1 “现代生命科学研究进展”课程论文 题目: 中心法则及其所面临的挑战 2 中心法则及其所面临的挑战 【摘要】本文论述了中心法则的定义、形成的科学思想基础和发展的整个过程。阐述和论证经典中心法则产生的过程，并结合朊病毒讨论了中心法则面临的挑战 ，展望其发展趋势。 【关键词】经典中心法则；科学基础，产生；DNA模板；遗传信息；朊病毒；挑战； 一、中心法则的概念 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，即完成遗传信息的转录和翻译的过程。也可以从DNA传递给DNA，即完成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。 二、中心法则形成的科学基础 中心法则实质上蕴含着核酸和蛋白质这两类生物大分子间的相互联系和相互作用[1]。而其产生和发展则与人类对核酸结构和功能的认识密切相关。 其实，核酸的发现并不算很晚。早在1968年，细胞核在遗传中的地位还没有确立之前，瑞士科学家米歇尔( F·Miescher ) 已从浓细胞中分离出了核酸[2]。不仅霍佩 一 赛勒(F·Hoppe一seyler)也从酵母和其它细胞中发现了类似的物质，并指出，这种物质“可能在细胞发育中发挥着极为重要的作用”[3]。这种新物质当时被命名为核素 ( nuclein)。后经科塞尔(A·Kossel )、琼斯( W·Johnes)和列文(P·A·L evene)的研究，弄清了核酸的化学成份和最简单的基本结构。1929年又区分出脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸（RNA)。 然而，认识到核酸在遗传中的作用却经历了一个十分复杂而曲折的历程。绝 大多数生化学家和遗传学家都认为，生物的特异性在于蛋白质，不愿接受核酸是 遗传的物质基础的观点。这里面有复杂的原因，主要是： 1、蛋白质化学发展较快，核酸的生化分析则发展较慢。 2、“四核苷酸”理论长期阻碍人们正确理解核酸的作用。 3、那时虽然知道染色体主要由核酸和蛋白质组成，但人们想象中的染色体 3

结构以蛋白质为主干，核酸只是包在外面使蛋白质链稳定的物质。就连克里克 ( F·C r ick )本人在1 950年前还没有认识到核酸的重要性，还准备从蛋白质的结构中寻找对基因功能的解释[4]。 在科学中，一个错误的认识一旦被广泛接受，就如同一座堡垒，牢牢地禁着人们的思想。但是，再坚实的堡垒也不是无懈可击。科学总是要冲破堡垒，奔向前方。 三、经典中心法则的产生 1928 年, Griff thF在肺炎双球菌中首次观察到转化现象;1944年Avery 0T 证明了肺炎双球菌中起转化作用的活性物质是DNA, 并认为DNA是遗传特异性的分子基础，有人称他的发现标志着 DNA“ 黑暗时代的终结”，然而，当时并未得到充分的重视[5]。1952年, Hershey A D和Chase M在研究T4噬菌体的侵染实验时，又获得DNA是遗传信息来源的证据。这时，四核苷酸理论才被彻底否定，微生物与高等生物间的遗传统一性得到了承认，并由此把人们的注意力从蛋白质转向核酸分子的结构和功能[6]。 1953年, Waston J和Crick F综合X射线衍射技术和其它方面的研究成果, 提出了DNA分子的双螺旋结构模型理论, 对DNA的分子结构、自我复制、相对稳定性、变异性以及DNA 如何贮存和传递信息等问题进行了合理解释, 并明确了基因是DNA分子中的一个片段。DNA自我复制的机制很快得到Kornberg A及M eshlson M等人的证实。当时的生物学印刷品首次使用了“信息”这一概念，但尚未下具体的定义。 1956年, MaziaD认为RNA的作用是把DNA的信息传递到细胞质用于蛋白质合成；而Spieg -elwan S 则认为, 只有DNA和RNA具有足够的信息复杂性作为蛋白质合成的模板。Lederberg J 则特别指出，这里的“信息” 即是所谓的“特异性” 。DNA 的双螺旋结构模型的建立, 信息概念的初步解释以及Beadle G 等在40年代提出的“一个基因一个酶” 的理论在结构和功能上解释了遗传物质的基本特性，把“ 基因是什么”和“基因如何表达”结合起来，中心法则的产生，也就势在必然了。 1957年，Crick在实验生物学年会上递交了关于“蛋白质合成” 的论文( 发表于1958年) 。在这篇论文中, 他提了著名的中心法则理论；“信息一旦传到蛋 4

白质就不能再行输出， 更具体地说, 信息从核酸到蛋白质的传递是可能的, 但是从蛋白质到蛋白质或从蛋白质到核酸的传递是不可能的。这里的信息指的是序列的精确决定, 即核酸的碱基或蛋白质的氨基酸残基”他首次列举了20个氨基酸的标准组, 并指出核酸片段的特异性是通过其碱基序列表达，这种序列是编码特定蛋白质氨基酸序列的密码[7]。这就是中心法则和作为中心法则核心的序列假说。Crick 曾这样为中心法则作序：“我本人的思想( 还有我的许多同事) 是基于两个基本原理，我称为序列假说和中心法则。对于它们两者的直接证据是无足轻重的，但我发现它们十分有助于去理解这些复杂问题。”所谓序列假说是假设“核酸片段的特异性完全由其碱基序列所表达，而且这种序列是某一蛋白质的氨基酸序列的密码。”因此，序列假说可归纳为DNA、RNA、蛋白质信息传递的共线性。可见，序列假说是中心法则的核心，中心法则是序列转换的法则。 其实，早在50年代初，许多生物学家就持有以基因为核心的蛋白质合成的观念。不过，当时关于蛋白质合成的信息流程的认识尚处于萌芽阶段，然而，对中心法则的形成却起着重要的促进作用。Crick 的中心法则理论提出后很快被绝大多数科学家所接受，同时也以更具体的形式被重新阐述或改造。例如, 1965 年Watson 把中心法则的理论进一步构思为( 如图1所示) ：

Watson 这样解释他的模型：“ 首先我们应该注意到这样一样事实，DNA自身并非是编码氨基酸序列的直接模板。相反，DNA 的遗传信息转移到作为蛋白质模板的另一类分子, 这种中间模板分子即核糖核酸……环绕 DNA 的箭头表示自我复制，DNA 与 RNA 之间的箭头表示所有RNA分子都来自 DNA 模板，相似地，所有蛋白质序列都由 RNA 模板决定。更为重要的是，后两个箭头都是单方向的，即蛋白质从不作为RNA 的模板, RNA 也从不作为 DNA 合成的模板。”可见，Watson强调的是单程性的蛋白质合成机制，而Crick强调的是信息流，两人对中心法则的定义有所不同。 5

经典中心法则产生的历史预示着其自身不断发展的过程。20世纪四五十年代，人们逐步证明了DNA是遗传物质，于是也伴随着 DNA 是合成蛋白质中心的思想的产生。然而，几乎与此同时，有些科学家开始怀疑 DNA 作为遗传物质的垄断性。1958 年, Temin H 开始对劳斯肉瘤病毒( RSV ) 进行研究，认为 RSV 可能通过一种 DNA 中间物进行复制, 由此提出“原病毒假说”。1970 年, 有两个科研小组同时报道了RSV中分离出依赖 RN的DNA聚合酶。这些结果证明从RNA 到 DNA 的遗传信息传递的可能性。于是，C rick立即在 Nature 上撰文重新解释中心法则：逆转录的发现与他当初的设想一致。

Crick 是这样具体解释的( 如图2所示) ：图中显的箭头位置与我 1958 年构思的一样( 当时他未发表图式)，实线箭头表示很可能的信息传递，虚线箭头表示可能性的信息传递, 未标明箭头的则表示不可能的信息传递。同时Cr i ck还表明：“只要能够发现有一种细胞能够执行未知的信息传递过程，则将动摇整个分子生物学的理论基础，正因为如此，修改后的中心法则同当初提出时一样重要。” 其实，他当初并未明确说明核酸既包括 DNA 又包括 RNA, 然而这正好为他重新解释中心法则找到了“借口”。可见，当初 Crick 提出中心法则是十分谨慎的。 1976 年，Watson在他出版的5基因分子生物学6一书中对中心法则又做了更具体的描述( 如图 3 所示) ：

“式中箭头表示遗传信息的传递方向，围绕着DNA 的箭头表示DNA是自 6

身复制的模板，DNA 和RNA之间的箭头表示所有细胞的 RNA 分子都是以DNA 为模板制造出来的，与此相仿，所有细胞的蛋白质从来不做为RNA 模板，RNA 也从来不作为 DNA 的模板。”可见，Watson 根本不承认 RNA 到DNA逆向传递，更强调信息传递的单程性，与他1965年提出的观点如同一辙。 至此，经典中心法则的理论基本形成, 可概括为：蛋白质是遗传信息传递的终点；遗传信息的传递从核酸到核酸或从核酸到蛋白质是可能的，但从蛋白质到蛋白质或从蛋白质到核酸是不可能的；DNA、RNA、蛋白质三者之间存在严格的共线性[8]。 中心法则揭示出只要亲代将带有遗传信息的DNA(有时是RNA)传给下一代，后者就有可能按照上述一连串极有秩序的步骤进行生物化学反应合成出与亲代相同的蛋白质。这些蛋白质有的被用来“建筑”有机体有的被作为多种多样的酶，调节和控制有机体内各种生化反应，使新陈代谢得以顺利进行。既然传给子代的DNA(或DNA片段)相同，子代合成的蛋白质也相同，那么由这些蛋白质决定的有机体结构和功能也必须与亲代相同，这便是生物性状遗传过程的奥妙所在。所以，“中心法则”理所当然地被分子遗传学家奉为至高无上的“圣经”。 然而，这座貌似坚固无比的大厦并非完美无缺。1983年，S.B.Prusiner发现了一类生物——Prion，中文意译为“朊病毒”，“心中法则”的权威受到强有力的挑战。 四、结合朊病毒探讨中心法则面临的挑战 朊病毒是一类比常规病毒更小的致病因子，如擦痒病朊病毒，大小约为30nm～50nm，分子量约50000或更小。由这类病毒引起的人类疾病，已知的有克一雅氏病、库鲁病、格一斯一切三氏病和老年痴呆病等。多见于欧州牛群(亦偶见于人类)的疯牛病也与它有关[9]。 在朊病毒研究的早些时侯，一个重要的方面就是寻找核酸，但是，所有的努力都失败了。然而，这些研究并非无益，人们发现朊病毒除具有常规病毒的一般性质，如可滤过性、传染性、致病性、对宿主的特异性等以外，它更有一些奇特的性质。例如，它对能使核酸失活的物理因素，如紫外线照射、电离辐射、超声波及80～100℃高温等均有较高抗性。能破坏核酸的诸多核酸酶，如微球菌核酸酶，核酸酶P，DNaseA、T、Ⅲ、H磷酸二酯酶等，以及补骨脂类均不能灭活朊