分子生物學中心法則 遺傳信息DNA傳給RNA RNA傳給蛋白質 實現信息轉錄翻譯 蛋白質參與 DNA間複製 噬菌體

分子生物學中心法則 遺傳信息DNA傳給RNA RNA傳給蛋白質 實現信息轉錄翻譯 蛋白質參與 DNA間複製 噬菌體

一、中心法則的產生

1957年, 克里克提出, 在DNA 與蛋白質之間, RNA 可能是中間體。1958 年, 他又提出，在作為模板的RNA 把氨基酸攜帶到蛋白質肽鏈的合成之間可能存在著一個中間受體。根據這些推論, 他提出了著名的連接物假說, 討論了核酸中鹼基順序同蛋白質中氨基酸順序之間的線性對應關係, 並詳細地闡述了中心法則

克里克所設想的受體很快被證明為tRNA。1961 年, 雅可布( JACOB F) 和莫諾( MONOD J) 證明在DNA 同蛋白質之間的中間體是mRNA。隨著遺傳密碼的破譯, 到60 年代基本上揭示了蛋白質的合成過程。這樣, 就得到了中心法則的最初的基本形式

DNA-mRNA

圖1 中心法則的最初的基本形式

二、逆轉錄的發現與中心法則的修正

克里克最初設想的中心法則, 並沒有排除遺傳信息由RNA 向DNA 的逆向傳遞。但當時絕大多數生物學家都認為, 自然界的生物體並不需要這種逆向傳遞。然而, 通過1960 到1970 這十年的研究, 坦明(TEMIN H) 和巴梯摩爾(BALTIMORE D) 等發現並證實了反轉錄酶的存在。

1958 年, 坦明開始對RNA 腫瘤病毒( RSV ) 的研究。RSV 屬RNA 病毒。坦明發現, RSV的行為不同於DNA 病毒, 也不同於一般的RNA 病毒。大多數病毒與細胞分裂是對抗性的。

當把病毒加到單層細胞培養物上時, 病毒與細胞的相互作用, 常導致感染細胞的死亡。而感染了RSV 的雛雞細胞, 非但存活下來, 而且轉化成能繼續分裂並且產生新病毒顆粒的癌細胞。感染RSV 大鼠細胞轉化成了能分裂的癌細胞, 但不產生新的病毒顆粒。當把轉化了的大鼠細胞與正常的雛雞細胞融合時, 可以誘發RSV 顆粒的形成。坦明利用放線菌素D 所做的實驗解釋了這種現象。

放線菌素D 能抑制以DNA 為模板的RNA 合成, 但不影響以RNA 為模板的RNA 合成。坦明把放線菌素D 加到形成RSV 的細胞培養物中, 發現全部的RNA 合成都受到了抑制。他認為, RSV 可能是通過一種DNA 中間物進行複製的, 即當RSV 感染細胞以後, 可以其RNA 為模板合成相應的DNA 分子, 該DNA 分子整合到細胞的DNA 分子中, 隨細胞DNA 的複製而複製, 並不呈現感染性。當受到某種激活時, 又能以有感染性的病毒顆粒的形式重新出現。這就是「原病毒假說」。它的提出, 使人們認識到逆轉錄現象的存在。

1970 年,坦明和水谷哲( SATOSHI Mizutani) 在實驗中發現, RSV 的病毒粒子含有一種能把單股毒RN A 轉錄到DNA 上去的酶。

與此同時, 巴梯摩爾獨立地用小白鼠敗血病病毒為材料, 也發現了同樣的現象。他們的文章一同發表在1970 年6 月27 日的《自然》雜誌上, 使逆轉錄現象得到了公認。這樣，中心法則就修正成所表示的形式

DNA-mRNA

DNA 是否能直接控制蛋白質的合成呢? 有人在離體實驗中觀察到, 與核糖體相互作用的某些抗生素如鏈黴素和新黴素, 能打亂核糖體對信使的選擇, 而接受單鏈DNA 分子代替mRNA。然後由單鍵DNA 指導, 把它的核苷酸順序譯成多肽的氨基酸順序。此外, 還有人發現, 細胞核里的DAN 還可以直接轉移到細胞質的核糖體上, 不需要通過RNA 即可控制蛋白質的合成。這樣，中心法則就可以豐富為如圖3 形式。

二、中心法則的發展預測

中心法則的以上形式強調了核酸對蛋白質的決定作用, 但蛋白質對核酸必然存在著反作用。1967年, 梅克勒(Mehler) 提出, 蛋白質的空間構型( 不是線性順序) 可以被「逆轉錄」成RNA 順序。1982 年, 普魯塞納( S.Prusiner ) 在研究羊癢疫( scrapie) 的致病因子時發現一種比病毒更為簡單的亞病毒為其病原。令人奇怪的是, 這種病原含有侵染所必須的物質是蛋白質而不是核酸。這種羊癢疫的致病因子被稱為朊病毒(virino) 或蛋白侵染子( prion)。它的發現,表明自然界中存在著以蛋白質為遺傳信息的可能性, 即在蛋白質的指導下合成蛋白質。那麼, 隨著研究的進展, 能否將中心法則豐富成如下形式:

這作為一項對中心法則未來發展方向的預測,只有等待科學實踐來證實。

通過上述歷史考察和現實分析, 不難看出, 中心法則的核心思想不是簡單的單向線性決定作用, 而是蛋白質和核酸之間複雜的相互作用。對中心法則未來發展方向的預測也就是根據這個核心思想, 按照歷史與邏輯相統一的原則作出的。

三、中心法則的意義

( 1) 中心法則是現代生物學的理論基石

我們知道, 近代生物學的兩大理論基石是細胞學說和達爾文進化論。細胞學說第一次從結構上論證了植物界和動物界在生命本質上的統一性。達爾文進化論第一次從起源上論證了生物界的統一性, 第一次把生物學放在完全科學的基礎上。兩者不僅自身具有重大的科學價值, 而且都導致了近代生物學研究戰略的根本轉變。

中心法則第一次闡明了生物體內信息傳遞的規律, 對以後大量關於基因性質的研究起到了指導作用, 導致了現代生物學研究戰略的根本轉變。在這個思想指導下, 大批科學家開展了數千次有益的實驗研究, 從而進一步澄清了遺傳信息據以編碼、貯存、轉錄及轉移的方式。

中心法則及其附屬的「順序假說」使人們相信了遺傳密碼的存在。遺傳密碼的解讀是20 世紀的重大科學突破之一。

在中心法則的思想指導和啟發下, 基因的概念有了許多新的發展, 如順反子、操縱子、跳躍基因、斷裂基因、重疊基因、重複基因、假基因等, 也產生了一些重要的理論, 如基因表達的調節控制理論等。

中心法則從一個全新的角度——信息角度論證了生物界的統一性, 不僅揭示了蛋白質合成中遺傳信息在不同物種間的統一性, 而且也證明了同一物種不同世代間信息轉移的統一性。

中心法則對生命物質基礎和生命主宰物質這兩個不同的概念給予了實質性的回答。

就信息流而言, 核酸是主宰物質, DNA 可以貯存信息、複製信息和發射信息, RNA 可以轉錄信息、傳導信息流。就物質運動而言, 蛋白質是主宰物質。酶催化物質代謝和能量代謝、蛋白質構成原生質的主體, 主宰一切反應並對信息實行反饋調控。只有在一定條件下, 當以核酸為主宰的信息系統和以蛋白質為主宰的代謝系統發生耦聯時, 生命運動才能夠發生和持續進行。因此, 生命的物質基礎是以核酸蛋白質整合體系為主宰的原生質各種必要的物質組分及其實在的相互作用。

如果說, 細胞學說和達爾文進化論充分體現了近代自然科學的理論特徵,把聯繫與發展的觀點引入了生物學, 從而成為馬克思主義哲學產生的自然科學前提和證據, 那麼可以說,中心法則充分體現了現代自然科學的理論特徵,把多因子的、動態的、複雜的相互作用引入生物學,必將對豐富和發展馬克思主義哲學產生影響; 如果說, 細胞學說和達爾文進化論是近代生物學的理論基石, 那麼可以說,中心法則是現代生物學的理論基石。我國著名遺傳學家談家楨認為, 中心法則是生物學上繼達爾文提出進化論後的第二個里程碑。

不僅如此, 就生物學理論自身價值而言, 中心法則甚至比達爾文進化論還要大。因為達爾文進化論中的許多假說、結論和預測既不容易被證實, 也不容易被證偽, 甚至帶有思辨的性質,

而中心法則則是建立在精密的實驗科學基礎之上的嚴密的理論, 它的每一個細節, 以及由此所做出的預測, 既可以用物理、化學的工具, 以實驗科學的方法來證實, 也可間_或被證偽。正因為如此, 它具有極強的說服力; 正因為如此, 它具有更大的解釋功能、規範功能和預測功能; 正因為如此, 它體現的是現代自然科學的理論特徵; 也正因為如此, 我們才把它看作是現代生物學的理論基石。

( 2)中心法則為現代生物學理論的大統一奠定了基礎

我們知道, 遺傳、發育和進化是最基本的三大生命現象。對這三者的研究分別形成了遺傳學、胚胎學和進化論。長期以來, 這三門學科各自在自己的領域內都取得了長足的進展, 但在遺傳與發育、發育與進化的相互關係方面卻留下了大片空白, 始終都沒有形成統一的解釋理論, 這是生物學的最大難題之一。

現代生物學愈來愈表明, 遺傳是生命活動中兩大類基本現象——個體發育和系統進化的核心機制。遺傳學是發育生物學、進化生物學乃至整個生物科學的中心環節。如果從信息角度上看, 遺傳的實質是遺傳信息的傳遞; 發育的實質是遺傳信息的展現; 而進化的實質是遺傳信息的發展。在分子水平上, 細胞分化和性狀發育都基於表現專一的生物大分子的合成, 因而歸根到底依賴於基因在發育過程中按照一定的時空有秩序、有選擇的功能表現。反之, 基因的功能又可用相應的mRNA 的轉錄和專一蛋白質的合成來表示。因此, 非常複雜的發育過程, 便可以簡化為從基因到大分子的合成, 再通過大分子的裝配到形態結構的發生。而發育程序的來源, 則可看作是受長期的進化過程中所獲得的遺傳性狀決定的, 並在卵子的發生過程中就貯存於卵子的結構中。因此, 從科學本體論講, 已不難看出, 中心法則揭示了生物遺傳、發育和進化的內在聯繫, 為生物學理論的大統一在總體上指明了方向、奠定了基礎。

另一方面, 從科學認識論上講, 由於中心法則的產生, 使人們對遺傳、發育和進化的相互關係的研究置於同一認識框架之中。在這個框架內, 找到了同一的認識層次—— 分子層次; 同一認識視角——信息視角; 同一認識方法——實驗科學的方法, 從而使人們對這一問題的研究進入常規時期。美國著名生物史家艾倫說: 「中心法則甚至象進化論那樣影響深遠。首先, 它提供了基因突變的分子解釋, 這個例子及其它例子都暗示, 甚至進化的機制都能還原到分子水平, 並用說明遺傳傳遞、轉錄、轉移及胚胎分化的同樣概念來加以理解。人們經過長時間努力尋求的生物學的大統一似乎就在眼前了

總的來說,

隨著研究的進步，當然會對中心法則進行補充，也可能會發現個例（如提到的朊病毒），但這隻能看做是對中心法則的補充，若說中心法則被全面證偽，則是無稽之談，近代興起的基因工程，蛋白質工程，其基礎都是建立在中心法則上的。如果被全面證偽，那麼太多的科研工作者的世界觀將轟然倒塌。

一般的病毒是由核酸和蛋白外殼組成的，而朊病毒只有蛋白質，朊病毒蛋白簡稱PrP，PrP可分為正常型和疾病型兩種。兩種之間轉變是一種動力學過程，正常形式的蛋白（PrPC）錯誤摺疊成致病蛋白（PrPSc），則為朊病毒。其增值過程還不清楚，只有一種假說認為其是指數增值，不論如何，朊病毒確實背離傳統認為的生物信息流向，但只由此來推翻中心法則卻也不對，就如傳統力學與量子力學的關係差不多。

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中心法則

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中心法則（英語：genetic central dogma），又譯成分子生物學的中心教條（英語：The central dogma of molecular biology）[1] ，首先由佛朗西斯·克里克於1958年[1]提出，並於1970年[2]在《自然》上的一篇文章中重申：

「The central dogma of molecular biology deals with the detailed residue-by-residue transfer of sequential information. It states that such information cannot be transferred from protein to either protein or nucleic acid. （分子生物學的中心法則旨在詳細說明連串信息的逐字傳送。它指出遺傳信息不能由蛋白質轉移到蛋白質或核酸之中。）

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。

中心法則經常遭到誤解，尤其與遺傳信息「由DNA到RNA到蛋白質」的標準流程相混淆。有些與標準流程不同的信息流被誤以為是中心法則的例外，其實朊病毒是中心法則現時已知的唯一例外。

遺傳信息的標準流程大致可以這樣描述：「DNA製造RNA，RNA製造蛋白質，蛋白質反過來協助前兩項流程，並協助DNA自我複製」.

中文名中心法則外文名genetic central dogma又譯成分子生物學的中心教條提出人佛朗西斯·克里克提出時間1958年主要內容完成遺傳信息的轉錄和翻譯的過程

目錄

1. 1 簡介
2. 2 發現
3. ? 簡介
4. ? 發展史
5. ? 內容
6. 3 作用
7. 4 意義
8. 5 基因表達
9. ? 關係
10. ? 調控方法
11. 6 朊粒
12. 7 基因編碼
13. 8 遺傳信息的一般性傳遞
14. ? 轉錄
15. ? 編輯
16. ? 剪接
17. ? 翻譯
18. ? DNA複製
19. ? 只有RNA基因組的病毒
20. ? 擬逆轉錄（病毒DNA整合到宿主DNA）
21. 9 遺傳信息的特殊傳遞
22. ? 逆轉錄
23. ? RNA複製
24. ? RNA的催化功能
25. ? 直接以DNA為模板合成蛋白質
26. ? DNA也具有酶活性
27. 10 中心法則的擴充
28. ? 翻譯後修飾
29. ? 蛋白質的內含子
30. ? DNA甲基化
31. ? 蛋白質可作為合成DNA的模板
32. ? 朊病毒
33. 11 中心法則的起源
34. ? 從RNA到DNA的演化之路
35. ? 用mRNA拼接DNA的證據

簡介

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遺傳信息在細胞內的生物大分子間轉移的基本法則。包含在脫氧核糖核酸（DNA）或核糖核酸（RNA）分子中的具有功能意義的核苷酸順序稱為遺傳信息。遺傳信息的轉移包括核酸分子間的轉移、核酸和蛋白質分子間的轉移。

1957年F.H.C.克里克最初提出的中心法則是：DNA→RNA→蛋白質。它說明遺傳信息在不同的大分子之間的轉移都是單向的，不可逆的，只能從DNA到RNA（轉錄），從RNA到蛋白質（翻譯）。這兩種形式的信息轉移在所有生物的細胞中都得到了證實。1970年H.M.特明和D.巴爾的摩在一些RNA致癌病毒中發現它們在宿主細胞中的複製過程是先以病毒的RNA分子為模板合成一個DNA分子，再以DNA分子為模板合成新的病毒RNA。前一個步驟被稱為反向轉錄，是上述中心法則提出後的新的發現。因此克里克在1970年重申了中心法則的重要性，提出了更為完整的圖解形式。

這裡遺傳信息的轉移可以分為兩類：第一類用實線箭頭表示，包括DNA的複製、RNA的轉錄和蛋白質的翻譯，即①DNA→DNA（複製）；②DNA→RNA（轉錄）；③RNA→蛋白質（翻譯）。這三種遺傳信息的轉移方向普遍地存在於所有生物細胞中。第二類用虛線箭頭表示，是特殊情況下的遺傳信息轉移，包括RNA的複製，RNA反向轉錄為DNA和從DNA直接翻譯為蛋白質。即①RNA→RNA（複製）；②RNA→DNA（反向轉錄）；③DNA→蛋白質。RNA複製只在RNA病毒中存在。反向轉錄最初在RNA致癌病毒中發現，後來在人的白細胞和胎盤滋養層中也測出了與反向轉錄有關的反向轉錄酶的活性。至於遺傳信息從DNA到蛋白質的直接轉移僅在理論上具可能性，在活細胞中尚未發現。

克里克認為在圖解中沒有箭頭指向的信息轉移是不可能存在的，即①蛋白質→蛋白質；②蛋白質→RNA；③蛋白質→DNA。中心法則的中心論點是：遺傳信息一旦轉移到蛋白質分子之後，既不能從蛋白質分子轉移到蛋白質分子，也不能從蛋白質分子逆轉到核酸分子。克里克認為這是因為核酸和蛋白質的分子結構完全不同，在核酸分子之間的信息轉移通過沃森-克里克式的鹼基配對而實現。但從核酸到蛋白質的信息轉移則在現存生物細胞中都需要通過一個極為複雜的翻譯機構，這個機構是不能進行反向翻譯的。因此如果需要使遺傳信息從蛋白質向核酸轉移，那麼細胞中應有另一套反向翻譯機構，而這套機構在現存的細胞中是不存在的。中心法則合理地說明了在細胞的生命活動中兩類大分子的聯繫和分工：核酸的功能是儲存和轉移遺傳信息，指導和控制蛋白質的合成；而蛋白質的主要功能是進行新陳代謝活動和作為細胞結構的組成成分。

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

中子活化分析

寄生到寄主細胞中後才發生。逆轉錄酶在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。

以DNA為模板合成RNA是生物界RNA合成的主要方式，但有些生物像某些病毒，它們的遺傳信息貯存在RNA分子中，當它們進入宿細胞後，靠複製而傳代，它們在RNA指導的RNA聚合酶催化下合成RNA分子，當以RNA模板時，在RNA複製酶作用下，按5→3方向合成互補的RNA分子,但RNA複製酶中缺乏校正功能,因此RNA複製時錯誤率很高，這與反轉錄酶的特點相似。[2]

發現

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簡介

早在1909年，伽羅德（A·E·Garrod）在《先天性代謝差錯》一書中，就描述了黑尿病基因與尿黑酸氧化酶的關係。以紅色麵包霉（鏈孢霉）為材料而開創生化遺傳學研究的比德爾（G·W·Beadle），1941年與塔特姆（E·L·Tatum）一起提出「一個基因一種酶」的假說，認為基因是通過酶來起作用的。

RNA轉錄1

基因（DNA）主要位於細胞核中。如果酶（化學本質是蛋白質）是在細胞核內合成的，問題倒也簡單，由基因直接指導酶的合成就是了。可事實卻並不如此。

早在40年代，漢墨林（J·Hammerling）和布拉舍（J·Brachet）就分別發現傘藻和海膽卵細胞在除去細胞核之後，仍然能進行一段時間的蛋白質合成。這說明細胞質能進行蛋白質合成。1955年李托菲爾德（Littlefield）和1959年麥克奎化（K·McQuillen）分別用小鼠和大腸桿菌為材料證明細胞質中的核糖體是蛋白質合成的場所。這樣，細胞核內的DNA就必須通過一個「信使」（message）將遺傳信息傳遞到細胞質中去。

1955年，布拉舍用洋蔥根尖和變形蟲為材料進行實驗，他用核糖核酸酶（RNA酶）分解細胞中的核糖核酸（RNA），蛋白質的合成就停止。而如果再加入從酵母中抽提的RNA，蛋白質的合成就有一定程度的恢復。同年，戈爾德斯坦（Goldstein）和普勞特（Plaut）觀察到用放射性標記的RNA從細胞核轉移到細胞質。因此，人們猜測RNA是DNA與蛋白質合成之間的信使。1961年，雅可布（F·Jacob）和莫諾（J·Monod）正式提出「信使核糖核酸」（mRNA）的術語和概念。1964年馬貝克斯（C·Marbaix）從兔的網織紅細胞中分離出一種分子量較大而壽命很短的RNA，被認為是mRNA。）

RNA轉錄2

實際上，早在1947年，法國科學家布瓦旺（A·Boivin）和旺德雷利（R·Vendrely）就在當年的《實驗》雜誌上聯名發表了一篇論文，討論DNA、RNA與蛋白質之間可能的信息傳遞關係。一位不知名的編輯把這篇論文的中心思想理解為DNA製造了RNA，再由RNA製造蛋白質。10年以後，1957年9月，克里克提交給實驗生物學會一篇題為「論蛋白質合成」的論文，發表在該學會的論文集（Symposum of the Society for Experimental Biology）第12卷第138頁。這篇論文被評價為「遺傳學領域最有啟發性、思想最解放的論著之一。」在這篇論文中，克里克正式提出遺傳信息流的傳遞方向是DNA→RNA→蛋白質，後來被學者們稱為「中心法則」。

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、肽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。[3]

發展史

①1965年，科學家發現RNA可複製；

②1970年，科學家發現逆轉錄酶；

③1982年，科學家發現瘋牛病是由一種結構異常的蛋白質引起的疾病。

內容

①從DNA流向DNA（DNA自我複製）；

②從DNA流向RNA，進而流向蛋白質（轉錄和翻譯）；

③從RNA流向RNA（RNA自我複製)；

④從RNA流向DNA（逆轉錄）

註：其中前兩條是中心法則的主要體現，後兩條是中心法則的完善和補充。

作用

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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分子在反轉錄酶（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，這個過程即為逆轉錄（reverse transcription）。

意義

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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。

基因表達

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關係

基因指導蛋白質合成；基因控制生物體；生物體性狀由蛋白質直接體現。

調控方法

a.基因通過控制酶的合成來控制代謝過程，進而控制生物體性狀；

b.基因通過指導蛋白質的合成，控制蛋白質結構進而直接控制生物體的性狀。

朊粒

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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性疾病如庫魯病（Kuru）和克—傑氏綜合征（Creutzfeldt-Jacobdisease，CJD）的病原體，也可引起瘋牛病即牛腦的海綿狀病變（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。

基因編碼

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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個氨基酸殘基組成，在氨基端有22個氨基酸組成的信號 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，氨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 fluctuation）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。

遺傳信息的一般性傳遞

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中心法則是一個框架，用於理解遺傳信息在生物大分子之間傳遞的順序，對於生物體中三類主要生物大分子：DNA、RNA和蛋白質，有9種可能的傳遞順序。法則將這些順序分為三類，3個一般性的傳遞（通常發生在大多數細胞中），3個特殊傳遞（會發生，但只在一些特定條件下發生），3個未知傳遞（可能不會發生）。

法則中3類遺傳信息的傳遞順序一般特殊未知DNA → DNARNA → DNA蛋白質→ DNADNA → RNARNA → RNA蛋白質→ RNARNA →蛋白質DNA →蛋白質蛋白質→蛋白質

轉錄

主條目：轉錄

轉錄（Transcription）是遺傳信息由DNA轉換到RNA的過程。轉錄是信使RNA（mRNA）以及非編碼RNA（tRNA、rRNA等）的合成步驟。轉錄中，一個基因會被讀取、複製為mRNA；這個過程由RNA聚合酶（RNA polymerase）和轉錄因子（transcription factor）所共同完成。

編輯

主條目：RNA編輯

RNA編輯（RNA editing）是指在RNA水平上的改變遺傳信息的加工過程，導致成熟的RNA編碼序列和它的轉錄模板DNA序列之間的不相匹配。在真核生物的tRNA、rRNA和mRNA中都發現了RNA編輯這種現象。RNA編輯有核苷酸的刪除或插入編輯、鹼基替換編輯2種類型。這種改變影響了基因的表達，生成不同的氨基酸以及新的開放讀碼框。編輯可在多種水平被調節，並且與一些人類疾病有一定的相關性。[4]

剪接

主條目：剪接 (遺傳學)

在真核細胞中，原始轉錄產物（mRNA前體）還要被加工：一個或多個序列（內含子）被剪出除去。選擇性剪接的機制使之可產生出不同的成熟的mRNA分子，這取決於哪段序列被當成內含子而哪段又作為存留下來的外顯子。並非全部有mRNA的活細胞都要經歷這種剪接；剪接在原核細胞中是不存在的。

翻譯

主條目：翻譯 (遺傳學)

最終，成熟的mRNA接近核糖體，並在此處被翻譯。原核細胞沒有細胞核，其轉錄和翻譯可同時進行。而在真核細胞中，轉錄的場所和翻譯的場所通常是分開的（前者在細胞核，後者在細胞質），所以mRNA必須從細胞核轉移到細胞質，並在細胞質中與核糖體結合。核糖體會以三個密碼子來讀取mRNA上的信息，一般是從AUG開始，或是核糖體連接位下游的啟使甲硫氨酸密碼子開始。啟始因子及延長因子的複合物會將氨醯tRNA（tRNAs）帶入核糖體-mRNA複合物中，只要mRNA上的密碼子能與tRNA上的反密碼子配對，即可按照mRNA上的密碼序列加入氨基酸。當一個個氨基酸串連成胜肽鏈後，就會開始摺疊成正確的構形。這個摺疊的過程會一直進行，直到原先的多胜肽鏈從核糖體釋出，並形成成熟的蛋白質。在一些情況下，新合成的多胜肽鏈需要經過額外的處理才能成為成熟的蛋白質。正確的摺疊過程是相當複雜的，且可能需要其他稱為分子伴侶的幫忙。有時蛋白質本身會進一步被切割，此時內部被「捨棄」的部份即稱為內含肽。

DNA複製

主條目：DNA複製

作為中心法則的最後一步，DNA必須忠實地進行複製才能使遺傳密碼從親代轉移至子代。複製是由一群複雜的蛋白質完成的；這些蛋白質打開超螺旋結構、DNA雙螺旋結構，並利用DNA聚合酶及其相關蛋白，拷貝或複製原模板，以使新代細胞或機體能重複DNA → RNA →蛋白質的循環。 DNA分子存在著構型多樣性，在遺傳信息的傳遞和表達過程中，DNA構象存在著左手螺旋及右手螺旋向右手螺旋的轉變過程，因此應賦有核酸構象的轉換形式。

只有RNA基因組的病毒

有些病毒含有整套以RNA形式編碼的基因組，因此他們只有RNA→蛋白質的編譯形式。

擬逆轉錄（病毒DNA整合到宿主DNA）

主條目：擬逆轉錄

近年在植物體內發現了擬逆轉錄病毒（pararetrovirus），這種病毒的遺傳物質是雙鏈DNA，能像逆轉錄病毒一樣，通過把自己的DNA整合到寄主的基因組DNA中去，再進行複製。

遺傳信息的特殊傳遞

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逆轉錄

主條目：逆轉錄

在中心法則被詳細闡述之後，人們發現了逆轉錄病毒。這些病毒可通過一種叫做逆轉錄酶的催化，以RNA為模板逆轉錄合成cDNA再由cDNA轉錄出RNA。這肯定了RNA向DNA轉錄的存在。人們最初以為這種現象僅出現於病毒中，但在最近，在高等動物中亦發現了RNA向DNA轉錄的逆轉錄轉座子。

RNA複製

主條目：RNA複製

有些病毒的遺傳物質是RNA分子，靠RNA複製而傳代，以RNA為模板的RNA複製酶催化下合成RNA分子，RNA複製酶中缺乏校正功能，複製時錯誤率很高。[1] RNA複製酶只對病毒本身的RNA起作用，而不會作用於宿主細胞中的RNA分子。

RNA的催化功能

主條目：RNA催化

人們一直認為生物體內的各種生化反應都是由酶來催化完成的，而RNA僅是存貯與傳遞信息，與酶的催化反應無關。核糖核酸酶P是一種核酶，即由一個RNA分子發揮催化活性，它是第一個被發現的蛋白質以外具有催化活性的生物大分子。它的功能是剪切tRNA分子中RNA上多餘的或前體的多餘序列。RNA可以不通過蛋白質而直接表現出本身的某些遺傳信息，而這種信息並不是以核苷酸三聯密碼來編碼。[1]

直接以DNA為模板合成蛋白質

有人在一些離體實驗中觀察到，一些與蛋白質合成抑製劑類抗生素如新黴素和鏈黴素，能擾亂核糖體對信使的選擇，從而可以接受單鏈DNA分子代替mRNA，然後以單鏈DNA為模版，按核苷酸順序轉譯成多肽的氨基酸順序。另外還有研究表明，細胞核里的DNA可以直接轉移到細胞質中的核糖體上，不需要通過RNA也可以控制蛋白質的合成。[4]

DNA也具有酶活性

1994年喬依斯（G.F.Joyce）等人發現一個人工合成的DNA分子具有一種特殊的磷酸二酯酶活性。此後又有多例報道人工合成的DNA序列具有各種不同的酶活性。1995年中國學者王身立等人發現從多種生物中提取的DNA均具有酯酶活性，能催化乙酸萘酯水解為萘酚和乙酸。這種較弱的酯酶活性是非特異性DNA的一般性質，並不需要特定序列的DNA編碼。[4]

中心法則的擴充

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克里克在上述那篇1970年的文章中指出，中心法則雖然對指導實驗很有用，但不應該被當成教條：

「雖然本文所提出的各類法則看來是可靠的，可是我們對分子生物學的認識，即使只是一個細胞—更不用說大自然里的整個生命體—仍然遠遠未完備到，足以讓我們把它當成教條一樣肯定正確的程度」

——克里克

自從克里克發表1970年那篇文章以來，很多新發現說明了中心法則補充和發展的必要。

翻譯後修飾

主條目：翻譯後修飾

對於大部份的蛋白質來說，這是蛋白質生物合成的最後步驟。蛋白質的翻譯後修飾會附上其他的生物化學官能團、改變氨基酸的化學性質，或是造成結構的改變來擴闊蛋白質的功能。酶可以從蛋白質的N末端移除氨基酸，或從中間將肽鏈剪開。舉例來說，胰島素是肽的激素，它會在建立雙硫鍵後被剪開兩次，並在鏈的中間移走多肽前體，而形成的蛋白質包含了兩條以雙硫鍵連接的多肽鏈。其他修飾，就像磷酸化，是控制蛋白質活動機制的一部份。蛋白質活動可以是令酶活性化或鈍化。

蛋白質的內含子

主條目：蛋白質內含子

蛋白質有自剪接現象，與mRNA相同，一些蛋白質前體具有內含子（intein）序列，多肽序列中間的某些區域被加工切除，剩餘部分的蛋白質外顯子（extein）重新連接為蛋白質分子。

DNA甲基化

主條目：表觀遺傳學

表觀遺傳學研究在沒有細胞核DNA序列改變的情況時，基因功能的可逆的、可遺傳的改變。這些改變包括DNA的修飾（如甲基化修飾）、RNA干擾、組蛋白的各種修飾等。也指生物發育過程中包含的程序的研究。在這兩種情況下，研究的對象都包括在DNA序列中未包含的基因調控信息如何傳遞到（細胞或生物體的）下一代這個問題。其主要研究內容包括大致兩方面內容。一類為基因選擇性轉錄表達的調控，有DNA甲基化，基因印記，組蛋白共價修飾，染色質重塑。另一類為基因轉錄後的調控，包含基因組中非編碼的RNA，微小RNA，反義RNA，內含子及核糖開關等。

主條目：DNA甲基化

DNA甲基化為DNA化學修飾的一種形式，能在不改變DNA序列的前提下，改變遺傳表現。為外遺傳編碼（epigenetic code）的一部分，是一種外遺傳機制。DNA甲基化過程會使甲基添加到DNA分子上，例如在胞嘧啶環的5碳上：這種5方向的DNA甲基化方式可見於所有脊椎動物。

蛋白質可作為合成DNA的模板

來自Mount.Sinai醫院的研究人員發現了一種叫Rev1 DNA聚合酶的蛋白質，它可以為DNA複製提供編碼信息。許多致癌物質會傾向於破壞DNA的鳥嘌呤（G），或者是破壞鳥嘌呤與胞嘧啶（C）的配對，這些都會導致DNA錯配的發生。新發現的蛋白質可以以自身為模板在複製鏈上加一個胞嘧啶，這個胞嘧啶無論鳥嘌呤是否在DNA鏈中存在都會被Rev1加上去的，在DNA複製時可以利用一條單鏈，根據鹼基配對原則複製出新的DNA鏈。細胞利用這種嶄新的機制在含有致癌物質的情況下對受損的DNA進行複製。這是第一次發現蛋白質可以作為一種合成DNA的模板。

朊病毒

主條目：朊病毒

朊病毒是通過改變其他蛋白質的構象來進行自身精確複製的一類蛋白質。也就是：蛋白質→蛋白質。這種具有感染性的因子主要由蛋白質組成。具有感染性的因子Prp與正常因子PrP在形狀上有一點不同。科學家推測這種變形的蛋白質會引起正常的PrP轉變成具有感染性的蛋白質，這種連鎖反應使得正常的蛋白質和致病的蛋白質因子都成為新病毒。[1]

中心法則的起源

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中心法則的信息是從DNA到RNA，但是，謝平（2014）指出，從生命起源和演化的歷史來看，信息的整合則必定是從mRNA到DNA[5] 。

從RNA到DNA的演化之路

在細胞起源的早期，為了適應細胞的分裂行為，遺傳物質的有效傳遞成為必須，因此，細胞中儲存在各種m-RNA中的遺傳信息的整合必須成為選擇的方向，把所有m-RNA的信息連接起來，就是向DNA方向發展的啟航。也許可以認為，隨著蛋白質的增多，mRNA也相應增多，偶爾一個整合性的mRNA長鏈更好地匹配了細胞的分裂行為，這樣就會得到選擇。

但是，並不是把m-RNA拼接起來就是DNA，實際上，結構成份發生了兩個變化，其一，RNA分子中的尿嘧啶，在DNA中變成了胸腺嘧啶，雖然兩者僅有細微的差別，即後者多了一個甲基；其二，RNA分子中的核糖在DNA中變成了脫氧核糖。但是這兩個變化卻導致了兩種核酸在形態上的顯著差別：DNA形成雙螺旋的結構，而絕大部分RNA分子都是線狀單鏈，雖然RNA分子的某些區域可自身回折進行鹼基互補配對，形成局部雙螺旋。或許出於某種結構上的緣由，如果脫氧核糖替代核糖以及胸腺嘧啶替代尿嘧啶能更加有利於形成穩定的雙螺旋結構的話，那就是DNA被選擇的方向性。

當然，或許僅僅就是為了避免混淆，因為生物經常要用既有聯繫又能區別的結構物質來行使不同的功能，譬如，NADPH和NADH，兩者的還原電位完全相同，功能也類似，但卻用於不同的生物代謝途徑。一個不容易混淆的井然有序的代謝系統當然會得到選擇或青睞[5] 。

用mRNA拼接DNA的證據

真核基因轉錄產物為單順反子，即一個基因編碼一條多肽鏈或RNA鏈，每個基因轉錄有各自的調節元件。在原核細胞中，通常是幾種不同的mRNA連在一起，相互之間由一段短的不編碼蛋白質的間隔序列所隔開，這種mRNA叫做多順反子mRNA。依筆者之見，原核生物多順反子的存在，正好可視為是mRNA拼接成長鏈DNA的一個過渡階段的證據。

另一個證據就是，在DNA聚合酶根據模板複製新的DNA鏈之前，必須依賴一段RNA引物。這一引物是引物酶

DNA的複製

辨認起始位點後解開一段DNA並按照5到3方向合成的RNA短鏈。之後，DNA聚合酶會通過磷酸二酯鍵的連接，添加與模板鏈配對的核苷酸，從而向引物鏈的3端方向合成DNA。當然，最後RNA水解酶（RNase）會將RNA引物水解，另一些DNA聚合酶會生成DNA來填補這些缺口。

可以設想，如果不將m-RNA的遺傳信息整合進一個統一的DNA中去的話，細胞分裂中如何能夠將親細胞準確地分配到兩個子細胞中去則難以想像的！最近謝平（2015）提出，遺傳密碼子是生化系統的一部分，而生化系統的核心是ATP，正是ATP才建立起了核酸和蛋白質之間的聯繫（ATP中心假說）[6] 。

關於遺傳密碼系統起源的ATP中心假說

當然，完善的遺傳系統的建立絕非易事，超越了人類的想像，應該是細胞前體在數億年的演化歷程特別是無數次失敗的分裂過程中才得以實現的。人們可能懷疑這種推論的真實性，但在如此宏大的地球上，在如此之小的細胞中，如果給予了10億年的時日，一切偶然皆有可能成為必然，一切不可想像的事件皆有可能發生，只要有一個演化的方向性。[7]

蛋白質、RNA和DNA三者在結構與功能的分化與完善，導致了一個完全獨立的遺傳系統的形成，而這又是通過細胞分裂維持生命形態相對穩定性的前提。只有一個真正可操作的遺傳系統的出現，生命才從前細胞體時代邁進了細胞時代，才真正拉開了生物進化的序幕。

在生化機制上，細胞必須形成既有區別又有聯繫的一種結構體系，即一方面必須對信息進行準確地儲存與複製，另一方面高效地實施生命構建，前者就是核酸體系，後者就是蛋白質體系。這兩個體系在短時間尺度上相對獨立，但不斷相互作用，導致在長時間尺度上的協同演化[5]

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噬菌體

噬菌體能夠殺死細菌的現象在1915年由弗德里克· 特沃特（Frederick W.Twort）發現（但弗德里克· 特沃特並未進行深入研究也未命名）。1915年8月加拿大醫學細菌學家費利克斯· 德赫雷爾（Felix d』Herelle）也發現了這種病毒並把這些病毒（virus）稱為噬菌體[1] 。噬菌體是一類病毒，原指細菌病毒，近年來發現真菌、藻類都有噬菌體[2] 。（bacteriophage)噬菌體(bacteriophage, phage)是感染細菌、真菌、藻類[2] 、放線菌或螺旋體等微生物的病毒的總稱，因部分能引起宿主菌的裂解，故稱為噬菌體。本世紀初在葡萄球菌和志賀菌中首先發現。作為病毒的一種，噬菌體具有病毒的一些特性：個體微小；不具有完整細胞結構；只含有單一核酸。可視為一種「捕食」細菌的生物。噬菌體基因組含有許多個基因，但所有已知的噬菌體都是細菌細胞中利用細菌的核糖體、蛋白質合成時所需的各種因子、各種氨基酸和能量產生系統來實現其自身的生長和增殖。一旦離開了宿主細胞，噬菌體既不能生長，也不能複製[3] 。

噬菌體是病毒的一種，其特別之處是專以細菌為宿主，較為人知的噬菌體是以大腸桿菌為寄主的T2噬菌體。跟別的病毒一樣，噬菌體只是一團由蛋白質外殼包裹的遺傳物質，大部分噬菌體還長有「尾巴」，用來將遺傳物質注入宿主體內。噬菌體是一種普遍存在的生物體，而且經常都伴隨著細菌。通常在一些充滿細菌群落的地方，如：泥土、動物的內臟里，都可以找到噬菌體的蹤影。目前世上蘊含噬菌體最豐富的地方就是海水。

以細菌為宿主的病毒。細菌被噬菌體感染後，可發生溶菌現象。噬菌體大多具有由蛋白質外殼將DNA包裹在內的頭部和尾部特徵，並且具有一定形狀。噬菌體自身不能進行增殖，但能通過感染細菌後，利用自身的DNA遺傳信息進行DNA複製、進行噬菌體蛋白質合成，在短時間內(30～40min)可增加幾百倍的子噬菌體。噬菌體一直被作為DNA複製、遺傳重組和遺傳調節機制的研究對象。

除了寄生於大腸桿菌T的是烈性噬菌體(virulent phage)外，還有以λ噬菌體為代表的溫和噬菌體(temperate phage)。後者在宿主細胞中，因處於受宿主DNA複製機制的支配狀態，因而使噬菌體遺傳信息的表達受到抑制;處於溶原化狀態的噬菌體基因組(原噬菌體)，大多數嵌入DNA的特定部位。已知溫和噬菌體不僅存在於大腸桿菌中，在其它生物中也有存在，在基因工程的研究中，大多將它們作為噬菌體載體使用。 [4]

因為噬菌體主要由蛋白質外殼和核酸組成，所以，可以根據蛋白質外殼或核酸的結構特點對噬菌體進行分類。

根據蛋白質結構分類：

無尾部結構的二十面體：這種噬菌體為一個二十面體，外表由規律排列的蛋白亞單位——衣殼組成，核酸則被包裹在內部。

有尾部結構的二十面體：這種噬菌體除了一個二十面體的頭部外，還有由一個中空的針狀結構及外鞘組成的尾部，以及尾絲和尾針組成的基部。

線狀體：這種噬菌體呈線狀，沒有明顯的頭部結構，而是由殼粒組成的盤旋狀結構。

噬菌體

無尾部結構的二十面體

噬菌體

有尾部結構的二十面體

噬菌體

線粒體

迄今已知的噬菌體大多數是有尾部結構的二十面

噬菌體

體，這是因為正多面體是多面體里最簡單的結構，搭建起來最容易，所以病毒喜歡採用正多面體的結構。而正多面體一共又只有五種，分別是正4, 6, 8, 12, 20面體，其中正20面體是最接近球形的，也就是在體積相同的情況下，需要更少的材料，更為節省。

根據核酸特點分類：

ss RNA：噬菌體中所含的核酸是單鏈RNA。

ds RNA：噬菌體中所含的核酸是雙鏈RNA。

ss DNA：噬菌體中所含的核酸是單鏈DNA。

ds DNA：噬菌體中所含的核酸是雙鏈DNA

噬菌機理

噬菌體顆粒感染一個細菌細胞後可迅速生成幾百個子代噬菌體顆粒，每個子代顆粒又可感染細菌細胞，再生成幾百個子代噬菌體顆粒。如此重複只需4次，一個噬菌體顆粒便可使幾十億個細菌感染而死亡。當把細菌塗布在培養基上，長成一層菌苔時，一個噬菌體感染其中一個細菌時，便會同上面所說的那樣，把該細菌周圍的成千上萬個細菌感染致死，在培養基的菌苔上出現一個由於細菌被噬菌體裂解後造成的空斑，這便稱為噬菌斑(plaque)。除了一些噬菌體能使宿主細菌裂解死亡外，還有一些噬菌體感染細菌後，並不使細胞死亡，稱為溶原性噬菌體，這些噬菌體感染細菌後，將其自身的基因組整合進宿主細胞的基因組，此時，這種宿主細菌稱為溶原性細菌。溶原性細菌內存在的整套噬菌體DNA基因組稱為原噬菌體(prophage)，溶原性細菌不會產生許多子噬菌體顆粒，也不會裂解；但當條件改變使溶原周期終止時，宿主細胞就會因原噬菌體的增殖而裂解死亡，釋放出許多子代噬菌體顆粒。[5]

侵染過程

編輯

一個典型的噬菌體的侵染細菌的過程，可以分為三個階段：感染階段、增殖階段和成熟階段。

感染階段：噬菌體侵染寄主細胞的第一步是「吸附」，即噬菌體的尾部附著在細菌的細胞壁上，然後進行「侵入」。噬菌體先通過溶菌酶的作用在細菌的細胞壁上打開一個缺口，尾鞘像肌動球蛋白的作用一樣收縮，露出尾軸，伸入細胞壁內，如同注射器的注射動作，噬菌體只把頭部的DNA注入細菌的細胞內，其蛋白質外殼留在壁外，不參與增殖過程。

增殖階段：噬菌體DNA進入細菌細胞後，會引起一系列的變化：細菌的DNA合成停止，酶的合成也受到阻抑，噬菌體逐漸控制了細胞的代謝。噬菌體巧妙地利用寄主(細菌)細胞的酶和其它物質，大量地複製子代噬菌體的DNA和蛋白質，並形成完整的噬菌體顆粒。噬菌體的形成是藉助於細菌細胞的代謝機構，由本身的核酸物質操縱的。據觀察，當噬菌體侵入細菌細胞後，細菌的細胞質里很快便充滿了DNA細絲，十分鐘左右開始出現完整的多角形頭部結構。噬菌體成熟時，這些DNA高分子聚縮成多角體，頭部蛋白質通過排列和結晶過程，把多角形DNA聚縮體包圍，然後頭部和尾部相互吻合，組裝成一個完整的子代噬菌體。

成熟階段：噬菌體成熟後，在潛伏後期，溶解寄主細胞壁的溶菌酶逐漸增加，促使細胞裂解，從而釋放出子代噬菌體。在光學顯微鏡下觀察培養的感染細胞，可以直接看到細胞的裂解現象。T2噬菌體在37 ℃下大約只需四十分鐘就可以產生100～300個子代噬菌體。子代噬菌體釋放出來後，又去侵染鄰近的細菌細胞，產生子二代噬菌體。

相關介紹

溶原性細菌特點

第一，溶原性細菌在被噬菌體感染並溶原化後，不會被同種噬菌體再次感染，這是超感染免疫性。

第二，經過若干世代後，溶原性細菌會開始進入溶菌周期，即溶原性細菌的誘發。此時，原噬菌體從宿主基因組上切離下來進行增殖。

λ噬菌體載體不具有質粒載體的抗生素抗性的標記基因；因此，對λ重組分子的選擇主要有下面幾種方法。

①cI基因功能選擇 cI基因編碼的阻遏蛋白可使感染了λ噬菌體的大腸桿菌進入溶原化狀態。如果在插入型載體的克隆位點上，或是置換型載體的可置換片段中，放上一個cI基因，當外源DNA插入或取代時，便破壞了cI基因，使出現cI-表型。此時，λ重組分子生成的是透亮的噬菌斑，而未重組的λ噬菌體由於仍保有cI基因，所以宿主細菌是溶原化的，就生成混沌的噬菌斑。

②lac Z基因功能選擇 lac Z基因的產物為盧—半乳糖苷酶，在Xgal—IPTG培養基上顯現藍色。在插入型載體的lac Z基因序列中引入限制性內切核酸酶的切點，外源DNA插入這個克隆位點就會破壞lac Z基因，於是在上述培養基上出現無色的噬菌斑。如果沒有同外源DNA形成λ重組分子，則lac Z基因未遭破壞，在培養基上出現藍色的噬菌斑。

③spi-選擇λ噬菌體的red和gam基因產物可抑制噬菌體在宿主細菌中正常生長，red-和gam-突變型λ噬菌體則可正常生長。當置換型載體的可置換片段中放上red和gam基因後，外源DNA片段取代了置換片段，則同時除去了red、gam基因，就可在宿主菌中生長，否則就不能正常生長。

主要特點

噬菌體具有病毒的一些特性：個體微小。噬菌體基因組含有許多個基因，但所有已知的噬菌體都是細菌細胞中利用細菌的核糖體、蛋白質合成時所需的各種因子、各種氨基酸和能量產生系統來實現其自身的生長和增殖。一旦離開了宿主細胞，噬菌體既不能生長，也不能複製。

噬菌體分布極廣，凡是有細菌的場所，就可能有相應噬菌體的存在。在人和動物的排泄物或污染的井水、河水中，常含有腸道菌的噬菌體。在土壤中，可找到土壤細菌的噬菌體。噬菌體有嚴格的宿主特異性，只寄居在易感宿主菌體內，故可利用噬菌體進行細菌的流行病學鑒定與分型，以追查傳染源。由於噬菌體結構簡單、基因數少，是分子生物學與基因工程的良好實驗系統。

在生物學上的應用

由於噬菌體可以將基因插入宿主DNA內的特性，使得它成為了重要的分子和遺傳學研究工具。利用噬菌體，可以設計很多精巧的實驗。下面，舉出一項噬菌體應用的最具代表性的例子。

證明DNA是遺傳物質：

歷史上，生物學家在細胞中總是沒有辦法找到承擔遺傳功能的物質，曾經一度認為蛋白質是遺傳物質，因為它承擔了生命活動的絕大部分功能。但是，1952年赫爾希(Hershey)和蔡斯(Chase)兩人利用噬菌體證明了DNA的遺傳功能，為最終確立DNA是主要的遺傳物質奠定了基礎。他們把宿主細菌分別培養在含有35S和32P的培養基中，宿主細菌在生長過程中，就分別被35S和32P所標記。然後，赫爾希等人用T2噬菌體分別去侵染被35S和32P標記的細菌。噬菌體在細菌細胞內增殖，裂解後釋放出很多子代噬菌體，在這些子代噬菌體中，前者被35S所標記，後者被32P所標記。接著，他們用被35S和32P標記的噬菌體分別去侵染未標記的細菌，然後測定宿主細胞的同位素標記。當用35S標記的噬菌體侵染細菌時，測定結果顯

示，宿主細胞內很少有同位素標記，而大多數35S標記的噬菌體蛋白質附著在宿主細胞的外面；當用32P標記的噬菌體感染細菌時，測定結果顯示宿主細胞的外面的噬菌體外殼中很少有放射性同位素32P，而大多數放射性同位素32P在宿主細胞內。以上實驗表明，

噬菌體在侵染細菌時，進入細菌內的主要是DNA，而大多數蛋白質在細菌的外面。可見，在噬菌體的生活史中，只有DNA是在親代和子代之間具有連續性的物質。因此，DNA是遺傳物質。

歷史

初期：1915年-1940年

1915年，弗德里克· 特沃特（Frederick W.Twort）擔任倫敦布朗研究所所長。特沃特在研究中力圖尋找用於天花疫苗的痘苗病毒（vaccina virus）的變異株（variant ) ，這種變異株可能在活細胞外介質中複製。他在一項試驗中將一部分天花疫苗接種給一個含營養瓊脂的培養盤。雖然這種病毒未能複製，但是細菌污染物在瓊脂盤中生長很快。特沃特繼續進行他的培養並注意到，一些細菌菌落顯示出「帶水的樣子」（即變得比較透明）。這樣的菌落做進一步培養時也不再能複製（即細菌被殺死）。特沃特把這種現象稱為透明轉化（glassy transformation）。他接著證明用透明轉化原理感染一個正常的細菌菌落會把這種細菌殺死。這種透明實體很容易通過一個陶瓷過濾器，可被稀釋一百萬倍，當放在新鮮細菌上的時候就會恢復它的實力，或者說滴度。

特沃特發表了一篇描述這種現象的短文，認為對他所觀察的結果的解釋是存在一種細菌病毒。由於服役於第一次世界大戰，特沃特的研究中斷了。返回倫敦後，他沒有繼續進行這項研究因此在這個領域沒有作出進一步的貢獻。

與此同時，加拿大醫學細菌學家費利克斯· 德赫雷爾（Felix d』Herelle）當時正在巴黎的巴斯德研究所工作。1915年8 月，法國的一個騎兵中隊駐紮在巴黎郊外的梅宗-勒菲特（Maisons-Lafitte) ，一場嚴重的志賀氏桿菌引發的痢疾對整個部隊造成了毀滅性的打擊。德赫雷爾對患者的糞便進行過濾，很快從過濾的乳狀液中分離出痢疾桿菌，並且加以培養。細菌不斷生長，覆蓋了培養皿的表面。德赫雷爾偶然觀察到清楚的圓點，上面沒有長出任何細菌。他把這些東西稱為乳樣斑（taches vierges）,或稱為噬斑(plaques）。德赫雷爾跟蹤觀察一名患者的整個感染過程，觀察何時細菌最多，斑點何時出現。有意思的是，患者的病情在感染後的第四天開始好轉。

德赫雷爾把這些病毒（virus ）稱為噬菌體（bateriophage) ，緊接著他發明了病毒學研究領域沿用至今的方法。他將噬斑進行有限的稀釋，測定病毒的濃度。他的推論是出現斑點表明病毒為顆粒或稱為小體（corpuscular）。德赫雷爾在研究中還證明病毒感染的第一步是病原體附著（吸附）宿主細胞。他通過把病毒與宿主細胞混合後共沉澱證明了這一點。（他還證明，上清中不存在這種病毒）一種病毒的附著只是在細菌對與它混合的病毒敏感時才出現，這表明了一種病毒對宿主細胞的吸附有特定的範圍。他還用很清楚的現代術語描述了細胞溶菌（lysis ）的釋放。德赫雷爾在許多方面是現代病毒學原理的創始人之一。

到1921 年，越來越多的溶原性菌株（lysogenic bacterial strain） 被分離，在一些實驗中已經不可能把病毒與它的宿主分開。這使布魯塞爾巴斯德研究所的朱勒斯· 博爾德特（Jules Bordet)認為，德赫雷爾描述的傳染性病原體只不過是一種促進自身繁殖的細菌酶（bacterial enzyme）。雖然這是一種錯誤的結論，但是它相當接近於目前有關朊病毒（prion）結構和複製的看法。

在20 世紀20-30 年代，德赫雷爾重點探索他的研究成果在醫學上的應用，但是毫無成果。當時進行的基礎研究常常受該領域個別科學家的強烈個性所產生的解釋的影響。顯然有許多不同的噬菌體，一些為溶菌性（lytic）而另一些則是溶原性（lysogenic )，但是它們之間的相互關係仍然定義不明確。這個時期的重要發現是馬克斯·施萊辛格,他證明純化的噬菌體最大直徑（linear dimension )0.1微米，質量大約4x10克，它們由蛋白質和DNA構成，比例大體上相等。1936 年那時沒有任何人清楚地知道如何利用這種觀察結果，但是，它在隨後的20年里產生了重大影響。

現代：1938 年-1970 年

馬克斯· 德爾布呂克（Max Delbruck ）是吉廷根大學（Gittinge）培養出來的物理學家。他的第一份工作是在柏林威廉化學研究所，在那裡他與一些研究人員積極地討論量子物理與遺傳學的關係。德爾布呂克對這個領域的興趣使他發明了一種基因的量子機械模型（guantum mechanical model of gene ）。1937 年，他申請並獲得了在加利福尼亞理工學院學習的獎學金。一到加利福尼亞理工學院他就開始與另一位研究員埃默里· 埃利斯（Emory Ellis）合作。埃利斯當時正在研究一組噬菌體-T2、T4、T6( T-偶數噬菌體）。德爾布呂克很快認識到這些病毒適合研究病毒複製。這些噬菌體是探索遺傳信息如何決定一種生物體的結構和功能的一個途徑。從一開始，這些病毒就被視為了解癌症病毒，甚至了解精子如何使卵子受精並發育為一種新生物體的典型系統。埃利克和德爾布呂克設計出一步生長曲線試驗。在這項試驗中，一種受感染的細菌經過半個小時的潛伏期（latent period）或稱為隱蔽期（eclipse period ）之後釋放了大量噬菌體。這項試驗給潛伏期下了定義，即病毒失去傳染性的時候。這成為這個噬菌體研究小組的試驗範例。

第二次世界大戰爆發後，德爾布呂克留在美國（在范德比爾特大學），見到了義大利難民薩爾瓦多·盧里亞（Salvador E . Luria ）。盧里亞逃到美國避難，當時在紐約州哥倫比亞大學研究T1和T2噬菌體。他們是1940年12月28日在費城舉行的一次會議上見面的，並在隨後的兩天里策劃在哥倫比亞大學的試驗。兩位科學家將招聘和領導越來越多的研究人員重點研究利用細菌病毒作為了解生命進程的一個模型。對他們的成功起關鍵作用的是1941年夏天他們應邀到冷泉港實驗室做試驗。就這樣一位德國物理學家和一位義大利遺傳學家在二戰期間一直進行合作，周遊美國招聘新一代的生物學家，後來這些人被稱為噬菌體研究小組。

此後不久，新澤西州普林斯頓RCA 實驗室的電子顯微學家湯姆· 安德森（Tom Anderson ）見到了德爾布呂克。到1942年3月，他們第一次獲得了噬菌體的清晰照片。大約同時，這些噬菌體變異株第一次被分離和鑒定。到1946年，冷泉港實驗室開設了第一門噬菌體課程，1947年3月，第一次噬菌體會議有8人出席。分子生物學就是從這些緩慢的開端中發展起來的。這門科學的重點是研究細菌宿主及其病毒。

隨後的25 年（1950 年至1975 年）是用噬菌體進行病毒學研究碩果累累的時期。數百名病毒學家發表了數千篇論文，主要涉及三個領域：(a）用T-偶數噬菌體進行的大腸桿菌溶菌性感染研究；(b) 利用λ噬菌體進行的溶原性研究，以及(c）幾種獨特噬菌體的複製和特性研究，例如ФX174 （單鏈環狀DNA ）、RNA 噬菌體、T7 等。它們為現代分子病毒學和生物學奠定了基礎。本文不可能一一介紹所有這些科學文獻，只能提及一些有選擇的重點。

到1947年至1948年，用生物化學方法研究噬菌體感染細胞在潛伏期發生的變化開始盛行。西摩·科恩（Seymour Cohen ）最初曾在哥倫比亞大學與歐文· 查格夫（Erwin Chargaff）一道研究脂質和核酸，隨後又與溫德爾· 斯坦利研究煙草花葉病毒RNA ,1946年在冷泉港實驗室主修德爾布呂克的噬菌體課程。他利用比色法（colorimetric analisis ）研究被噬菌體感染的細胞中DNA 和RNA 水平的影響。這些研究表明，被噬菌體感染的細胞中大分子合成發生了戲劇性的改變：(a) RNA 的凈積累在這些細胞中停止。[後來，這成為發現多種RNA 的基礎，並且第一次證明了信使RNA 的存在]。（b) DNA 合成停止了7分鐘，隨後又以5倍至10倍的速度恢復DNA 合成。（c）與此同時，蒙諾德（Monod）和沃爾曼（Wollman)的研究表明，噬菌體感染後一種細胞酶——可誘導β-半乳糖苷酶（galactosidase）的合成受到抑制。這些試驗把病毒的潛伏期分為初期（在DNA 合成之前）和晚期兩個階段。更重要的是這些研究結果表明，病毒可能改變受感染細胞的大分子合成過程。

到1952年底，兩項試驗對這個領域產生了重要影響。首先，赫爾希和蔡斯利用標記病毒蛋白(SO4）和核酸（PO4）跟蹤噬菌體對細菌的附著。他們能用攪拌機去除病毒的蛋白質衣殼，只保留與受感染細胞有聯繫的DNA 。這使他們能夠證明這種DNA 具有再生大量新病毒所需的全部信息。赫爾希-蔡斯的試驗和沃森與克里克一年後闡述的新DNA 結構共同構成了分子生物學革命的奠基石。

病毒學領域的第二項試驗是1953年由懷亞特（G.R.Wyatt）和科恩（S.S.Cohen）進行的。他們在研究T-偶數噬菌體時發現一個新的鹼基，即5『羥甲基胞嘧啶（hydroxymethylcytosine）。這個新發現的鹼基似乎取代了細菌DNA 中的胞嘧啶（cytosine ）。這使科學家們開始對細菌和受噬菌體感染的細胞中DNA 的合成進行了長達10年的研究。最關鍵的研究表明，病毒把遺傳信息引入受感染的細胞中。到1964年，馬修斯（Mathews）等人的研究證明，未受感染的細胞中不存在5『羥甲基胞嘧啶，並且必須由病毒為之編碼。這些試驗提出了脫氧嘧啶（deoxypyrimidine）生物合成和DNA 複製方面的早期酶學概念，提供的明確的生物化學證據表明可以編碼一種新的信息並在受感染的細胞中表達。對這些噬菌體的詳細遺傳分析後確認了編碼這些噬菌體蛋白質的基因，並繪製了基因圖使概念更完整。實際上，對T-偶數噬菌體的rⅡ 和B 順反子（cistron ）的遺傳分析成為研究最充分的「遺傳精細結構」之一。利用噬菌體變異株和提取物體外複製病毒DNA ，對我們當代了解DNA 如何自我複製作出了重要貢獻。最後，通過對噬菌體裝配的詳細遺傳學分析，利用噬菌體突變株體外裝配的互補性闡明了有機體如何利用自我裝配的原理構建複雜結構。對噬菌體溶菌酶的遺傳和生物化學分析有助於闡述突變的分子性質，噬菌體突變（琥珀突變）提供了在分子水平研究第二位點抑制突變（second-site suppressor mutation）的明確方式 。DNA的環形排列、末尾冗餘（引起噬菌體雜合體）結構可以解釋T 偶數噬菌體的環形遺傳圖。

病毒和細胞蛋白質的合成在受噬菌體感染的細胞中發生明顯變化，這一點是在早期研究中使用十二烷基硫酸鈉一聚丙烯醯胺凝膠（sodium dodecyl sulfate (SDS)-polyacrylamide gels)而被戲劇性地發現，結果表明病毒蛋白質的合成有特定順序，分為早期蛋白質和晚期蛋白質。這種一過性的基本調節機制最終發現了調節RNA 聚合酶和授予基因特殊性的∑因子。幾乎每一個級別的基因調節（轉錄、RNA 穩定性、蛋白合成、蛋白處理）的研究均是通過對噬菌體感染性研究得出的原始數據揭示的。

雖然溶菌噬菌體（lytic phage）研究取得如此顯著的進展，但是仍然沒有人能清楚地解釋溶源性噬菌體（lysogenic phage）。這種局面在1949年發生了變化，當時，巴斯德研究所的安德烈· 勒沃夫（Andre Lwoff） 開始對Bacillus megaterium 及其溶源性噬菌體進行研究。通過使用一種顯微操縱器將單一細菌分割多達19次，從未釋放出任何病毒。當從外部對溶源性細菌進行溶解時，也沒有發現病毒。但是經常出現一個細菌自發地發生溶解並釋放出許多病毒來的現象。紫外線能誘使這些病毒釋放是一項重要的發現，這種觀察可以概述一種病毒與其宿主之間的奇妙關係。到1954年，巴斯德研究所的雅各布( Jacob）和沃爾曼（Wollman )得出重要的研究結果，即一種溶源性菌株（Hfr ，λ）與非溶源性受體在結合之後的遺傳雜交（genetic cross ）導致病毒的誘發。他們把這個過程稱為合子誘導（zygotic induction ）。事實上溶源性噬菌體或稱原噬菌體（prophage）在其宿主大腸桿菌的染色體中的位置，可在遺傳雜交之後用標準的中斷交尾實驗繪圖。這是在概念上了解溶源性病毒的最關鍵試驗之一，理由如下：（a）病毒的行為就像一種細菌的染色體上的細菌基因一樣；（b）它表明病毒遺傳物質由於負面的調節而在病毒中保持靜止的試驗結果之一。當染色體從溶源性供體細菌傳遞到非溶源性受體宿主時，該病毒遺傳物質丟失；（c）這有助於解釋雅各布和沃爾曼早在1954年就認識到的酶合成以及噬菌體生成的誘導是同一現象的表現」。這些試驗為操縱子模型（operon model ）和協同基因調控（coordinate gene regulation）的性質奠定了基礎。

雖然在1953年闡述了DNA的結構 , 1954年描述了合子誘導，但是溶源現象中細菌染色體與病毒染色體之間的關係仍被稱為附著部位（attachment site ) ，當時也只能從這些角度考慮。後來，坎貝爾(Campbell)根據噬菌體標記的順序在整合狀態下不同於複製或生長狀態這一事實，提出DNA 與細菌染色體進行λ整合的模型，至此，病毒與其宿主之間的真正密切關係才得到認識。這導致分離出λ噬菌體的負調節基因或稱抑制基因，這是對溶原菌免疫特性的清楚了解，也是對基因如何進行協同調節的早期範例之一。對λ噬菌體生命周期的遺傳分析是微生物遺傳學領域的重大學術探險。它值得所有分子病毒學和生物學學者進行詳細的研究。

諸如鼠傷寒沙門氏菌(Salmonella typhimurium)P22 這樣的溶源性噬菌體是一般性轉導（transduction ) 的第一個例證，而λ噬菌體是特殊轉導的第一個例證。病毒可能攜帶細胞基因，並把這樣的基因從一個細胞轉移到另一個細胞，這不僅提供了精確遺傳繪圖的一種方法，而且也是病毒學中的一個新概念。隨著細菌的遺傳因素被更詳細地研究，可以清楚地看出，從溶源性噬菌體研究發展到附加體( episome）、轉座子（transposon）、反轉錄轉座子（retrotranspon ）、插入元件（insertion element ）、逆轉錄病毒（retrovirus）、嗜肝DNA 病毒（hepadnovirus ）、類病毒（viroid ）、擬病毒（virusoid ，又稱類病毒viroid-like指一類包裹在植物病毒顆粒中的病毒，譯者注），以及朊病毒（prion ）研究，這一切使得遺傳信息在病毒與其宿主之間的定義和分類的關係開始變得模糊不清。

從噬菌體研究中得出的遺傳和生化概念使病毒學的進一步發展成為可能。溶菌和溶源性噬菌體研究的經驗和教訓常常隨著對動物病毒的研究而被人們重新學習和修改。

T2噬菌體(3張)

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、

信使RNA

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信使RNA是由DNA的一條鏈作為模板[1] 轉錄而來的、攜帶遺傳信息的能指導蛋白質合成的一類單鏈核糖核酸。

中文名信使RNA外文名mRNA學 科生物模 版DNA的一條鏈性 質單鏈核糖核酸

目錄

1. 1 信使RNA介紹
2. 2 發現
3. 3 合成與加工
4. ? 第一節 DNA轉錄生成RNA
5. ? 第二節 轉錄後加工
6. ? 第三節 RNA的複製
7. 4 結構與功能
8. ? 存在範圍和性質
9. ? 原核和真核生物mRNA不同的特點
10. ? 一級結構與功能的關係
11. ? 二級結構與功能的關係
12. 5 信使RNA與密碼子
13. ? 簡介
14. ? 通用遺傳密碼及相應的氨基酸
15. 6 信使RNA與遺傳信息的傳遞
16. ? 簡介
17. ? 中心法則的提出
18. 7 信使RNA與轉錄RNA的區別
19. ? 結構
20. ? 功能
21. 8 mRNA與反轉錄
22. ? 簡介
23. ? 生物學意義
24. 9 可扼殺信使RNA的microRNA
25. 10 mRNA提取分離純化
26. ? 試劑準備
27. ? 操作步驟
28. ? 注意事項

信使RNA介紹

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Messenger RNA (mRNA）——信使核糖核酸

攜帶遺傳信息，在蛋白質合成時充當模板的RNA。

信使RNA

從脫氧核糖核酸（DNA）轉錄合成的帶有遺傳信息的一類單鏈核糖核酸（RNA）。它在核糖體上作為蛋白質合成的模板，決定肽鏈的氨基酸排列順序。mRNA存在於原核生物和真核生物的細胞質及真核細胞的某些細胞器（如線粒體和葉綠體）中。

原核生物和真核生物mRNA有不同的特點：

①原核生物mRNA常以多順反子的形式存在。真核生物mRNA一般以單順反子的形式存在。

②原核生物mRNA的轉錄與翻譯一般是偶聯的，真核生物轉錄的mRNA前體則需經轉錄後加工，加工為成熟的mRNA與蛋白質結合生成信息體後才開始工作。

③原核生物mRNA半壽期很短，一般為幾分鐘 ，最長只有數小時（RNA噬菌體中的RNA除外）。真核生物mRNA的半衰期較長， 如胚胎中的mRNA可達數日。

④原核與真核生物mRNA的結構特點也不同。

原核生物mRNA一般5′端有一段不翻譯區，稱前導區，3′端有一段不翻譯區，中間是蛋白質的編碼區，一般編碼幾種蛋白質。真核生物mRNA（細胞質中的）一般由5′端帽子結構、5′端不翻譯區、翻譯區（編碼區）、3′端不翻譯區和3′端聚腺苷酸尾巴構成。分子中除m7G構成帽子外，常含有其他修飾核苷酸，如m6A等。真核生物mRNA通常都有相應的前體。從DNA轉錄產生的原始轉錄產物可稱作 原始前體（或mRNA前體）。一般認為原始前體要經過hnRNA核不均一RNA的階段，最終才被加工為成熟的mRNA。

通常mRNA（單鏈）分子自身回折產生許多雙鏈結構。原核生物，經計算有66.4%的核苷酸以雙鏈結構的形式存在。真核生物mRNA也具有豐富的二級結構，摺疊起來的mRNA二級結構有利於蛋白質合成的啟動，以後mRNA處於伸展的狀態則有利於轉譯的繼續。

mRNA的複製，轉錄和翻譯：由一個DNA分子，邊解旋，邊轉錄。利用細胞核內部的遊離核糖核苷酸合成。合成規則遵循鹼基互補配對原則。註：因為mRNA沒有T（胸腺嘧啶），所以模版中出現A（腺嘌呤）時，由U(尿嘧啶）代替。以上過程叫做轉錄，在細胞核中完成。接著，mRNA穿過核孔。和細胞質中的核糖體結合。選擇tRNA運輸氨基酸，和對應的三個鹼基排列好（如何排列請查詢：密碼子）。再與其它的氨基酸通過肽鍵連接在一起，形成肽鏈。以上過程叫做翻譯，在細胞質中完成。

雖然人們已經破譯了決定生命基礎的蛋白質的氨基酸合成密碼，也知道了是DNA攜帶著這種密碼，但是，根據細胞學所掌握的事實：所有DNA都呆在細胞核內，而蛋白質卻存在於細胞質中，像DNA這樣的大分子是無法隨意進入細胞質的。然而密碼總是會被帶入細胞質的，這一來，人們不禁要問，是誰把鎖在細胞核內的DNA手裡的密碼帶入了細胞質的呢？科學家們從DNA那裡拷貝了一份密碼文件，並帶入了細胞質中。經過試驗和觀察，發現這個信使就是RNA——核糖核酸。

發現

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儲存在DNA分子中的這種遺傳信息能在複製中產生更多的拷貝，並翻譯成蛋白質。DNA的功能構成了信息的流動，遺傳信息如何轉變成蛋白質呢？轉錄就是其中的重要的一環。基因表達時以DNA的一條鏈為模板合成RNA，這一過程就是轉錄（transcription）。催化合成RNA的酶叫做RNA聚合酶（RNA polymerase）。RNA和DNA結構相似，所不同之處在於：⑴RNA一般以單鏈形式存在；⑵RNA中的核糖其C′-2不脫氧；⑶尿苷（U）取代了DNA中的胸苷。細胞中的RNA分成三種：mRNA（信使RNA），tRNA（轉運RNA）和rRNA（核糖體RNA）。它們的功能各不相同。mRNA是合成蛋白質的模板，tRNA是轉運特異氨基酸的運載工具，rRNA是合成蛋白質的裝置。mRNA的鹼基序列，決定著蛋白質裝配時氨基酸的序列。

1955年Brachet用洋蔥根尖和變形蟲進行了實驗；若加入RNA酶降解細胞中的RNA，則蛋白質合成就停止，若再加入從酵母中提取的RNA，則又可以重新合成一些蛋白質，這就表明，蛋白質的合成是依賴於RNA。

同年Goldstein和Plaut用同位素標記變形蟲（Amoeba proteus）RNA前體，發現標記的RNA都在核內，表明RNA是在核內合成的。在標記追蹤（pulse-chase）實驗中，用短脈衝標記RNA前體，然後將細胞核轉移到未標記的變形蟲中。經過一段時間發現被標記的RNA分子已在細胞質中，這就表明RNA在核中合成，然後轉移到細胞質內，而蛋白質就在細胞質中合成，因此RNA就成為在DNA和蛋白質之間傳遞信息的信使的最佳候選者。

1956年Elliot Volkin和 Lawrence Astrachan作了一項很有意思的觀察：當E.coli被T2感染，迅速停止了RNA的合成，但噬菌的RNA卻開始迅速合成。用同位素脈衝一追蹤標記表明噬菌的RNA在很短的時間內就進行合成，但很快又消失了，表明RNA的半衰期是很短的。由於這種新合成的RNA的鹼基比和T2的DNA鹼基比相似，而和細菌的鹼基比不同，所以可以確定新合成的RNA是T2的RNA。由於T2感染細菌時注入的是DNA，而在細胞里合成的是RNA，可見DNA是合成RNA的模板。最令人信服的證據來自DNA-RNA的雜交實驗。Hall.B.D和Spiegeman,S，將T2噬菌體感染E.coli後立即產生的RNA分離出來，分別與T2和E.coli的DNA進行分子雜交，結果發現這種RNA只能和T2的DNA雜交形成「雜種」鏈，而不能和E.coli的DNA進行雜交。表明T2產生的這種RNA（即mRNA）至少和T2的DNA中的一條鏈是互補的。

Brenner,s. Jacob,F.和Meselson(1961）進行了一系列的的實驗（圖12-2），他們將E.coli培養在15N/13C的培養基中，因此合成的RNA和蛋白都被「重」同位素所標記。也就是說凡是「重」的核糖體，RNA和蛋白都是細菌的，然後用T2感染E.coli，細菌的RNA停止合成，而開始合成T2的RNA此時用普通的「輕」培養基（14N/12C），但分別以32P來標記新合成的T2 RNA，以35S標記新合成的T2蛋白，因此任何重新合成的核糖體，RNA，及蛋白都是「輕」的但帶但有放射性同位素。經培養一段時間後破碎細胞，加入過量的輕的核糖體作對照，進行密度梯度離心，結果「輕」的核糖體上不具有放射性，「重」的核糖體上具有32P和35S，表明⑴T2未合成核糖體，「輕」核糖體卻是後加放的。⑵T2翻譯時是借用了細菌原來合成的核糖體，所以核糖體並無特異性，核糖體上結合的mRNA，其序列的特異性才是指導合成蛋白質的遺傳信息，從而提出了mRNA作為「信使」的證據。因此他們將這種能把遺傳信息從DNA傳遞到蛋白質上的物質稱為「信使」。他們預言⑴這種「信使」應是一個多核苷酸；⑵②其平均分子量不小於5´105（假定密碼比是3），足以攜帶一個基因的遺傳信息；⑶它們至少是暫時連在核糖體上；⑷其鹼基組成反映了DNA的序列；⑸它們能高速更新。Volkin和Astrachan發現高速更新的RNA似乎完全符合以上條件。Jacob和Monod將它定名為信使RNA（Messenger RNA）或mRNA。

合成與加工

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第一節 DNA轉錄生成RNA

一、定義

一轉錄單位

二啟動子（promoter）

三終止子（terminator）

二、RNA聚合酶

一酶的特性：以4種NTP為底物，需模板和鎂離子，合成方向也是5

以DNA為模板形成信使RNA的過程

』－3』，但不需要引物。

二酶的分類：

1．噬菌體的RNA聚合酶結構簡單，是單鏈蛋白，功能也簡單。

2．細菌則具有複雜的多亞基結構（450Kd），可識別並轉錄超過1000個轉錄單位。

3．真核生物的酶有多種，根據a－鵝膏蕈鹼（環狀8肽，阻斷RNA延伸）的抑制作用可分為三類：聚合酶A對它不敏感，分布於核仁，轉錄核糖體RNA；聚合酶B對低濃度敏感，存在於核質，轉錄信使RNA；聚合酶C位於核質，對高濃度敏感，轉錄小分子量RNA，如轉運RNA、5SRNA等。各種RNA聚合酶都是由10-15種不同亞基組成的多亞基複合物。

4． 線粒體和葉綠體也有RNA聚合酶，結構簡單，能合成所有種類RNA。

三酶的構成：大腸桿菌的全酶有5個亞基（α2ββ』ωσ），含2個鋅。β催化形成磷酸二酯鍵，β』結合模板，σ亞基稱為起始因子，可使RNA聚合酶穩定地結合到啟動子上。ββ』ωσ稱為核心酶。σ亞基在不同菌種間變動較大，而核心酶比較恆定。酶與不同啟動子的結合能力不同，不同啟動因子可識別不同的啟動子。σ70識別啟動子共有序列，σ32識別熱休克基因，σ60在氮飢餓時起作用。σ通過隨機移動起作用，不需解鏈。

四模板：以完整雙鏈DNA為模板，其中僅一條鏈可轉錄。轉錄時局部解鏈，轉錄後DNA重新形成雙螺旋結構，所以DNA是全保留的。

三、轉錄過程

分為起始、延長和終止三個階段。起始包括對雙鏈DNA特定部位的識別、局部（17bp）解鏈以及在最初兩個核苷酸間形成磷酸二酯鍵。第一個核苷酸摻入的位置稱為轉錄起點。

起始後起始因子離開，核心酶構象改變，沿模板移動，轉錄生成雜交雙鏈（12bp）。隨後DNA互補鏈取代RNA鏈，恢復DNA雙螺旋結構。延伸速度為50nt/s，酶移動17nm。錯誤幾率為10-5。

聚合酶到達終點時，在終止輔助因子的幫助下停止反應，酶和RNA鏈脫落，轉錄結束。

四、啟動子和轉錄因子

一定義：酶識別、結合、開始轉錄的一段DNA序列。強啟動子2秒鐘啟動一次轉錄，弱啟動子10分鐘一次。

二原核生物：大腸桿菌在起點上游約－10鹼基對處有保守序列TATAAT，稱為pribnow box，有助於局部解鏈。在其上游還有TTGACA，稱為－35序列，提供RNA聚合酶識別的信號。

三真核生物：複雜，差異較大。

1．信使RNA的啟動子通常有三個保守區，－25到－30有TATA框，是解鏈位置，並決定轉錄起點；－75位置有CAAT框，與RNA聚合酶的結合有關；更上游還有GC框，某些轉錄因子可結合。後兩個稱為上游因子，對轉錄起始頻率有較大影響；

2． 小RNA的啟動子在轉錄區內部，有一些輔助因子幫助RNA聚合酶識別。

五、終止子和終止因子

一定義

二所有原核生物的終止子在終點之前都有一個迴文結構，可使酶減慢移動或暫停合成。大腸桿菌有兩類終止子：

1． 簡單終止子，迴文區有一段富含GC對的序列，迴文後有寡聚尿苷。

2．依賴ρ的終止子，必須在有ρ因子時才能發揮作用，不含GC對，也無寡聚尿苷。ρ因子是蛋白質，可與酶作用，釋放RNA，並使酶脫離。

三某些因子可使酶越過終止子繼續轉錄，稱為通讀。常見於某些噬菌體的時序控制，早期基因與晚期基因以終止子相隔，早期基因產生抗終止因子，使發生通讀以表達晚期基因。

六、轉錄的調控

一遺傳信息的表達有時序調控和適應調控，轉錄水平的調控是關鍵環節，因為這是表達的第一步。轉錄調控主要發生在起始和終止階段。

二操縱子是細菌基因表達和調控的單位，有正調節和負調節因子。阻遏蛋白的作用屬於負調控。環腺苷酸通過其受體蛋白（CRP）促進轉錄，可促進許多誘導酶的合成。操縱子可構成綜合性調控網路，如SOS反應等。對終止子也有調控作用，如衰減子。

三真核生物不組成操縱子，而是通過激素、生長因子等進行調控。某些DNA序列對轉錄起增強作用，稱為增強子。

第二節 轉錄後加工

一、原核生物

一核糖體RNA：大腸桿菌共有7個核糖體RNA的轉錄單位，每個轉錄單位由16S、23S、5SRNA和若干轉運RNA基因組成。16S和23S之間常由轉運RNA隔開。轉錄產物在RNA酶III的作用下裂解產生核糖體RNA的前體P16和P23，再由相應成熟酶加工切除附加序列。前體加工時還進行甲基化，產生修飾成分，特別是a-甲基核苷。N4,2』-O二甲基胞苷（m4Cm）是16S核糖體RNA特有成分。5S核糖體RNA一般無修飾成分。

二轉運RNA：有60個基因，其加工包括：

1．內切酶在兩端切斷，大腸桿菌RNA酶P是5』成熟酶；

2.外切酶從3』修剪，除去附加順序。RNA酶D是3』成熟酶；

3．3』端加上CCAOH，由轉運RNA核苷醯轉移酶催化，某些轉運RNA已有，切除附加序列後即露出；

4．核苷的修飾：修飾成分包括甲基化鹼基和假尿苷，修飾酶具有高度特異性。甲基化對鹼基和序列都有嚴格要求，一般以S-腺苷甲硫氨酸為甲基供體。

三信使RNA：細菌多數不用加工，轉錄與翻譯是偶聯的。也有少數多順反子信使RNA必須由內切酶切成較小的單位，然後翻譯。如核糖體大亞基蛋白與RNA聚合酶的b亞基基因組成混合操縱子，轉錄後需經RNA酶III切開，各自翻譯。因為RNA聚合酶的合成水平低得多，切開有利於各自的翻譯調控。較長的RNA會產生高級結構，不利於翻譯，切開可改變其結構，從而影響其功能。

二、真核生物

一核糖體RNA：基因拷貝數多，在幾十到幾千之間。基因成簇排列在一起，由RNA聚合酶I轉錄生成一個較長的前體，哺乳動物為45S。核仁是rRNA合成與核糖體亞基生物合成的場所。[2] RNA酶III等核酸內切酶在加工中起重要作用。5SRNA基因也是成簇排列的，由RNA聚合酶III轉錄，經加工參與構成大亞基。核糖體RNA可被甲基化，主要在核苷2』羥基，比原核生物甲基化程度高。多數核糖體RNA沒有內含子，有些有內含子但不轉錄。

二轉運RNA：由RNA聚合酶III轉錄，加工與原核相似，但3』端的CCA都是後加的，還有2』-O-甲基核糖。

三信使RNA：真核生物編碼蛋白質的基因以單個基因為轉錄單位，但有內含子，需切除。信使RNA的原初轉錄產物是分子量很大的前體，在核內加工時形成大小不等的中間物，稱為核內不均一RNA(hnRNA）。其加工過程包括：

1．5』端加帽子：在轉錄的早期或轉錄終止前已經形成。首先從5』端脫去一個磷酸，再與GTP生成5』，5』三磷酸相連的鍵，最後以S-腺苷甲硫氨酸進行甲基化，形成帽子結構。帽子結構有多種，起識別和穩定作用。

2． 3』端加尾：在核內完成。先由RNA酶III在3』端切斷，再由多聚腺苷酸聚合酶加尾。尾與通過核膜有關，還可防止核酸外切酶降解。

3． 內部甲基化：主要是6-甲基腺嘌呤，在hnRNA中已經存在。可能對前體的加工起識別作用。

三、RNA的拼接

一轉運RNA的拼接：由酶催化，酶識別共同的二級結構，而不是序列。通常內含子插入到靠近反密碼子處，與反密碼子配對，取代反密碼子環。第一步由內切酶切除插入序列，不需ATP；第二步由RNA連接酶連接，需要ATP。

二四膜蟲核糖體RNA的拼接：某些四膜蟲26S核糖體RNA基因中有一個內含子，其拼接只需一價和二價陽離子及鳥苷酸或鳥苷存在即可自發進行。其實質是磷酸酯的轉移反應，鳥苷酸起輔助因子的作用，提供遊離3』羥基。

三信使RNA：真核生物編碼蛋白質的核基因的內含子屬於第二類內含子，左端為GT，右端為AG。先在左端切開，產生的5』末端與3』端上游形成5』，2』-磷酸二酯鍵，構成套索結構。然後內含子右端切開，兩個外顯子連接起來。通過不同的拼接方式，可形成不同的信使RNA。

第三節 RNA的複製

一、噬菌體QbRNA的複製

其RNA是單鏈，正鏈，侵入大腸桿菌後立即翻譯，產生複製酶的b亞基，與宿主的三個亞基（α為核糖體蛋白，γ、δ均為肽鏈延長因子）構成複製酶，進行複製。先以正鏈為模板合成負鏈，再根據負鏈合成正鏈。合成負鏈時需要宿主的兩個蛋白因子，合成正鏈則不需要，所以可大量合成。病毒的蛋白質合成受RNA高級結構的調控。

二、病毒RNA複製的主要方式

一病毒含正鏈RNA，先合成複製酶，複製後合成其他蛋白質進行裝配。如噬菌體Qb及灰質炎病毒。

二病毒含負鏈和複製酶，先合成正鏈，再合成病毒蛋白和複製病毒RNA。如狂犬病毒。

三病毒含雙鏈RNA和複製酶，如呼腸孤病毒。先複製正鏈，再翻譯成病毒蛋白，最後合成負鏈，形成雙鏈RNA分子。

四致癌RNA病毒：如白血病病毒和肉瘤病毒，先逆轉錄生成DNA前病

核糖體：多肽合成場所，能與信使RNA結合

毒，再轉錄、翻譯。

第四節 RNA生物合成的抑製劑

一、鹼基類似物

有些人工合成的鹼基類似物能干擾和抑制核酸的合成。作用方式有以下兩類：

一作為代謝拮抗物，直接抑制核苷酸生物合成有關酶類。如6-巰基嘌呤進入體內後可轉變為巰基嘌呤核苷酸，抑制嘌呤核苷酸的合成。可作為抗癌藥物，治療急性白血病等。此類物質一般需轉變為相應的核苷酸才能表現出抑制作用。

二進入核酸分子，形成異常RNA或DNA，影響核酸的功能並導致突變。5-氟尿嘧啶類似尿嘧啶，可進入RNA，與腺嘌呤配對或異構成烯醇式與鳥嘌呤配對，使A-T對轉變為G-C對。因為正常細胞可將其分解，而癌細胞不能，所以可選擇性抑制癌細胞生長。

二、DNA模板功能抑制物

一烷化劑：帶有活性烷基，能使DNA烷基化。鳥嘌呤烷化後易脫落，雙功能烷化劑可造成雙鏈交聯，磷酸基烷化可導致DNA鏈斷裂。通常有較大毒性，引起突變或致癌。

二放線菌素類：可與DNA形成非共價複合物，抑制其模板功能。包括一些抗癌抗生素。

三嵌入染料：含有扁平芳香族發色團，可插入雙鏈DNA相鄰鹼基對之間。常含丫啶或菲啶環，與鹼基大小類似，可在複製時增加一個核苷酸，導致移碼突變。如溴乙啶。

三、RNA聚合酶抑製劑

一利福黴素：抑制細菌RNA聚合酶活性。

二利鏈菌素：與細菌RNA聚合酶b亞基結合，抑制RNA鏈的延長。

a-鵝膏蕈鹼：抑制真核生物RNA聚合酶。

結構與功能

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從 (DNA）轉錄合成的帶有遺傳信息的一類單鏈（RNA），他作為蛋白質合成的模板，決定了核糖體合成肽鏈的種類。1961年F.雅各布和根據大腸桿菌誘導酶生成的實驗結果提出：信息從DNA到蛋白質之間的轉移，必需有一種RNA起傳遞作用，由此提出了信使核糖核酸的名稱。

生物體內的每種多肽鏈都由特定的mRNA編碼，所以細胞內mRNA的種類很多，但通常每種mRNA的拷貝數極少（1～10個）。根據信息密碼學說，3個連續的核苷酸可以編碼一個氨基酸，因此從已知mRNA（或DNA）核苷酸順序可以準確推導出蛋白質的一級結構。

存在範圍和性質

mRNA存在於原核和真核生物的細胞質及真核細胞的某些細胞器（如和）中。RNA病毒和RNA噬菌體中的 RNA既是遺傳信息的載體又具有mRNA的功能。生物體mRNA種類的多少與生物進化水平有關，高等生物所含的遺傳信息多，mRNA的種類也多。生物體內某種mRNA的含量根據需要而有不同，如5齡蠶後部絲腺體的主要任務是快速合成大量絲心蛋白，因而編碼絲心蛋白的mRNA含量特別多。有些細菌需要不斷適應外部環境，其體內編碼某些誘導酶的mRNA的含量也較多。

原核和真核生物mRNA不同的特點

①原核生物mRNA常以多順反子（見）的形式存在，即一條mRNA鏈編碼幾種功能相關聯的蛋白質。真核生物mRNA一般以單順反子的形式存在，即一種mRNA只編碼一種蛋白質。②原核生物mRNA的轉錄與翻譯一般是偶聯的，即轉錄尚未完畢，蛋白質的轉譯合成就已開始 真核生物轉錄的mRNA前體則需經後加工，加工為成熟的mRNA與蛋白質結合生成信息體後才開始工作 信息體中蛋白質與RNA之比約為3。③原核生物mRNA半壽期很短，一般為幾分鐘，最長只有數小時（RNA噬菌體中的RNA除外）。真核生物mRNA的半壽期較長，如胚胎中的mRNA可達數日。④原核與真核生物mRNA的結構特點也不同。

一級結構與功能的關係

原核生物mRNA一般5端有一段不翻譯區，稱前導順序，3端有一段不翻譯區，中間是蛋白質的編碼區，一般編碼幾種蛋白質。如大腸桿菌乳糖操縱子mRNA編碼3條多肽鏈；色氨酸操縱子mRNA編碼5條多肽鏈。也有單順反子形式的細菌mRNA，如大腸桿菌脂蛋白mRNA。原核生物mRNA分子中一般沒有修飾核苷酸，也沒有5端帽子結構和3端聚腺苷酸尾巴。在原核生物mRNA的起始密碼子（AUG）附近（5方向上游）的一小段長短不等的順序，含有較多的嘌呤核苷酸，被稱為SD順序。它能和核糖體小亞基上的16SrRNA的3端富含嘧啶核苷酸的區域配對結合，有助於帶有甲醯甲硫氨酸的起始tRNA識別mRNA上的起始密碼（AUG），使肽鏈合成從此開始。這段順序是1974年由J.夏因和L.達爾加諾發現的，所以稱為SD順序，也稱核糖體結合部位。原核生物mRNA的編碼區一般編碼幾種功能上相關聯的蛋白質，兩種蛋白質的編碼區之間常有一小段不翻譯的順序，叫做間隔區。有的噬菌體RNA中2個相鄰的順反子共用一段相同的編碼順序，例如，M 噬菌體RNA中的溶菌蛋白編碼區共225個核苷酸中有189個核苷酸是由相鄰兩個蛋白質共用的。原核mRNA與真核mRNA一樣使用同一套三聯體密碼子（真核生物線粒體mRNA有例外）。原核生物合成氨基酸的操縱子mRNA的5 端前導順序上有一段順序稱作弱化子。弱化子具有兩種可以互變的構象，其中一種構象是轉錄終止的信號，能使轉錄中止（或衰減）。衰減調節是原核生物合成氨基酸的調控方式之一（見）。

真核生物 mRNA（細胞質中的）一般由5端帽子結構、5端不翻譯區、翻譯區（編碼區）、3端不翻譯區和3端聚腺苷酸尾巴構成（圖1a[真核生物mRNA結構示意圖　a一級結構示意圖]）。分子中除 G構成帽子外，常含有其他修飾核苷酸，如 A等。5端帽子結構通常有3種類型，即：G(5）ppp(5)N； G(5)ppp(5) N和 G(5)ppp(5） N。圖1b[真核生物mRNA結構示意圖b 5端帽子結構式，，表示鹼基]，表示鹼基" class=image>[] 是帽子的化學結構，N右邊的m代表核糖2位羥基的甲基化。真核細胞線粒體中的mRNA無帽子結構。一般認為帽子的功能與翻譯的啟動有關。許多真核生物 mRNA（如珠蛋白mRNA）除去帽子後翻譯效率大大降低。5端不翻譯區，也叫前導順序。不同的真核mRNA的前導順序長度不同，有的只有10個核苷酸，有的則有200個核苷酸。與原核mRNA相似，真核mRNA5端不翻譯區中常有一段順序與核糖體小亞基上的18SrRNA的3端的一段順序互補並結合，這種結合與真核mRNA的翻譯啟動有關。

翻譯區（編碼區）使用的密碼子除線粒體（如人、牛和酵母線粒體）外與原核生物mRNA是一樣的。真核生物mRNA的起始密碼子都是AUG。真核和原核生物mRNA使用的密碼子也都有「簡併現象」，即幾種不同的密碼子翻譯出同一種氨基酸，但不同的mRNA中簡併密碼子的利用率是不同的，真核與原核生物之間的差別就更大。mRNA的終止密碼子有3個（UAG、UGA和UAA），其功能是停止翻譯，一般只用一個終止密碼子就能使翻譯停止。有的mRNA有2個連續的終止密碼子（見）。3端不翻譯區的長短在不同的mRNA上有所不同，β珠蛋白mRNA只有39個核苷酸，而卵白蛋白mRNA則有637個核苷酸。真核生物mRNA3端不翻譯區常有 AAUAA(A）或AUUUA(A）等順序，它們和識別多聚A聚合酶及裝配多聚A尾巴有關。除個別組蛋白mRNA外，真核生物mRNA3端均有多聚A尾巴 3端多聚A尾巴的長度隨來源不同而不同，且隨mRNA的老化而變短，通常有20～200個A。多聚A與mRNA穩定性及mRNA從細胞核轉到細胞漿中有關。

真核生物mRNA的前體　真核生物mRNA通常都有相應的前體。從DNA轉錄產生的原始轉錄產物可稱作原始前體（或mRNA前體）。一般認為原始前體要經過hnRNA核不均-RNA的階段，最終才被加工為成熟的 mRNA。hnRNA上的蛋白質編碼區被一些居間順序分隔成若干段；不同的基因轉錄產物所含的居間順序的數目不同，人胰島素只有兩個，而牛眼的晶體蛋白則含有數十個；居間順序的長短也各不相同，從數十個到上千個核苷酸（雞卵白蛋白有一個1550個核苷酸的居間順序）。居間順序將在剪接過程中去除。約有10～40%的hnRNA含有3′端多聚A尾巴。hnRNA經過進一步加工切除居間順序並把分隔的蛋白質編碼區連接起來，最終成為成熟的mRNA。

二級結構與功能的關係

通常mRNA（單鏈）分子自身回折產生許多雙鏈結構（圖2 [噬菌體M RNA中成熟蛋白] RNA中成熟蛋白" class=image>[編碼區的二級結構及外殼蛋白的起始密碼子 AUG的位置]）。原核生物，例如M 噬菌體RNA外殼蛋白編碼區，經計算有66.4%的核苷酸以雙鏈結構的形式存在。M RNA能翻譯4種蛋白質，但效率各不相同。在通常條件下翻譯外殼蛋白（其編碼區在成熟蛋白的下游）的效率高於成熟蛋白的效率

DNA表達的信息需轉給一種「信使RNA」

。但用甲醛處理M RNA破壞二級結構後，則翻譯成熟蛋白的效率提高。圖2[噬菌體M RNA中成熟蛋] RNA中成熟蛋" class=image>[白編碼區的二級結構及外殼蛋白的起始密碼子 AUG的位置] 中外殼蛋白的起始密碼子 AUG(1335～1337）通常處於環（Loop）的頂端，暴露在外面，因而易於與翻譯的啟動因子結合而進行翻譯。成熟蛋白的編碼區儘管處在外殼蛋白的前面，但其起始密碼子GUG(130～132）卻埋在二級結構之中，故翻譯效率低，只有將二級結構鬆開（如甲醛處理）之後才能被翻譯。可見mRNA分子的二級結構對翻譯蛋白質的效率有很大影響。

真核生物mRNA也具有豐富的二級結構，如鴨珠蛋白mRNA和兔珠蛋白mRNA分別有45～60%和55～62%的核苷酸殘基處在鹼基配對之中。在真核生物蛋白質啟動複合物中，40S核糖體實際上覆蓋著mRNA上包括帽子結構在內的50～54個核苷酸，但是40S核糖體的大小比50個核苷酸的長度小得多 由於形成的髮夾結構（二級結構使帽子與起始密碼子之間的空間距離縮短）（圖3[真核生物mRNA ]），造成40S核糖體能夠覆蓋包括帽子結構和起始密碼子 AUG在內的50多個核苷酸，從而啟動蛋白質合成。不同的mRNA中髮夾結構的有無或多少各不相同。在蛋白質合成肽鏈繼續延伸時，不需要帽子結構參加，此時核糖體覆蓋的mRNA的區域約為25～35個核苷酸，mRNA的構象已不同於啟動階段而是處於一種伸展的狀態，從而有利於轉譯的延續。可見，摺疊起來的mRNA二級結構有利於蛋白質合成的啟動，以後mRNA處於伸展的狀態則有利於轉譯的繼續。

信使RNA與密碼子

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簡介

遺傳信息從DNA分子抄錄到RNA分子中的過程稱為轉錄（transcription）。在真核生物中，最初轉錄生成的RNA稱為核不均一RNA（heterogeneous nuclear RNA，hnRNA），然而在細胞漿中起作用，作為蛋白質的氨基酸序列合成模板的是mRNA（messenger RNA）。hnRNA是mRNA的未成熟前體。兩者之間的差別主要有兩點：一是hnRNA核苷酸鏈中的一些片段將不出現於相應的mRNA中，這些片段稱為內含子（intron），而那些保留於mRNA中的片段稱為外顯子（exon）。也就是說，hnRNA在轉變為mRNA的過程中經過剪接，被去掉了一些片段，餘下的片段被重新連接在一起；二是mRNA的5′末端被加上一個m7pGppp帽子，在mRNA3′末端多了一個多聚腺苷酸（polyA）尾巴。mRNA從5′末端到3′末端的結構依次是5′帽子結構，5′末端非編碼區，決定多肽氨基酸序列的編碼區，3′末端非編碼區，和多聚腺苷酸尾巴。多聚腺苷酸尾一般由數十個至一百幾十個腺苷酸連接而成。隨著mRNA存在時間的延續，這段聚A尾巴慢慢變短。因此，目前認為這種3′末端結構可能與增加轉錄活性以及使mRNA趨於相對穩定有關。原核生物的mRNA沒有這種首、尾結構。

1961年，Jacob和Monod首先提出了mRNA的概念。在真核細胞中，由於蛋白質是在胞漿中而不是在核內合成，因此顯然要求有一個中間物將DNA上的遺傳信息傳遞至胞漿中。後來的研究證實，這種中間物即信使RNA.?mRNA的核苷酸序列與DNA序列相應，決定著合成蛋白質的氨基酸序列。它如何指導氨基酸以正確的順序連接起來呢？不同的mRNA鹼基組成和排列順序都不同，但都只有A，G，C，U4種鹼基。如果一個鹼基就可以決定一個氨基酸，則只有四種變化方式，如果兩個鹼基決定一個氨基酸，則只有16種變化方式，都不能滿足20種氨基酸的需要。1961年Crick和Brenner的實驗得出了三個核苷酸編碼一個氨基酸的結論，並將這種三位一體的核苷酸編碼稱做遺傳密碼（genetic code）或三聯體密碼，這樣就可以有64種不同的密碼，但此情況下必須假定有一些氨基酸使用兩個以上的密碼。這一假定很快就被證明是對的。遺傳密碼具有下列特徵：

1．三個核苷酸組成一個密碼子，每個密碼子由三個前後相聯的核苷酸組成，一個密碼子只為一種氨基酸編碼。共有64個密碼子；

2．密碼子之間不重疊使用核苷酸，也無核苷酸間隔；

3．一種氨基酸可有多個密碼子，這個特點稱為密碼子的簡併性；

4．密碼子的通用性，所有生物從最低等的病毒直至人類，蛋白質合成都使用同一套密碼子表（表15-8），僅有極少的例外，如特殊細胞器線粒體，葉綠體所用的密碼稍有不同。

通用遺傳密碼及相應的氨基酸

第一個核苷酸5′　 第二個核苷酸　 第三個核苷酸3′

U　 C　 A　 G

U　 苯丙氨酸 絲氨酸 酪氨酸 半胱氨酸　 U

苯丙氨酸　 絲氨酸　 酪氨酸　 半胱氨酸　 C

亮氨酸　 絲氨酸　 終止碼　 終止碼　 A

亮氨酸　 絲氨酸　 終止碼　 色氨酸　 G

C　 亮氨酸　 脯氨酸 組氨酸 精氨酸　 U

亮氨酸　 脯氨酸　 組氨酸　 精氨酸　 C

亮氨酸　 脯氨酸　 谷氨醯胺　 精氨酸　 A

亮氨酸　 脯氨酸　 谷氨醯胺　 精氨酸　 G

A　 異亮氨酸 蘇氨酸　天冬醯胺　 絲氨酸　 U

異亮氨酸　 蘇氨酸　天冬醯胺　 絲氨酸　 C

異亮氨酸　 蘇氨酸　 賴氨酸　 精氨酸　 A

蛋氨酸　 蘇氨酸　 賴氨酸　 精氨酸　 G

G　 纈氨酸 丙氨酸　 天冬氨酸　 甘氨酸　 U

纈氨酸　 丙氨酸　 天冬氨酸　 甘氨酸　 C

纈氨酸　 丙氨酸　 谷氨酸　 甘氨酸　 A

纈氨酸　 丙氨酸　 谷氨酸　 甘氨酸　 G

通用遺傳密碼與線粒體遺傳密碼之間的一些差異

密碼子　通用編碼　 線粒體編碼

哺乳動物　 果蠅　 酵母菌　 植物

UGA　 終止碼　 色氨酸　 色氨酸　 色氨酸　 終止碼

AUA　 異亮氨酸　 蛋氨酸　 蛋氨酸　 蛋氨酸　 異亮氨酸

CUA　 亮氨酸　 亮氨酸　 亮氨酸　 蘇氨酸　 亮氨酸

AGA　 精氨酸　 終止碼　 絲氨酸　 精氨酸　 精氨酸

註：下標橫線者為與通用編碼不同的編碼

究竟哪一個密碼子為哪一種氨基酸編碼，即密碼子與氨基酸之間的對應關係已在60年代研究解決了。1964年Nirenberg用一種RNA聚合酶體外合成了多聚尿苷酸、多聚腺苷酸等多聚核苷酸，將這些多聚核苷酸分別用於蛋白質的體外合成。發現，當所用的多聚核苷酸為多聚尿苷酸時，只有多聚苯丙氨酸合成，這意味著UUU為苯丙氨酸編碼；用其它多聚核苷酸進行相應的實驗後發現，CCC為脯氨酸編碼，而AAA為賴氨酸編碼；其後，有人又用核苷酸比例為已知，但是核苷酸序列隨機的多聚核苷酸，以及用已知序列的含兩種或兩種以上核苷酸的多聚核苷酸進行相應的實驗，將結果加以數理統計處理，又解讀了一批密碼子，其中包括三個終止碼，最後，還有一些密碼子是通過合成已知序列的三聚核苷酸與核蛋白體和載有放射性同位素標記的氨基酸的tRNA共沉澱原理予以解讀的。在所有密碼子中，AUG不僅為蛋氨酸編碼，而且又是翻譯（translation，以mRNA上的遺傳信息指導核蛋白體上多肽鏈合成的過程）的起始信號，UAA、UAG和UGA不為任何氨基酸編碼，而是作為翻譯的終止信號，統稱為終止碼（stop codon），又常被叫作無意義碼（nonsense codon）。

大多數氨基酸是由一個以上的密碼子所編碼。這個事實提出了一個問題：編碼同一種氨基酸的一組密碼子的使用頻率是否都相同？細緻的分析表明，無論是原核生物，還是高等真核生物，密碼子的使用頻率並不是平均的，有些密碼子的使用率很高，有些則幾乎不使用，其使用頻率主要與細胞內tRNA含量呈正相關。

信使RNA與遺傳信息的傳遞

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簡介

轉錄是在原核和真核細胞中以DNA為模板合成RNA的過程。

在原核和真核生物中，轉錄過程是相似的。包括DNA變性，RNA聚合酶結合在單鏈DNA上以5′→3′方向合成RNA分子。雙鏈中只有一條鏈作為轉錄模板，合成單鏈RNA分子。啟動子和終止子序列決定轉錄的起始和終止。

在E.coli中RNA多聚酶轉錄各種RNA（mRNA，tRNA和rRNA）。在真核細胞中有三類不同的RNA多聚酶，它們的功能不同。RNA pol Ⅰ轉錄4種rRNA中的3種；RNA pol Ⅱ轉錄mRNA和一些snRNA；RNAⅢ轉錄第四種rRNA，tRNA以及其餘的snRNA。

3種真核生物的RNA pol，不像E.coli RNA pol，沒有一個直接地和啟動子區結合，而是通過轉錄起始因子的介導來起始RNA的合成。對於每一種RNA多聚酶來說，轉錄因子是特異的，它可以識別啟動子的特殊序列。

蛋白質編碼基因的啟動子位於轉錄起始位點的上游，由不同組合的啟動原件所構成。特異的轉錄因子和調節因子結合在這些原件上，促進RNA pol Ⅱ轉錄起始。增強子離啟動子較遠，它可被調節因子識別結合，具有促進基因轉錄的功能。

由RNA pol Ⅲ轉錄的啟動子，位於下游，在其基因編碼序列內部。這種啟動子，根據所轉錄的RNA的種類，由不同的功能區組合而構成。轉錄因子識別這些功能區，促進RNA聚合酶轉錄起始。

18S，5.8S和28S rRNA作為一個轉錄單位一道轉錄，產生前體RNA分子。大部分真核生物的18S，5-8S和28S rRNA都是以串聯重複排列，每個重複單位被不轉錄的間隔序列（nontranscribed specer,NTs）所分隔。轉錄單位的啟動子位於NTS中，其功能是和特異的轉錄因子相結合，促進RNA pol Ⅰ的轉錄起始。

中心法則的提出

從孟德爾定律問世以後，人們就知道了生物的各種性狀是由基因控制的。一基因一酶學說的建立進一步地明確了基因是以酶的形式通過控制生化反應鏈來控制的。酶或蛋白和基因又是什麼樣的關係呢？也就是說遺傳信息怎樣傳遞，怎樣表達成性狀呢？就在Watson和Crick建立DNA雙螺旋模型後的第三年，1957年Crick提出了中心法測（central dogma），指出了遺傳信息的傳遞方向：

DNA → RNA→蛋白質

1970年H.Temin和D.Baltimore發現了反轉錄酶後，Crick對中心法測又作了部分修改：

DNA RNA →蛋白質

也就是說由DNA通過轉錄將遺傳信息傳遞給RNA，RNA通過翻譯把信息傳遞給蛋白。通過這種單向的傳遞，遺傳信息通過蛋白質的不同形式，如酶，結構蛋白，運載蛋白，調節蛋白等表達成一種性狀。

信使RNA與轉錄RNA的區別

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區分mRNA和tRNA，可以從結構和功能這兩個方面去把握。

結構

mRNA的一級結構，tRNA的二級、三級結構是經常考察的內容，需要仔細區分。

⑴真核生物的mRNA的5 端有帽子結構，3 端為多聚腺苷酸（poly(A））尾巴。

⑵tRNA的二級結構呈三葉草形。三葉草形結構由氨基酸臂、二氫尿嘧啶環、反密碼環、額外環和TφC環等5個部分組成。其中，氨基酸臂末端為CCA；反密碼環中部為反密碼子，由3個鹼基組成。反密碼子可識別mRNA的密碼子。

⑶tRNA摺疊形成三級結構。tRNA的三級結構呈倒L形，反密碼環和氨基酸臂分別位於倒L的兩端。

功能

⑴mRNA是合成蛋白質的直接模板。每一種多肽鏈都有一種特定的mRNA做模板，因此細胞內mRNA的種類也是很多的。它將DNA上的遺傳信息轉錄下來，攜帶到核糖體上，在那裡以密碼的方式控制蛋白質分子中氨基酸的排列順序，作為蛋白質合成的直接模板。

⑵tRNA的功能是轉運氨基酸。在蛋白質合成過程中，tRNA與合成蛋白質所需的單體——氨基酸形成複合物，將氨基酸轉運到核糖體中mRNA的特定位置上。

mRNA與反轉錄

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簡介

定義：以反義RNA為模版，通過反轉錄酶，進行的RNA轉錄

1．概念

信使RNA

反轉錄是以RNA為模板合成DNA的過程，也稱逆轉錄。這是DNA生物合成的一種特殊方式。

2．反轉錄酶與反轉錄過程

反轉錄過程由反轉錄酶催化，該酶也稱依賴RNA的DNA聚合酶（RDDP），即以RNA為模板催化DNA鏈的合成。合成的DNA鏈稱為與RNA互補DNA（cDNA）。反轉錄酶存在於一些RNA病毒中，可能與病毒的惡性轉化有關。人類免疫缺陷病毒（HIV）也是一種RNA病毒，含有反轉錄酶。在小鼠及人的正常細胞和胚胎細胞中也有反轉錄酶，推測可能與細胞分化和胚胎髮育有關。

反轉錄的簡要過程表示如下：

生物學意義

反轉錄的發現有重要的理論意義和實踐意義。

1．對分子生物學的中心法則進行了修正和補充，修正後的中心法則表示為：

2．在致癌病毒的研究中發現了癌基因，在人類一些癌細胞如膀胱癌、小細胞肺癌等細胞中，也分離出與病毒癌基因相同的鹼基序列，稱為細胞癌基因或原癌基因。癌基因的發現為腫瘤發病機理的研究提供了很有前途的線索。

3．在實際工作中有助於基因工程的實施。由於目的基因的轉錄產物易於製備，可將mRNA反向轉錄形成DNA用以獲得目的基因。

可扼殺信使RNA的microRNA

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microRNA雖然只有19－21個核苷長度，但能夠通過綁定和中和負責蛋白翻譯的信使RNA，沉默大片段基因。迄今發現的microRNA已達到幾百種，它們在基因組中的調節作用日益引起人們關注。

最近，Wistar研究所的研究人員發現microRNA會經歷一種生理學後果嚴重的分子編輯過程（molecular editing），序列的一個替換會改變這些microRNA的作用靶標，抑制非預期匹配物的表達，編輯過程出錯會導致嚴重的健康問題。詳細內容刊登於2月23日《Science》雜誌。

「我們發現，某些情況下已編輯的microRNA版本與未經編輯的版本只有一個核苷差異，」文章高級作者、Wistar研究所基因表達和校準程序教授 Kazuko Nishikura博士說，「這些已編輯的microRNA不是由DNA編碼的，意味著至少兩個版本來自於同一個基因，這是未曾料到的……進一步觀察，我們發現替換隻出現在分子的特定關鍵區域，總共19或21個核苷長度分子的第7或8位核苷，這兩個位點規定了靶標的特異性。提示替換可能會使已編輯的microRNA與未編輯的microRNA沉默完全不同的靶標。」

利用生物信息學工具將一種microRNA的已編輯版本和未編輯版本與已知的基因序列資料庫比對，研究人員鑒別出分別是兩種不同版本分子的靶標的兩組完全不同的基因，並從每組中分別挑選出三個基因，進一步觀察microRNA是否會改變這些基因的表達效果。

接下來，研究人員隨機挑選出一個預期的靶標基因，探測microRNA的衍生物的潛能。所挑選的基因為PRPS1，其所編碼的酶在尿酸合成中發揮關鍵作用。如果調節此酶不當，多種健康問題會接踵而來。比如，表達量過高會引起血液中尿酸水平上升，引起風濕痛；大腦中尿酸水平過高會損傷感覺神經元，引起失聰。

在不能進行RNA編輯（RNA editing）的轉基因小鼠和正常小鼠身上的實驗顯示，完全缺乏已編輯版本microRNA的小鼠，PRPS1酶水平是對照組的2倍，尿酸水平也是對照組的2倍。

Nishikura 說這些證實，最初計算機所預測的同一基因編碼的未經編輯的、已編輯的microRNA的不同靶標是正確的。至少對於PRPS1來說是正確的，未經編輯的和已編輯的microRNA的差異的生理學效果在尿酸水平的上升程度上顯示出來。

即便說PRPS1基因是研究人員隨機挑選的，但研究結果提示一系列其它迄今原因未明的疾病很有可能是由新發現的microRNA編輯過程引起的。

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