・评 述・一个科技里程碑:分子生物学的中心法则
王志珍(中国科学院生物物理研究所,北京100101)
编者按 王志珍院士的这篇评述,从历史的角度简述了“分子生物学的中心法则”的发展过程。正如作者指出的“中心法则所包含的划时代的生物学意义在于它揭示了生命最本质的规律,今天和昨天的生命科学都是建立在分子生物学的中心法则上”。文中也提到了蛋白质空间结构的“第二遗传密码”在本世纪的研究前景。本文想必会受到读者的欢迎。本刊希望今后能收到更多的这类评述。
一、分子生物学中心法则的提出
分子生物学的中心法则最早是由英国剑桥大学的物理学家佛郎西斯.克里克(Francis H. C.Crick)在1958年提出的,在英国的实验生物学会第12届讨论会“大分子的生物复制”会议录(Sym p.S oc. Exp.Biol.XII,138,1958)发表。中心法则是在前人工作的基础上,特别是在克里克本人和杰姆斯.沃森(James Wats on)一起揭示了DNA分子的双螺旋结构的基础上,总结出来的生命遗传信息的流动方向或传递规律。但是由于当时对转录、翻译、遗传密码、肽链折叠等都还了解不多,在那个时候与其说中心法则是一种准确的科学原理,不如说是一种强烈的科学信念。这个科学信念在以后分子生物学的发展过程中越来越成为多数人的坚定信念,因为它的正确性得到越来越多的实验证明,为越来越丰富的内容所充实、延伸、发展而变得越来越完善。
二、早期对中心法则的认识
克里克在1958年描绘的中心法则,如图1所示,箭头表示在三大类生物大分子脱氧核糖核酸DNA、核糖核酸RNA和蛋白质之间信息传递或流动所有可能的方向。这里的信息是指这些大分子的组成单元的序列所赋予的信息,即组成DNA的脱氧核糖核苷酸的序列,组成RNA的核糖核苷酸的序列,以及组成蛋白质的氨基酸的序列所赋予的信息。他做了进一步的分析,如图2所示,这些可能的信息传递大体上可以分成三大类:实线箭头表示很有可能的(probable)信息流动,而虚线箭头表示有可能发生的(possible)信息流动,从蛋白质流向蛋白质或DNA 或RNA的三条途径被认为是不可能的(im possible),因而应该取消
。 图1 1958年克里克最初提出的
分子生物学中心法则
图2 克里克对中心法则进行的分析
三、对中心法则的进一步理解
一个前所未有的通用于整个生命世界的中心法则在1958年是不可能阐述得十分准确和完善的,因此不时地被人误解,尤其是在逆转录发现以后。所以,克里克于1970年在《自然》杂志(第227卷,561～563页)发表“分子生物学的中心法则”一文,进一步强调中心法则的真正含义,并试图更加准确地描
述这个“预想”
(克里克用的是preconception 这个词!)的基本概念。这时由于对转录、翻译、遗传密码等已有所了解,逆转录也被发现,因此他才有可能把三类信息流动更加准确地表达成如图3所示的形式:实线箭头表示信息流动的通常情况,这种信息流动,除了极少数例外而存在于所有的细胞中;虚线箭头表示信息流动的特殊情况,在大多数细胞中并不存在,仅在特殊的情况下发生;而从蛋白质流向蛋白质或DNA 或RNA 的这三条没有再画的途径则为尚未检测到的而且也被认为是不可能的信息流动方向。即使在1958年就已经知道蛋白质有确定的空间结构,而且蛋白质的生物活性依赖于它的空间结构;但那时认为多肽链一般都是自发折叠的,因此中心法则当时确实是把一个三维的问题简化成为一个一维的问题。同时,关于细胞内进行传递信息的“机器”以及信息传递过程的控制,即今天所说的“基因调控”也都没有涉及。克里克说他的中心法则只用于今天的生命世界,他不想去讨论生命的起源、密码的起源等问题。克里克特别要强调的是,中心法则认为这种“顺序性的信息传递一旦传到蛋白质就不能再传出去”
。
图3 克里克1970年对中心法则的进一步描述
四、中心法则的发展和意义
图4代表今天对中心法则的理解
。
图4 对中心法则的理解示意图
1.DNA 复制:遗传是生命的主要特征,DNA 分
子是生命遗传信息的携带者,它是由四种脱氧核糖
核苷酸,即腺嘌呤脱氧核糖核苷酸(A ),鸟便嘌呤脱氧核糖核苷酸(G ),胸腺嘧啶脱氧核糖核苷酸(T )和胞嘧啶脱氧核糖核苷酸(C ),通过磷酸二酯键连接并按一定顺序排列的长链分子。沃森和克里克在1953年4月25日发表的DNA 分子的双螺旋结构模
型开辟了整个分子生物学的新纪元!DNA 分子结构的核心和本质是,它是由二条核苷酸链相互缠绕成双螺旋,这二条核苷酸链是互补的,即一条链的腺嘌呤核苷酸对应另一条链的胸腺嘧啶核苷酸,而鸟便嘌呤核苷酸对应于胞嘧啶核苷酸,这二组对应的核苷酸是通过它们的碱基之间的氢键相互作用而维系的。DNA 分子双螺旋中的全部核苷酸都是如此。正是由于这样的对应关系,DNA 分子可以准确地复制自己。亲代DNA 分子的两条互补链首先分离,皆可作为模板按照A 2T 和C 2G 的配对的对应关系,合成它自己的互补子代链。新合成的子代链与亲代链的核苷酸排列顺序完全相同,这就是DNA 的复制,生命的遗传信息就这样一代一代准确地往下传。在细胞核内进行的DNA 复制的每一步都是在一系列特定的酶的催化下完成的。
2.DNA 转录成RNA :RNA 是由四种核糖核苷酸
组成的,即腺嘌呤核糖核苷酸(A )、鸟便嘌呤核糖核苷酸(G )、尿嘧啶核糖核苷酸(U )和胞嘧啶核糖核苷
酸(C ),同样由磷酸二酯键连接并按一定顺序排列的长链分子。但和DNA 不同,RNA 一般是单链。按照类似的A 2U 和C 2G 配对规律,以DNA 单链为模
板合成新的RNA分子,这就是把DNA分子中的信息转录到RNA分子上。同样,转录过程也是在一系列特定的酶的催化下完成的。
3.RNA翻译成蛋白质:RNA和蛋白质是二类在组成上完全不同的生物大分子,因此在它们之间的信息传递好像是在二种文字之间需要翻译,其翻译的规律是以三个核苷酸的序列决定一个氨基酸,称为遗传密码。胞质中的核糖体是细胞合成蛋白质的工厂,经DNA转录生成的RNA在核糖体上被翻译合成蛋白质的多肽链。
4.RNA复制:在一些RNA病毒中,遗传信息储存在RNA中,RNA依靠自身做模板而复制自己,再通过翻译把信息传到蛋白质。
这样,DNA分子中的遗传信息便通过转录传到RNA分子,再通过翻译传到蛋白质。这是中心法则的主线,即克里克所说的通常的信息流动。
5.RNA逆转录成DNA:一些特殊的RNA病毒在感染寄主细胞时,发生了与上述信息传递方向相反的情况。在自身的逆转录酶的催化下以RNA为模板按照上述碱基配对原则而合成DNA分子。这个病毒来源的DNA便“混”入寄主细胞的基因,利用寄主细胞的“机器”大量复制自己达到传种接代的目的。它的遗传信息靠逆转录,即克里克称为特殊信息传递途径流到寄主的DNA,在寄主细胞内繁衍。
6.蛋白质到蛋白质的信息传递是否存在?上面这五条信息传递途径现在是非常确定的了,剩下四条似乎还没有发现有确实的实验证据。直到1997年,斯旦利・普鲁西纳(Stanley Prusiner)因在疯牛病的研究中提出了一种全新的假说而获诺贝尔奖。他认为在疯牛病的传染中完全是Prion蛋白的作用而没有其他基于RNA或DNA的作用,提出“蛋白质唯一论”。显然这与通过RNA或DNA的作用实现传染的传统概念截然不同。“蛋白质唯一论”的实质就是疯牛病的传染通过信息从致病Prion蛋白流向正常蛋白的过程。尽管普鲁西纳是诺贝尔奖获得者,但他的实验和结论却一直不断地受到质疑。1999年9月在哥丁根召开的当时最大规模的有关Prion 病研究的国际会议上,对“Prion是独身杀手还是病毒的帮凶?”的问题争论得异乎寻常地激烈。看来,中心法则的第六条信息传递途径的确立还不是一朝一夕可以解决的。
克里克四十多年以前提出的中心法则的基本思
想今天证明无疑是正确的,生命的信息传递是有方向性的。中心法则的内容则由于分子生物学在这四十年中的迅猛发展而大大地丰富起来,信息传递主线上的细节基本上已经清楚。现在知道信息传递在时间空间上、发育阶段上、不同环境条件下都是有调节控制的,失去控制便引起疾病甚至死亡。调控都是通过DNA和RNA与蛋白质的相互作用进行的。当时无法考虑的调控问题现在已经有了相当深入的研究。中心法则的三维问题正是中心法则的一个尚需填补的空缺。实际上,“翻译”只是解决了蛋白质的氨基酸序列,而蛋白质的活力必须依赖于它的空间结构。An finsen发现了“蛋白质的氨基酸序列决定蛋白质的空间结构”这个规律,但是并没有解决氨基酸序列怎样决定蛋白质的空间结构的问题。由于三个核苷酸的序列决定一种氨基酸的规律被称为“三联密码”,那么,氨基酸序列决定蛋白质的空间结构是否也有规律甚至也有密码呢?有人把这个可能存在的密码称为“第二遗传密码”或“折叠密码”。蛋白质折叠的三维问题现在也已经被提上了日程并将成为本世纪中心法则研究的主要内容之一。中心法则不但对过去几十年的分子生物学的发展起了指导性的作用,对今后分子生物学的发展还将继续起指导性的作用。中心法则所包含的划时代的生物学意义在于它揭示了生命最本质的规律,今天和明天的生命科学都是建立在分子生物学的中心法则上,它无疑是20世纪人类科技史上的一个伟大的里程碑。
附录 与分子生物学中心法则的创建和完善直接有关的获得诺贝尔奖的研究:
1.1953年4月25日Francis H. C.Crick,James.D.Wat2 s on and Mauri H. F.Wilkins发表DNA分子的双螺旋结构,获1962年生理学或医学奖。
2.1956年A.K ornberg,S.Ochoa分别发现DNA聚合酶和RNA聚合酶,获1959年生理学或医学奖。
3.1959年Christian B.An finsen发现蛋白质氨基酸序列决定其空间结构的规律,获1972年化学奖。
4.1961年Froncois Jacob,Andre L W off,Jaques M onod发现转录与翻译,获1965年生理学或医学奖。
5.1961～1965年R obert W.H olley,H.G.K horana,Mar2 shall W.Nirenberg破译遗传密码,获1968年生理学或医学奖。
6.1970年H oward T emin,David Baltim ore,Renato Dulbecco 发现逆转录酶,获1975年生理学或医学奖。
7.1982～1993年S tanley B.Prusiner因发现Prion蛋白,一种有关感染的新的生物学机制,获1997年生理学或医学奖。
