第8章 基因组的表达和调控原理

第8章 基因组的表达和调控 基本概念和定义 基因不同于其他形式的遗传信息，因为它需要被表达。基因表达(gene expression)是指储存在DNA上的遗传信息被转录、翻译而发挥生物学功能的过程。基因表达涉及从基因中得到信息，并利用它产生基因产物，产物可以是RNA或蛋白质。 基因表达可以最简单的形式总结为分子生物学的中心法则(central dogma)：遗传信息单向从DNA通过RNA再到蛋白质。这对大多数细胞内基因都适用，但在病毒中信息在核酸之间的传递较为复杂。无论如何信息不能从DNA直接到蛋白质或蛋白质返回到核酸。 基因产物最终释放之前，基因表达通过不同环节进行。主要的环节发生在转录和蛋白合成，但还存在很多对遗传信息进行过滤和修饰的微调过程。原则上所有阶段都能被调节。基因表达各阶段的主要调节方式在真核生物和原核生物中有所不同的。 基因调节用于控制细胞产生基因产物的量。调节涉及顺式作用元件和反式作用因子；可以是正调节或负调节；诱导或抑制；广泛的或专一性的。

8．1中心法则的提出及修正

8．1．1 从DNA双螺旋模型到中心法则 1953年Watson和Crick提出了DNA双螺旋互补结构模型，DNA热潮席卷了整个生物学界。因为这个模型“暗示了DNA自我复制的机制，并使我们能首次从原子水平上提出遗传物质自我复制的详细假说”。 但是Watson和Crick清楚地知道仅仅具有复制能力并不一定就是遗传物质，他们说：“一种遗传物质必须以某种方式行使两种功能，即自我复制和对细胞高度特异性影响。我们的DNA模型为第一个过程提出了一种简单的机制，但目前还不知道它如何完成第二个过程”。Watson当时曾对Crick说：“关于核酸最重要的是我们不知道它们如何行动”。“如果能确切证明遗传特异性只是携带在DNA上，并且阐明在分子水平上，这种结构如何对细胞行使特异性影响，那么无疑将对这种模型和提出的复制机制提出更多的证据”。 1958年Crick的中心法则的提出，实际上是一个企图在分子水平上完成第二过程的理论。通过从DNA到蛋白质的“三部曲”来说明DNA如何影响与决定细胞的高度特异性。它是DNA互补复制模型的必然延伸。目的是把DNA确定为名符其实的遗传物质。

8．1．2 序列假说

Crick说：“我本人的思想(还有我的许多同事)是基于二个基本原理，我称之为序列假说(sequence hypothesis)和中心法则(central dogma)。对于它们二者的直接的证据是无足轻重的，但我发现它们非常有助于去把握这些极复杂的问题”；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”。“遗传物质的主要作用是控制(不一定是直接地)蛋白质的合成”.“蛋白质的主要作用是作为酶而活动。生命系统中的绝大多数化学反应是被酶所催化的，而所有已知的酶都是蛋白质”。 因此，细胞以至生物性状的特异性是通过被酶／蛋白质所决定的“生命系统中的绝大多数化学反应”来完成的，而蛋白质是由核酸决定的。因此，DNA／RNA碱基的线性序列是遗传信息的惟一来源。遗传信息的传递是通过严格的序列对应来实现的。 序列假说是中心法则的中心，中心法则是序列转换的法则。

8．1．3 中心法则

中心法则(central dogma)，用Crick的话可以表述为：“信息一旦进入蛋白质，它就不可能再输出。详细点说，信息的传递从核酸到核酸或从核酸到蛋白质或许是可能的，但从蛋白质到蛋白质或从蛋白质到核酸则是不可能的。此处所说的信息是指序列的精确决定，既指核酸中的碱基也指蛋白质中的氨基酸残基”。 1976年，这个法则在Watson的《基因分子生物学》一书中做了更具体的描述：DNA，RNA与蛋白质之间的关系通常概括为下面的公式(通常叫做中心法则，那是大约20年前提出的)： DNA→RNA→蛋白质 “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是它自身复制的模板，DNA和RNA之间的箭头表示所有的细胞的RNA分子都是以DNA为模板制造出来的。与此相仿，所有的蛋白质都是由RNA模板决定的。最重要的是后面两个箭头都是单方向的，即蛋白质从来不作为RNA模板，RNA也从来不作为DNA的模板”。 值得注意的是，上述关于中心法则的单程性的强调，是在中心法则提出大约20年之后，Temin的反转录酶的发现6年之后明确地提出的。关于从DNA到RNA的单程性在Crick的“论蛋白质合成”一文的原始说法是：“信息的传递从核酸到核酸或从核酸到蛋白质或许是可能的„„”。这里的“从核酸到核酸”，说的比较含混；但事隔20年之后，Watson的“RNA从来不作为DNA的模板”的说法，显然是对Crick的“从核酸到核酸”的最权威性的解释。而Temin的反转录酶的工作只是作为“单程性”的一个例外，写在这个解释的“附注”里。事后，Crick对此解释并无异议。 综合Crick“本人的思想”以及后来Watson对中心法则的解释，可以看出中心法则的要点有三： 1)所谓遗传信息，是指核酸中的碱基序列及蛋白质中的氨基酸序列。生物的全部遗传信息都包含于这种大分子的遗传信息之中。 2)从DNA到RNA到蛋白质的遗传信息流是严格的单程路线。由于“信息一旦进入蛋白质，就不可能再行输出”，而蛋白质又是一切性状形成的工作分子，所以性状形成的一切信息都包含于DNA之中。 3)序列假说是中心法则的中心，中心法则是序列转换的法则。因此，中心法则要求基因的DNA序列与其所转译的RNA序列和蛋白质的氨基酸序列必须有严格的共线性。否则，序列假说将不存在，而从根本上动摇了中心法则。 所有上述3点，都不言而喻地表明：DNA含有生命系统的全部遗传信息；或者说，DNA是—切遗传信息的源头，是生命遗传信息的惟一载体。

8.1.4 反转录的发现

1970年Temin等在RNA病毒中发现了反转录酶(reverse transcriptase)。从而证明了从RNA到DNA的反向转录。Nature杂志立即在同卷(226)的News and Views栏目中，以赫然的“Central Dogma Reversed”标题发表评论：“过去20年来分子生物学的基本信条是遗传信息流从DNA到RNA到蛋白质的翻译是严格的单程路线。但是，本期第1209页及1211页，Baltimore、Mizutani及Temin都各自独立地提出，RNA肿瘤病毒中含有以病毒RNA为模板去合成DNA的一种酶，从而逆转了遗传转录的方向”。并认为这是“多年来分子生物学的一个巨大浪头”。Temin在事过二年之后，撰文指出：“尽管Crick的原始公式并不排斥遗传信息从RNA到DNA的逆向传递，但认为自然界中的生物体似乎并不需要这样一种逆向传递。所以很多生物学家认为，一旦揭示出这种逆向传递，就会动摇中心法则”。

8.1.5 中心法则的修正

在Temin，Baltimore等关于反转录的工作发表后，Crick立即撰文，重新解释了中心法则。Crick认为，Temin等人的工作与他原来的观点并无矛盾，至于中心法则因 此而被动摇更是误解。 对于RNA-DNA的传递方式，Crick争辩说：“我从来也没有认为它不能发生，而且就我所知也从来没有任何一位我的同僚认为它不能发生”。这种争辩显然是软弱无力的。他在提出中心法则时(1958)，虽然没有谈到RNA、DNA的传递不能发生，但也没有明确RNA-DNA可能发生；不错，Crick在表述中心法则时是说：“从核酸到核酸或从核酸到蛋白质的信息传递是可能 的”，似乎既可指DNA-RNA，也可指RNA-DNA；也就是说，DNA与RNA可以互为模板。但细读其文，不难发现，“从核酸到核酸„”，显然指的是从DNA到RNA，不含有从RNA到DNA的意思。该文在解释RNA时强调：“在细胞质中至少有二种类型的RNA”，即模板RNA(template RNA)与代谢RNA(metabolic RNA)。什么是模板RNA呢? Crick说的很明确，首先它“是位于microsomal particles内”(即现在所说的核糖体内)的，其次它是“在DNA指导下在核内合成”的。这显然是现在所说的mRNA。如果Crick当时思想上很明确RNA-DNA是包含在中心法则之中，那么在论述“模板RNA时，一定会把它分为二种：一种是合成蛋白质的“模板RNA”，一种是合成DNA的“模板RNA”。更何况，长期以来科学界在谈到中心法则时，总是以“单程性”传递作为它的特点。这在Crick最亲密的伙伴Watson所著的《基因的分子生物学》一书中表达的非常明确(见前述)，Crick从来没有提出这种单程性的说法是对中心法则的误解。 事实上，只是在Temin等的工作提出后，才使Crick对中心法则进行了必要的修正，把原来“严格的单程”修正为“中途单程式”的中心法则： Temin的反转录酶的发现是Crick所始料不及的。否则就没有重新修正中心法则的必要。可以看出，在修改后，Crick仍然坚持单程性是中心法则的基本路线(在图中以实线箭头示之)，而反转录只不过是像DNA直接合成蛋白质一样的例外(均以虚线箭头示之)。但是到此为止，中心法则的基本思想：遗传信息一旦进入蛋白质则不可能再行输出，并没有受到损害。

中心法则的延伸 举例 DNA→RNA(没有蛋白质) RNA基因 RNA→蛋白质(没有DNA) RNA基因组 RNA→DNA(反转录) 逆转录病毒复制 RNA→RNA(RNA复制，RNA转录) RNA病毒复制和转录

8.1.6 对中心法则的挑战 毋庸置疑，单程性与共线性是中心法则的两大支柱。Temin等人反转录现象的发现是冲向中心法则单程性的第一个浪头。紧跟着是第二个浪头，基因内内含子的发现；人们感到“它是完全出乎意料之外的并与所预言的相反”。既然“DNA的碱基序列与氨基酸序列的共线性(co—linearity)已在原核生物中普遍确立，为什么在更复杂的体系里情况就不一样，这是毫无理论根据的”。这两个呼啸而来的浪头，对于经过Crick修正后的中心法则，并末构成真正的威胁，但毫无疑问地动摇了中心法则的权威性，并预示着更大浪头的到来。