中心法則

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中心法則(genetic central dogma)

是指遺傳信息從DNA傳遞給RNA,再從RNA傳遞給蛋白質,即完成遺傳信息的轉錄和翻譯的過程。也可以從DNA傳遞給DNA,即完成DNA的複製過程。這是所有有細胞結構的生物所遵循的法則。在某些病毒中的RNA自我複製(如煙草花葉病毒等)和在某些病毒中能以RNA為模板逆轉錄成DNA的過程(某些致癌病毒)是對中心法則的補充。RNA的自我複製和逆轉錄過程,在病毒單獨存在時是不能進行的,只有寄生到寄主細胞中後才發生。逆轉錄酶基因工程中是一種很重要的酶,它能以已知的mRNA為模板合成目的基因。在基因工程中是獲得目的基因的重要手段。  

中心法則的提出

生物遺傳中心法則最早是由Crick於1958年提出的,用以表示生命遺傳信息的流動方向或傳遞規律。由於當時對轉錄、翻譯、遺傳密碼鏈摺疊等都還了解不多,在那個時候中心法則帶有一定的假設性質。隨著生物遺傳規律的進一步探索,中心法則也逐步得到完善和證實,其法則見圖1。 中心法則是現代生物學中最重要最基本的規律之一, 其在探索生命現象的本質及普遍規律方面起了巨大的作用,極大地推動了現代生物學的發展,是現代生物學的理論基石,並為生物學基礎理論的統一指明了方向,在生物科學發展過程中佔有重要地位。遺傳物質可以是DNA,也可以是RNA。細胞的遺傳物質都是DNA,只有一些病毒的遺傳物質是RNA。這種以RNA為遺傳物質的病毒稱為反轉錄病毒(retrovirus),在這種病毒的感染周期中,單鏈的RNA分子反轉錄酶(reverse transcriptase)的作用下,可以反轉錄成單鏈的DNA,然後再以單鏈的DNA為模板生成雙鏈DNA。雙鏈DNA可以成為宿主細胞基因組的一部分,並同宿主細胞的基因組一起傳遞給子細胞。在反轉錄酶催化下,RNA分子產生與其序列互補的DNA分子,這種DNA分子稱為互補DNA(complementary DNA),簡寫為cDNA,這個過程即為反轉錄(reverse transcription)。

由此可見,遺傳信息並不一定是從DNA單向地流向RNA,RNA攜帶的遺傳信息同樣也可以流向DNA。但是DNA和RNA中包含的遺傳信息只是單向地流向蛋白質,迄今為止還沒有發現蛋白質的信息逆向地流向核酸。這種遺傳信息的流向,就是克里克概括的中心法則(central dogma)的遺傳學意義。

任何一種假設都要經受科學事實的檢驗。反轉錄酶的發現,使中心法則對關於遺傳信息從DNA單向流入RNA做了修改,遺傳信息是可以在DNA與RNA之間相互流動的。那麼,對於DNA和RNA與蛋白質分子之間的信息流向是否只有核酸向蛋白質分子的單向流動,還是蛋白質分子的信息也可以流向核酸,中心法則仍然肯定前者。可是,病原體朊粒(Prion)的行為曾對中心法則提出了嚴重的挑戰。

朊粒是一種蛋白質傳染顆粒(proteinaceous infectious particle),它最初被認識到是羊的瘙癢病的病原體。這是一種慢性神經系統疾病,在200多年前就已發現。1935年法國研究人員通過接種發現這種病可在羊群中傳染,意味著這種病原體是能在宿主動物體內自行複製的感染因子。朊粒同時又是人類的中樞神經系統退化疾病庫魯病(Kuru)和克—傑氏症候群(Creutzfeldt-Jacobdisease,CJD)的病原體,也可引起瘋牛病牛腦的海綿狀病變(bovin spongiform encephalopathy,BSE)。以後的研究證明,這種朊粒不是病毒,而是不含核酸的蛋白質顆粒。一個不含DNA或RNA的蛋白質分子能在受感染的宿主細胞內產生與自身相同的分子,且實現相同的生物學功能,即引起相同的疾病,這意味著這種蛋白質分子也是負載和傳遞遺傳信息的物質。這是從根本上動搖了遺傳學的基礎。

實驗證明,朊粒確實是不含DNA和RNA的蛋白質顆粒,但它不是傳遞遺傳信息的載體,也不能自我複製,而仍是由基因編碼產生的一種正常蛋白質的異構體

哺乳動物細胞里的基因編碼產生一種糖蛋白PrP。人的PrP基因位於20號染色體短臂,PrP由253個胺基酸殘基組成,在氨基端有22個胺基酸組成的信號 肽。在正常腦組織中的PrP稱為PrPc,相對分子質量為33 000~35 000,對蛋白酶敏感。在病變腦組織中的PrP稱為PrPsc,相對分子質量為27 000~30 000,是PrPc中的一段,蛋白酶對其不起作用。現在知道,PrPc和PrPsc是PrP的兩種異構體,胺基酸組分和線性排列次序相同,但是三維構象不同。PrPc的結構中。螺旋佔42%,β片層佔30%;PrPsc則是。螺旋佔30%,β片層佔43%。PrPc的4條。螺旋可以排列成一個緻密的球狀結構,這個結構的隨機漲落(stochastic fluctua—tion)會長成部分摺疊的單體PrP*,這是一種中間體,即PrP*可以生成PrPc,也可以生成PrPsc。一般情況下,PrP*的含量極少,所以生成的PrPsc極少。可是外源的PrPsc可以促使PrP*變成PrPsc。PrPsc的不溶性使生成PrPsc過程成為不可逆轉。PrPsc在神經細胞里大量沉積,引起神經細胞的病變,破壞了神經細胞功能。因此,PrPsc感染正常細胞後,可以促使細胞內生成更多的PrPsc,PrPsc逐漸積累,需要有一個時間過程才會引發疾病,這也就是這種神經退化性疾病有一個很長的潛伏期的原因。所以說,PrPsc進入宿主細胞並不是自我複製,而是將細胞內基因編碼產生的PrPc變成PrPsc。由此可見,中心法則是正確的,至少在目前還是無需修正的。

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