板的肽鏈合成，Prusiner （1982，1984）發現了不含核酸的蛋白質病毒的繁殖與 復制，但并未引起學術界的重視，直至1997年Prusiner獲諾貝爾醫學獎后才激 發了人們思考遺傳信息是否也能從蛋白質傳遞給蛋白質。 此外，20世紀90年代中期，蛋白質自剪接現象引起了科學家們的高度關注，在22種生物的24種蛋白質分子中找到內含子和外顯子。這些蛋白質翻譯后 內含子會自動刪除，然后把外顯子連接成一個有功能的蛋白質分子。內含子是 DNA中的編碼序列，否則它不會轉變成蛋白質中的氨基酸序列，內含子的出現 使得基因所決定的蛋白質與*終的功能性蛋白質的氨基酸序列不一致，也就是說 缺乏嚴格的共線性。人類基因組計劃研究的大量事實表明一個基因可以編碼多種 蛋白質，“一個基因一種酶”的傳統觀念需要更新。由此，Crick （1958）早年的斷言“信息一旦進入蛋白質，它就不可能再輸出”（once information has passed into protein， it cannot get out again）和 DNA、RNA、蛋白質等序列有嚴格共線性的結論，又面臨新的挑戰。 1.1.4全面認識RNA生物功能的多樣性和重要性 中心法則中強調遺傳信息從DNA—RNA—蛋白質的傳遞，在此，RNA的 生物學功能僅表現為一個中間因素，即DNA上的核苷酸序列通過轉錄決定了 mRNA上的核苷酸序列，進而通過轉譯把mRNA上的核苷酸序列翻譯成蛋白質 中的氨基酸順序，這樣就解讀了DNA的全部遺傳信息。對生命體的蛋白質合成，中心法則確實非常關鍵，但它未能反映RNA生物功能的多樣性和重要性。 生物界種類繁多，其中RNA病毒也是一個獨立的生命體系，分布在植物細胞內的RNA病毒有的只有RNA，甚至不含蛋白質。 RNA的功能也是多種多樣，如mRNA、hnRNA、rRNA、tRNA、snRNA （small nuclear RNA）、 scRNA （small cytosal RNA）、 siRNA （small interfering RNA）、miRNA （micro RNA）等均有各自的獨特功能。自中心法則提出后很長 一段時間對RNA的認識僅局限在rRNA、tRNA和mRNA，因為它們都與蛋白 質的合成有關。后來反轉錄酶和核酶的陸續發現對RNA的認識才有了一個突 破，直到近三四年對RNA的研究才有很大進展。 Ban等（2000）用X射線衍射分析獲得了關于核糖體中較大亞基的高分辨 率（2. 4）原子結構圖，研究表明盡管核糖體中既含RNA，又有蛋白質，但蛋 白質的加工過程卻只與RNA有關。實驗證明核糖體實質上是一種催化自身化學 反應的核酶（ribozyme），此研究成果被Science評為2000年世界十大科學突破 之一，排名第二。第二年Sctence又把siRNA研究列人2001年十大科技突破之 一，也是排名第二。2002年12月Scene按慣例評選2002年度十大科技突破， 提出miRNA的研究名列**。有關RNA的研究連續3年被列人世界十大科技 突破，可見此研究的意義深遠。人們發現RNA的功能除了傳遞遺傳信息外，還 有生物催化活性、調控翻譯、轉錄和復制、調控發育等重要功能。諾貝爾獎獲得 者Boshor （2000）指出：有關RNA干擾（RNA interference）的研究將是未來 10年生物學研究中*激動人心也*有可能產生豐富成果的領域之一，預示著一 個嶄新的RNA時代即將來臨。 人們對客觀事物的認識總在不斷深人，毫無例外中心法則也應不斷補充和發展。 1.1.5表觀效應可以遺傳 根據中心法則遺傳信息從DNA—RNA—蛋白質，所以基因決定性狀，只有 改變遺傳信息才可能有遺傳性狀的變異。近十年來迅速發展起來的表觀遺傳學 （epigenetic）卻揭示了存在許多不影響基因型而改變了表型，且這些表型改變確 實可遺傳，它們在遺傳信息上也確實未表現出任何改變的現象，為此稱為“表觀 遺傳”。對表觀遺傳的機制目前已有較深人的研究，大體分為兩大類：①能永生化的基團通過共價連接修飾DNA，比如兩條同樣序列的等位基因可能有不同的 甲基化狀態，因而會有不同的性質；②或者可以建立一個自我永生化的蛋白質狀 態，這可能包括蛋白質復合體的裝配，特殊蛋白質的修飾，或者改變蛋白質構 象。比如本書上一節介紹的朊病毒的繁殖與復制也屬表觀遺傳范疇。表觀遺傳已 突破了中心法則。 1.1.5.1由DNA甲基化引起的表觀效應 在真核生物細胞中，基因DNA甲基化的主要功能是與轉錄控制有關，它使 基因失活。大多數甲基基團能在CG “雙聯體”中被找到，2%~7%的動物細胞 DNA胞嘧啶是被甲基化的。當甲基化的DNA復制時就會從完全甲基化位點轉 變成一個半甲基化位點，但細胞內有一種維持甲基化酶（maintenance methy-lase）組成型地作用于半甲基化位點，使它們轉變成完全甲基化位點。此外，還 存在另一種DNA甲基化酶能在新位點修飾DNA被稱為重新合成甲基化酶（de novomethylase），它通過識別特異序列來識別DNA，作用于非甲基化DNA，加 一個甲基到一條鏈上。甲基化有多種靶位，基因啟動子是*常見的靶位。一個基 因啟動子被甲基化，此基因就被失活。如果啟動子被去甲基化，基因就變成有活 性。癌癥表觀遺傳研究證明：抑癌基因啟動子的CpG島上過多甲基化（hyperm-ethylation）就能導致抑癌基因“沉默”引發BRCA1的癌變。反之，當某些致癌 基因啟動子甲基化過低，就引起這些基因癌變，如卵巢癌和乳腺癌等。研究證明 由DNA甲基化引發的表觀效應能通過有絲分裂及減數分裂傳遞至后代。 1.1.5. 2由基因印記引起的表觀效應 盡管父系和母系等位基因有一樣的序列，但由于在生殖細胞中甲基基團的特 異性分布模式導致了從雙親遺傳的等位基因之間的行為差異，它們顯示了不同的 性質，這依賴于哪個親本提供這些等位基因。這種性質能通過減數分裂和后面的 體細胞分裂而得到遺傳。在小鼠胚胎中，某類基因的表達依賴于它們來自父方還是母方。比如遺傳自父親的編碼胰島素類生長因子n （iGF-n）的等位基因能 夠表達，而從母系遺傳的等位基因則不表達，因為卵細胞的IGF-n基因是甲基 化的，而精細胞中是非甲基化的。這樣在雜合子中這兩條等位基因的表現就不 同，這是*普遍的模式。但在另一些基因中是相反的，即母系拷貝的表達。這種 表現在雙親遺傳的等位基因之間的行為差異被稱為印記現象（imprinting）。印記 基因有時呈成簇的，在小鼠中17個已知的印記基因中一半以上存在于兩個特殊 的區域，每個都包含有父系和母系表達的基因。 1.1.5. 3由組蛋白修飾引起的表觀效應 現已證明染色質活性和組蛋白乙酰化之間有普遍聯系，尤其是組蛋白H3和 H4 N端的乙?；谷旧|呈活性狀態。轉錄活性與啟動子臨近區域的乙?；?關，而轉錄抑制與去乙?；嘘P，其中*明顯的是哺乳動物雌性細胞中失活的X 染色體的組蛋白H4是非乙?；?。維持組成型異染色質的失活狀態可能要求組 蛋白的非乙?；?。如果乙酰轉移酶作用于酵母中的端粒異染色質區域，沉默基因 就會被活化。若酵母暴露于一種去乙酰化抑制劑（trichostatin），則著絲粒區域 的沉默基因就變得有活性。這樣的效應在trichostatin去除后還存在，這表明它 能在有絲分裂和減數分裂中維持下去。證明通過改變組蛋白乙?；臓顟B就能引 人一個表觀遺傳效應。 1.2以蛋白質為模板的肽鏈合成 近十多年來已證明抗生素多肽（antibiotic polypeptide）、谷胱甘肽（glutathione）、 胞壁質交聯肽等的合成不以DNA為模板，而以多酶體系為模板進行肽鏈合成。 抗生素多肽是細菌產生的抗生素中的一大類，分子質量從幾百到幾千道爾頓（Da）不等，含罕見 的氨基酸如D-氨基酸、泠氨基酸、二氨基丁酸和鳥 氨酸（ornithine）等，多數呈環狀，并對蛋白酶有 抗性。此類多肽有短桿菌肽S （gramicidin S，GS）（圖1-1）、短桿菌酪肽（tyrocidin，Ty）、多黏菌素 （polymyxin）、放線菌素（actinomycin）、伊短菌素 （edeine）、分枝桿菌素（mycobacillin）、丙甲菌素 （alaemethicin）、鹿鈴菌素（suzukacillin）、綴氨霉素（valinomycin）、賭狀菌素（cerexin）、恩鐮胞菌素（enniatin ）、亮肽素（leupeptin ）、短制菌素 （brevistin ）、致畸素（malformin ）、鶴骨章喊 （amanitin）和鬼筆毒環肽（phalloidine）等10多種。 mRNA為模板，也不在核糖體上合成，在它們合成過程中如果用DNase、 RNase徹底處理仍能合成。 1. 2. 1合成短桿菌肽S的多酶體系 短桿菌肽S是短桿菌Bacillus brevis產生的環十肽。作為GS合成模板的多 酶體系由輕酶（light enzyme， LE）（相對分子質量為100 000Da）和重酶 （heavy enzyme，HE）（相對分子質量為280 000Da）各一份組成。LE含有消旋 化酶活性，能把L-Phe活化、硫酯化后消旋為D-Phe。HE不含消旋化酶，但含4’-（p）-泛酰巰基乙胺蛋白[4’-（p）-p