RNA研究刷新生命故事<%=id%>

摘要:人们在关注DNA时，还应更多地注意到RNA的研究。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，“垃圾”可能是RNA。
    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“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
    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RNA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。
    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，RNA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（pRNA）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。
    8RNA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，DNA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。*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RNA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RNA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达的方向，调制遗传信息。
    10RNA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。
    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。

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