Rna研究“刷新”生命故事
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2001年3月20日
关于地球生命,尤其是人类的起源,一直是万众瞩目和科学家孜
孜求索的亘古悬疑。中国先哲称:“人之生也,气之聚也。聚则为生,散则为死。”现代科学认为,在地球之初,因种种条件使无机物转变
为有机物,进而形成生物分子体系,然后进化成最初的生命体。这就
是所谓的“生物进化论”。
前不久,美国《科学》杂志评出2000年十大科学成就:第一条是
科学家合作完成了人类基因组工作草图绘制工作,基本测定出了人类
基因组上的碱基序列;第二条是生命可能始于RNA(核糖核酸),而
非DNA(脱氧核糖核酸)。遴选之余,该杂志慨叹,公众和媒体只重“
, 百拇医药
金牌”,而对“亚军”的功绩所知甚少。人们在关注DNA时,还应更
多地注意到RNA的研究。
1 从人类基因组说起
中、美、日、德、法、英六国科学家和美国塞莱拉公司前不久联
合公布了人类基因组图谱及初步分析结果。经初步分析,人类基因组
由31.647亿个碱基对组成,共有3万~3.5万个基因,为果蝇基因数的..5倍、酵母基因数的6~7倍。这显示,也许只能在人体中发现300个
与老鼠不同的基因,而不同人种间的差异则更小。
更重要的是,科学家还发现,与蛋白质合成有关的基因只占整个
, 百拇医药
基因组的2%,而以往的估计是,人体约有10万个基因。如果一个基
因编码一个蛋白质的话,人们很难相信,这么少的蛋白质如何维持人
体那么复杂而多变的生命现象。科学家估计,人体中的蛋白质数远大
于现在发现的基因数。如果一个基因可以表达出多种蛋白,生物又是
如何做到这一点的?而且,余下的98%的基因组有何功能?这些都是
谜。特别是越高等的生物,这种不编码蛋白质的基因组所占比例越大。
2 “垃圾”可能是RNA
在基因组研究过程中,科学家发现了大量的不编码蛋白质的重复
, 百拇医药
序列,它们一度被称为“垃圾”,而越是高等的生物中这种“垃圾”
的含量越多。
现在发现,这些“垃圾”中的一种,被称为Alu家族的序列与一
种参与细胞分泌蛋白质从细胞内向细胞外传输过程的SRP-RNA有同源
区(即序列上有相同的部分)。现它们被认为是反式可移动元件,因
此,现在我们应该区分两种不同的基因,一种是大家熟悉的蛋白质基
因,另一种是不编码蛋白质的、终产物是RNA的基因。前者现有一套
方法很容易地从基因组计划测得的DNA序列中找到,而后者现在还无
, 百拇医药
好的方法从DNA序列中找出。
近年来,随着基因组计划和蛋白质组计划的开展,与RNA有关的
计划也在不断提出。美国《科学》在发表人类基因组初步结果的同时
也刊有转录组的论文。最近有专家提出了“RNP(核糖核蛋白体)世
界”的假说,还有人提出了“RNA组计划”的设想。这些研究的主要
内容,都是如何从DNA序列中找出RNA基因。
3 生命的起源
人们对自己的起源乃至生命起源问题总怀有极大的兴趣。在现代
生物体系中,DNA携带遗传信息,蛋白质是生物功能分子。这就产生
, 百拇医药
了生命起源的初始时期,是先有DNA,还是先有蛋白质的问题。由于
蛋白质的遗传信息由DNA携带,所以没有DNA就没有蛋白质。但是,虽
然DNA有遗传信息,但它不是功能分子,没有蛋白质的参与,DNA就没
法自我复制。
因此,生命起源之初,先有DNA还是先有蛋白质,就如同先有鸡
还是先有蛋的问题一样使人困惑难解。
4 三类生物高分子化合物
DNA、RNA和蛋白质三类同被称为生物高分子化合物。经典的定义
是:基因是DNA的连续序列,DNA是信使核糖核酸(mRNA)的直接模板,mRNA是蛋白质生物合成的模板。生物体内含量最高的RNA是mRNA、转
, 百拇医药
移核糖核酸(tRNA)和核糖体核糖核酸(rRNA),它们均参与蛋白质
的生物合成。近年来知道还存在很多种不同的RNA,它们均具各种不
同的生物功能。DNA化学性质不活泼,它常以反向互补的双链形式存
在,在生物体内起储存与复制遗传信息的功能。蛋白质由至少20种含
不同侧链的氨基酸组成,使得不同的蛋白质由于组成不同而可有极其
不同和多样的高级结构。这使得蛋白质成为生物体内最重要的效能分
子,它在生物体内无所不在、功能繁多。
5 “RNA世界”的提出
, http://www.100md.com
体外的化学反应通常需要在高温高压下进行,体内的化学反应却
能在常温常压下进行,而且效率非常高。这是由于体内有生物催化剂
———酶的参与。长期以来,人们只知道酶是由蛋白质组成的。20世
纪80年代初,美国科学家切赫发现RNA也可成为生物催化剂。最近,另一位美国科学家爱尔特曼也证明了这一点。切赫提出,原始的RNA
分子就可以完成生命最主要的特征———繁殖过程。由于RNA催化剂
的发现,切赫和爱尔特曼获得了1989年度的诺贝尔化学奖。
同年,诺贝尔化学奖获得者吉尔伯特提出了“RNA世界”的假说。
它指的是“在生命起源的某个时期,生命体仅由一种高分子化合物RN
, http://www.100md.com
A组成。遗传信息的传递建立于RNA的复制,其复制机理与当今DNA复
制机理相似。此时,作为生物催化剂的由基因编码的蛋白质还不存在。”RNA是惟一的既能携带遗传信息又可以是功能分子的生物高分子化
合物。因此,生命发生之初,很可能是在原始海洋深处的火山口边,在高温、高压的条件下,在可作为催化剂的矿物质周边富集了可能是
由雷电中合成的原始核苷酸。亿万年的进化的过程中,形成了具有自
我复制能力的RNA。在人工条件下,这种进化的某些过程,已被成功
地模拟。原始的具有自我复制能力的RNA,在以后的亿万年进化过程
中,逐渐将其携带遗传信息的功能传给了DNA,将其功能分子的功能,传给了蛋白质。
, 百拇医药
6 核糖体是核酶
核糖体是由3~4种核糖体RNA(rRNA)与几十种蛋白质组成的核
糖核蛋白体,是蛋白质生物合成的场所。由于蛋白质生物功能的重要
性,人们一直在努力寻找催化蛋白质生物合成的关键酶———转肽酶,但几十年的努力没有得到任何结果。因此,人们开始怀疑,催化肽键
形成的不是蛋白,而是核酸。人们努力证明天然的rRNA有转肽酶活性,他们除去了核糖体中95%的蛋白,证明仅含5%蛋白的rRNA仍有转肽
酶活性。但反对的人提出,也许是那5%的蛋白催化了肽键的形成。
人们用人工方法筛选出具有转肽酶活性的RNA,但反对的人仍然提出,那只是人工的,不能代表天然情况。时间到了1999年至2000年间,终
, 百拇医药
于有研究显示,核糖体由大、小两个亚基组成,通过X衍射分析,获
得了高分辨率的图谱。图谱分析表明,在肽键形成处2毫微米的范围
中,完全没有蛋白质的电子云存在。这说明肽键的形成不可能由蛋白
质催化,而只可能是rRNA催化。因此核糖体是核酶(由核酸组成的生
物催化剂),这一结果为“RNA世界”假说提供了重要依据。
7RNA具有运动功能
切赫的发现打破了禁锢人们思想的教条,20世纪90年代后期,RN
A的研究不断出现新发现。
中国旅美学者郭培宣发现:一种细菌病毒(噬菌体)的装配过程
, 百拇医药
中,首先由外壳蛋白组装成噬菌体的外壳,然后由一种称为门RNA(p
RNA)的六体,在噬菌体基部的口(或门)上,装配成分子马达,依
赖此分子马达的转动,将噬菌体DNA装入病毒外壳。完成DNA的包装后,门RNA即离开病毒。
8 RNA的调控功能
人的性染色体有两种,即X和Y,男性第23对染色体是XY,女性的
第23对染色体是XX。如果女性两条X染色体都能正常表达的话,女性X
编码基因的表达量将是男性的两倍,但事实是,男女性X染色体编码
蛋白的表达量是一致的。其原因是哺乳类Xist基因编码不表达蛋白质
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的RNA,它可通过一个非常复杂的过程,与两条X染色体中的一条结合,使其失活。
端粒RNA参与DNA端粒的合成,与细胞寿命有关。细胞分裂时,DN
A每复制一次,端粒部分的DNA会短一点,直到端粒全部消失。此时,细胞再也不能分裂,细胞走向死亡。成人的正常细胞已没有端粒酶和
端粒RNA。而癌细胞却含有端粒酶和RNA。所以,端粒RNA控制了细胞
的寿命和癌症的发生。
9携带调制遗传信息
在一些病毒中,是RNA携带遗传信息,而不是DNA携带遗传信息。
属于RNA病毒的有烟草斑纹病毒等侵染植物的病毒,有鸡法氏囊病病
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毒等侵染动物的病毒。与艾滋病有关的HIV病毒也是RNA病毒。乙肝病
毒虽是DNA病毒,但在其生命周期中,需要经过一全长RNA的过程。由
此可见,我们没有理由忽视RNA在携带遗传信息方面的功能。
酵母、植物、动物等为真核生物,它们的基因有很多是断裂基因,即基因的初始转录物(mRNA前体)中,一段段的蛋白质编码区被居间
序列分开。只有居间序列被去除后,成熟了的mRNA才能成为蛋白质生
物合成的模板。居间序列的去除需要小分子RNA的参与,这过程称为R
NA剪接。美国的P·sharp因他在发现断裂基因和在居间序列去除机制
, 百拇医药
方面的贡献与美国的P·Robert一起获得了诺贝尔生理与医学奖。通
过不同方式的RNA剪接,一种基因可在不同的生理、病理条件或不同
的细胞、组织中合成不同的蛋白,如果蝇的性别就是通过不同的剪接
途径完成的。
很多实例表明,来自原始基因的遗传信息只占成熟mRNA的45%,成熟mRNA的55%的遗传信息来自其他RNA。不同的编辑方式,可以在R
NA水平上调控基因的开放和关闭,增加或减少遗传信息,使一种基因
合成出多种蛋白。
在蛋白质生物合成过程中,除了常规的合成规律外,还有多种被
, 百拇医药
称为“再编码”的方式。通常情况下,mRNA编码区中的每三个核苷酸
组成一个密码子。每个密码子按一定的密码表翻译成一个氨基酸或用
作翻译的停止信号,在这种情况下,编码区的每个核苷酸只能,也必
须被阅读一次。
但在再编码过程中,有的核苷酸被跳过或没有被阅读,而有的核
苷酸却被阅读了两次,有的密码子被用来翻译特殊的氨基酸。因此,是否经过再编码就可使一个基因合成出多种蛋白质,需要更深入的研
究。从上可知,遗传信息从DNA到蛋白质的过程中,RNA并非只起简单
的传递作用。RNA通过各种剪接、编辑和再编码的方式来调控基因表
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达的方向,调制遗传信息。
10 RNA与疾病的关系
mRNA通常由编码区和非编码区组成,中科院上海生化所的刘定干
等在寻找抗癌基因的过程中,发现一种mRNA的3'非编码区具抗癌活
性。
很多RNA的突变可以引起疾病,这类例子有红斑狼疮、重症肌无
力、某些2型糖尿病、帕金森氏病、老年性痴呆等等。必须指出,RNA
研究落后于DNA研究和蛋白质研究,随RNA研究的发展,由RNA缺陷而
引起疾病的种类会不断增加。
, 百拇医药
11 生命可能由RNA而起
核糖体是核酶的确证,导致了“生命可能始于RNA(核糖核酸),而非DNA(脱氧核糖核酸)”
的结论。人们有理由认为,RNA通过控制蛋白质的生物合成和对
很多重要生命现象的调控功能,使它处于生命现象的核心位置。RNA
研究在全面、真正解开生命奥秘的过程中,将发挥它不可替代的重要
作用。RNA研究将为人类认识世界、改造世界,为人类的健康长寿作
出它应有的贡献。, 百拇医药
孜求索的亘古悬疑。中国先哲称:“人之生也,气之聚也。聚则为生,散则为死。”现代科学认为,在地球之初,因种种条件使无机物转变
为有机物,进而形成生物分子体系,然后进化成最初的生命体。这就
是所谓的“生物进化论”。
前不久,美国《科学》杂志评出2000年十大科学成就:第一条是
科学家合作完成了人类基因组工作草图绘制工作,基本测定出了人类
基因组上的碱基序列;第二条是生命可能始于RNA(核糖核酸),而
非DNA(脱氧核糖核酸)。遴选之余,该杂志慨叹,公众和媒体只重“
, 百拇医药
金牌”,而对“亚军”的功绩所知甚少。人们在关注DNA时,还应更
多地注意到RNA的研究。
1 从人类基因组说起
中、美、日、德、法、英六国科学家和美国塞莱拉公司前不久联
合公布了人类基因组图谱及初步分析结果。经初步分析,人类基因组
由31.647亿个碱基对组成,共有3万~3.5万个基因,为果蝇基因数的..5倍、酵母基因数的6~7倍。这显示,也许只能在人体中发现300个
与老鼠不同的基因,而不同人种间的差异则更小。
更重要的是,科学家还发现,与蛋白质合成有关的基因只占整个
, 百拇医药
基因组的2%,而以往的估计是,人体约有10万个基因。如果一个基
因编码一个蛋白质的话,人们很难相信,这么少的蛋白质如何维持人
体那么复杂而多变的生命现象。科学家估计,人体中的蛋白质数远大
于现在发现的基因数。如果一个基因可以表达出多种蛋白,生物又是
如何做到这一点的?而且,余下的98%的基因组有何功能?这些都是
谜。特别是越高等的生物,这种不编码蛋白质的基因组所占比例越大。
2 “垃圾”可能是RNA
在基因组研究过程中,科学家发现了大量的不编码蛋白质的重复
, 百拇医药
序列,它们一度被称为“垃圾”,而越是高等的生物中这种“垃圾”
的含量越多。
现在发现,这些“垃圾”中的一种,被称为Alu家族的序列与一
种参与细胞分泌蛋白质从细胞内向细胞外传输过程的SRP-RNA有同源
区(即序列上有相同的部分)。现它们被认为是反式可移动元件,因
此,现在我们应该区分两种不同的基因,一种是大家熟悉的蛋白质基
因,另一种是不编码蛋白质的、终产物是RNA的基因。前者现有一套
方法很容易地从基因组计划测得的DNA序列中找到,而后者现在还无
, 百拇医药
好的方法从DNA序列中找出。
近年来,随着基因组计划和蛋白质组计划的开展,与RNA有关的
计划也在不断提出。美国《科学》在发表人类基因组初步结果的同时
也刊有转录组的论文。最近有专家提出了“RNP(核糖核蛋白体)世
界”的假说,还有人提出了“RNA组计划”的设想。这些研究的主要
内容,都是如何从DNA序列中找出RNA基因。
3 生命的起源
人们对自己的起源乃至生命起源问题总怀有极大的兴趣。在现代
生物体系中,DNA携带遗传信息,蛋白质是生物功能分子。这就产生
, 百拇医药
了生命起源的初始时期,是先有DNA,还是先有蛋白质的问题。由于
蛋白质的遗传信息由DNA携带,所以没有DNA就没有蛋白质。但是,虽
然DNA有遗传信息,但它不是功能分子,没有蛋白质的参与,DNA就没
法自我复制。
因此,生命起源之初,先有DNA还是先有蛋白质,就如同先有鸡
还是先有蛋的问题一样使人困惑难解。
4 三类生物高分子化合物
DNA、RNA和蛋白质三类同被称为生物高分子化合物。经典的定义
是:基因是DNA的连续序列,DNA是信使核糖核酸(mRNA)的直接模板,mRNA是蛋白质生物合成的模板。生物体内含量最高的RNA是mRNA、转
, 百拇医药
移核糖核酸(tRNA)和核糖体核糖核酸(rRNA),它们均参与蛋白质
的生物合成。近年来知道还存在很多种不同的RNA,它们均具各种不
同的生物功能。DNA化学性质不活泼,它常以反向互补的双链形式存
在,在生物体内起储存与复制遗传信息的功能。蛋白质由至少20种含
不同侧链的氨基酸组成,使得不同的蛋白质由于组成不同而可有极其
不同和多样的高级结构。这使得蛋白质成为生物体内最重要的效能分
子,它在生物体内无所不在、功能繁多。
5 “RNA世界”的提出
, http://www.100md.com
体外的化学反应通常需要在高温高压下进行,体内的化学反应却
能在常温常压下进行,而且效率非常高。这是由于体内有生物催化剂
———酶的参与。长期以来,人们只知道酶是由蛋白质组成的。20世
纪80年代初,美国科学家切赫发现RNA也可成为生物催化剂。最近,另一位美国科学家爱尔特曼也证明了这一点。切赫提出,原始的RNA
分子就可以完成生命最主要的特征———繁殖过程。由于RNA催化剂
的发现,切赫和爱尔特曼获得了1989年度的诺贝尔化学奖。
同年,诺贝尔化学奖获得者吉尔伯特提出了“RNA世界”的假说。
它指的是“在生命起源的某个时期,生命体仅由一种高分子化合物RN
, http://www.100md.com
A组成。遗传信息的传递建立于RNA的复制,其复制机理与当今DNA复
制机理相似。此时,作为生物催化剂的由基因编码的蛋白质还不存在。”RNA是惟一的既能携带遗传信息又可以是功能分子的生物高分子化
合物。因此,生命发生之初,很可能是在原始海洋深处的火山口边,在高温、高压的条件下,在可作为催化剂的矿物质周边富集了可能是
由雷电中合成的原始核苷酸。亿万年的进化的过程中,形成了具有自
我复制能力的RNA。在人工条件下,这种进化的某些过程,已被成功
地模拟。原始的具有自我复制能力的RNA,在以后的亿万年进化过程
中,逐渐将其携带遗传信息的功能传给了DNA,将其功能分子的功能,传给了蛋白质。
, 百拇医药
6 核糖体是核酶
核糖体是由3~4种核糖体RNA(rRNA)与几十种蛋白质组成的核
糖核蛋白体,是蛋白质生物合成的场所。由于蛋白质生物功能的重要
性,人们一直在努力寻找催化蛋白质生物合成的关键酶———转肽酶,但几十年的努力没有得到任何结果。因此,人们开始怀疑,催化肽键
形成的不是蛋白,而是核酸。人们努力证明天然的rRNA有转肽酶活性,他们除去了核糖体中95%的蛋白,证明仅含5%蛋白的rRNA仍有转肽
酶活性。但反对的人提出,也许是那5%的蛋白催化了肽键的形成。
人们用人工方法筛选出具有转肽酶活性的RNA,但反对的人仍然提出,那只是人工的,不能代表天然情况。时间到了1999年至2000年间,终
, 百拇医药
于有研究显示,核糖体由大、小两个亚基组成,通过X衍射分析,获
得了高分辨率的图谱。图谱分析表明,在肽键形成处2毫微米的范围
中,完全没有蛋白质的电子云存在。这说明肽键的形成不可能由蛋白
质催化,而只可能是rRNA催化。因此核糖体是核酶(由核酸组成的生
物催化剂),这一结果为“RNA世界”假说提供了重要依据。
7RNA具有运动功能
切赫的发现打破了禁锢人们思想的教条,20世纪90年代后期,RN
A的研究不断出现新发现。
中国旅美学者郭培宣发现:一种细菌病毒(噬菌体)的装配过程
, 百拇医药
中,首先由外壳蛋白组装成噬菌体的外壳,然后由一种称为门RNA(p
RNA)的六体,在噬菌体基部的口(或门)上,装配成分子马达,依
赖此分子马达的转动,将噬菌体DNA装入病毒外壳。完成DNA的包装后,门RNA即离开病毒。
8 RNA的调控功能
人的性染色体有两种,即X和Y,男性第23对染色体是XY,女性的
第23对染色体是XX。如果女性两条X染色体都能正常表达的话,女性X
编码基因的表达量将是男性的两倍,但事实是,男女性X染色体编码
蛋白的表达量是一致的。其原因是哺乳类Xist基因编码不表达蛋白质
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的RNA,它可通过一个非常复杂的过程,与两条X染色体中的一条结合,使其失活。
端粒RNA参与DNA端粒的合成,与细胞寿命有关。细胞分裂时,DN
A每复制一次,端粒部分的DNA会短一点,直到端粒全部消失。此时,细胞再也不能分裂,细胞走向死亡。成人的正常细胞已没有端粒酶和
端粒RNA。而癌细胞却含有端粒酶和RNA。所以,端粒RNA控制了细胞
的寿命和癌症的发生。
9携带调制遗传信息
在一些病毒中,是RNA携带遗传信息,而不是DNA携带遗传信息。
属于RNA病毒的有烟草斑纹病毒等侵染植物的病毒,有鸡法氏囊病病
, http://www.100md.com
毒等侵染动物的病毒。与艾滋病有关的HIV病毒也是RNA病毒。乙肝病
毒虽是DNA病毒,但在其生命周期中,需要经过一全长RNA的过程。由
此可见,我们没有理由忽视RNA在携带遗传信息方面的功能。
酵母、植物、动物等为真核生物,它们的基因有很多是断裂基因,即基因的初始转录物(mRNA前体)中,一段段的蛋白质编码区被居间
序列分开。只有居间序列被去除后,成熟了的mRNA才能成为蛋白质生
物合成的模板。居间序列的去除需要小分子RNA的参与,这过程称为R
NA剪接。美国的P·sharp因他在发现断裂基因和在居间序列去除机制
, 百拇医药
方面的贡献与美国的P·Robert一起获得了诺贝尔生理与医学奖。通
过不同方式的RNA剪接,一种基因可在不同的生理、病理条件或不同
的细胞、组织中合成不同的蛋白,如果蝇的性别就是通过不同的剪接
途径完成的。
很多实例表明,来自原始基因的遗传信息只占成熟mRNA的45%,成熟mRNA的55%的遗传信息来自其他RNA。不同的编辑方式,可以在R
NA水平上调控基因的开放和关闭,增加或减少遗传信息,使一种基因
合成出多种蛋白。
在蛋白质生物合成过程中,除了常规的合成规律外,还有多种被
, 百拇医药
称为“再编码”的方式。通常情况下,mRNA编码区中的每三个核苷酸
组成一个密码子。每个密码子按一定的密码表翻译成一个氨基酸或用
作翻译的停止信号,在这种情况下,编码区的每个核苷酸只能,也必
须被阅读一次。
但在再编码过程中,有的核苷酸被跳过或没有被阅读,而有的核
苷酸却被阅读了两次,有的密码子被用来翻译特殊的氨基酸。因此,是否经过再编码就可使一个基因合成出多种蛋白质,需要更深入的研
究。从上可知,遗传信息从DNA到蛋白质的过程中,RNA并非只起简单
的传递作用。RNA通过各种剪接、编辑和再编码的方式来调控基因表
, http://www.100md.com
达的方向,调制遗传信息。
10 RNA与疾病的关系
mRNA通常由编码区和非编码区组成,中科院上海生化所的刘定干
等在寻找抗癌基因的过程中,发现一种mRNA的3'非编码区具抗癌活
性。
很多RNA的突变可以引起疾病,这类例子有红斑狼疮、重症肌无
力、某些2型糖尿病、帕金森氏病、老年性痴呆等等。必须指出,RNA
研究落后于DNA研究和蛋白质研究,随RNA研究的发展,由RNA缺陷而
引起疾病的种类会不断增加。
, 百拇医药
11 生命可能由RNA而起
核糖体是核酶的确证,导致了“生命可能始于RNA(核糖核酸),而非DNA(脱氧核糖核酸)”
的结论。人们有理由认为,RNA通过控制蛋白质的生物合成和对
很多重要生命现象的调控功能,使它处于生命现象的核心位置。RNA
研究在全面、真正解开生命奥秘的过程中,将发挥它不可替代的重要
作用。RNA研究将为人类认识世界、改造世界,为人类的健康长寿作
出它应有的贡献。, 百拇医药