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遗传学中心法则

时间:2019-10-04 16:39来源:未知 作者:admin 点击:

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  遗传学中心法则(Central dogma of molecular biology):描述从一个基因到相应蛋白质的信息流的途径。遗传信息贮存在DNA中,DNA被复制传给子代细胞,信息被拷贝或由DNA转录成RNA,然后RNA翻译成多肽。不过,由于逆转录酶的反应,也可以以RNA为模板合成DNA。

  遗传学中心法则是一个伟大的法则,曾成为21世纪自然科学界令人瞩目与惊叹的事件之一,对于深入理解遗

  传及变异的实质具有重要的意义。随着分子生物学的发展,中心法则受到一定的冲击,如今要从中心法则的提出、中国科学院青岛生物能源与过程研,发展以及对它的挑战、它的未来等方面谈及对中心法则的理解,以便更好地去学习、研究分子生物学。

  中心法则是指遗传信息从DNA传递给RNA,再从RNA传递给蛋白质的转录和翻译的过程,以及遗传信息从DNA传递给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。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。

  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,这个过程即为反转录(reverse transcription)。

  中心法则的信息是从DNA到RNA,但是,从生命起源和演化的历史来看,信息的整合则必定是从mRNA到DNA。

  在细胞起源的早期,为了适应细胞的分裂行为,遗传物质的有效传递成为必须,因此,细胞中储存在各种m-RNA中的遗传信息的整合必须成为选择的方向,把所有m-RNA的信息连接起来,就是向DNA方向发展的启航。也许可以认为,随着蛋白质的增多,mRNA也相应增多,偶尔一个整合性的mRNA长链更好地匹配了细胞的分裂行为,这样就会得到选择。

  但是,并不是把m-RNA拼接起来就是DNA,实际上,结构成份发生了两个变化,其一,RNA分子中的尿嘧啶,在DNA中变成了胸腺嘧啶,虽然两者仅有细微的差别,即后者多了一个甲基;其二,RNA分子中的核糖在DNA中变成了脱氧核糖。但是这两个变化却导致了两种核酸在形态上的显著差别:DNA形成双螺旋的结构,而绝大部分RNA分子都是线状单链,虽然RNA分子的某些区域可自身回折进行碱基互补配对,形成局部双螺旋。或许出于某种结构上的缘由,如果脱氧核糖替代核糖以及胸腺嘧啶替代尿嘧啶能更加有利于形成稳定的双螺旋结构的话,那就是DNA被选择的方向性。

  当然,或许仅仅就是为了避免混淆,因为生物经常要用既有联系又能区别的结构物质来行使不同的功能,譬如,NADPH和NADH,两者的还原电位完全相同,功能也类似,但却用于不同的生物代谢途径。一个不容易混淆的井然有序的代谢系统当然会得到选择或青睐。

  真核基因转录产物为单顺反子,即一个基因编码一条多肽链或RNA链,每个基因转录有各自的调节元件。在原核细胞中,通常是几种不同的mRNA连在一起,相互之间由一段短的不编码蛋白质的间隔序列所隔开,这种mRNA叫做多顺反子mRNA。依笔者之见,原核生物多顺反子的存在,正好可视为是mRNA拼接成长链DNA的一个过渡阶段的证据。

  另一个证据就是,在DNA聚合酶根据模板复制新的DNA链之前,必须依赖一段RNA引物。这一引物是引物酶辨认起始位点后解开一段DNA并按照5到3方向合成的RNA短链。之后,DNA聚合酶会通过磷酸二酯键的连接,添加与模板链配对的核苷酸,从而向引物链的3端方向合成DNA。当然,最后RNA水解酶(RNase)会将RNA引物水解,另一些DNA聚合酶会生成DNA来填补这些缺口。

  可以设想,如果不将m-RNA的遗传信息整合进一个统一的DNA中去的话,庈瓟悝頗庛釵俋褪蚳珛巹埜頗悝扲,细胞分裂中如何能够将亲细胞准确地分配到两个子细胞中去则难以想象的!当然,完善的遗传系统的建立绝非易事,超越了人类的想象,应该是细胞前体在数亿年的演化历程特别是无数次失败的分裂过程中才得以实现的。人们可能怀疑这种推论的真实性,但在如此宏大的地球上,在如此之小的细胞中,如果给予了10亿年的时日,一切偶然皆有可能成为必然,一切不可想象的事件皆有可能发生,只要有一个演化的方向性。

  蛋白质、RNA和DNA三者在结构与功能的分化与完善,导致了一个完全独立的遗传系统的形成,而这又是通过细胞分裂维持生命形态相对稳定性的前提。只有一个真正可操作的遗传系统的出现,生命才从前细胞体时代迈进了细胞时代,才真正拉开了生物进化的序幕。

  在生化机制上,细胞必须形成既有区别又有联系的一种结构体系,即一方面必须对信息进行准确地储存与复制,另一方面高效地实施生命构建,前者就是核酸体系,后者就是蛋白质体系。这两个体系在短时间尺度上相对独立,但不断相互作用,导致在长时间尺度上的协同演化。

  谢平.生命的起源-进化理论之扬弃与革新.北京:科学出版社,2014(电子版下载地址 )

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