中心法则是指遗传信息的转录、翻译和复制的过程,而这些过程是在DNA、RNA和蛋白质之间进行的。
909年,美国遗传学家伽罗德在《先天性代谢差错》一书中,就描述了黑尿病基因与尿黑酸氧化酶的关系。美国以红色面包霉链孢霉为材料而开创生化遗传学研究的比德尔,94年与塔特姆一起提出“一个基因一种酶”的假说,认为基因是通过酶来起作用的。
基因DNA主要位于细胞核中。如果酶化学本质是蛋白质是在细胞核内合成的,问题倒也简单,由基因直接指导酶的合成就是了。可事实却并非如此。
早在20世纪40年代,汉墨林和布拉舍就分别发现伞藻和海胆卵细胞在除去细胞核之后,仍然能进行一段时间的蛋白质合成。伞藻这说明细胞质能进行蛋白质合成。955年李托菲尔德和959年麦克奎化分别用小鼠和大肠杆菌为材料证明细胞质中的核糖体是蛋白质合成的场所。这样,细胞核内的DNA就必须通过一个“信使”将遗传信息传递到细胞质中去。
955年,布拉舍用洋葱根尖和变形虫为材料进行实验。洋葱根尖变形虫他用核糖核酸酶RNA酶分解细胞中的核糖核酸RNA,蛋白质的合成就停止,而如果再加入从酵母中抽提的RNA,蛋白质的合成就有一定程度的恢复。
同年,戈尔德斯坦和普劳特观察到用放射性标记的RNA从细胞核转移到细胞质。因此,人们猜测RNA是DNA与蛋白质合成之间的信使。
96年,雅可布和莫诺正式提出“信使核糖核酸”RNA的术语和概念。兔的网织红细胞964年马贝克斯从兔的网织红细胞中分离出一种分子量较大而寿命很短的RNA,被认为是RNA。
实际上,早在947年,法国科学家布瓦旺和旺德雷利就在当年的《实验》杂志上联名发表了一篇论文,讨论DNA、RNA与蛋白质之间可能的信息传递关系。一位不知名的编辑把这篇论文的中心思想理解为DNA制造了RNA,再由RNA制造蛋白质。
0年以后,957年9月,克里克提交给实验生物学会一篇题为“论蛋白质合成”的论文,发表在该学会的论文集《SyposuofteSocietyforExperientalBiology》第2卷第38页。这篇论文被评价为“遗传学领域最有启发性、思想最解放的论著之一。”在这篇论文中,克里克正式提出遗传信息流的传递方向是DNA→RNA→蛋白质,后来被学者们称为“中心法则”。
中心法则在具体细节上经过完善后,在遗传信息流传递方向上又有补充和发展。970年,巴尔的摩和梯明在致癌的RNA病毒中,发现一种酶,能以RNA为模板合成DNA。他们称这种酶为依赖RNA的DNA多聚酶,现在一般称为逆转录酶。这就是说,遗传信息流也可以反过来,从RNA→DNA。这是一项重要的发现。巴尔的摩和梯明于975年荣获诺贝尔奖。巴尔的摩巴尔的摩938年3月7日生于美国纽约,在中学时代就对生物学有浓厚兴趣。960年毕业于宾夕法尼亚州斯沃思莫大学,964年获洛克菲勒大学哲学博士学位。梯明934年2月0日生于美国费城。955年毕业于宾州斯沃思莫大学,959年获加州理工学院哲学博士学位。巴尔的摩与梯明发现了逆转录酶,还发现了逆转录病毒的复制机理。逆转录病毒是RNA病毒,病毒的RNA逆转录出DNA,再整合到寄主细胞的染色体中,使寄主细胞发生癌变,这一成果也使癌症研究进入了一个新阶段。
对于逆转录酶的发现,巴尔的摩的华裔夫人黄诗厚也作出了重大贡献。当巴尔的摩在麻省理工学院进行癌症研究时,寻找逆转录酶遇到困难。当时正好从事病毒学研究的黄诗厚博士发现在某些逆转录酶RNA病毒的蛋白质外壳中带有“转录酶”——RNA多聚酶。这个发现给了巴尔的摩极大的启示,他果然在RNA肿瘤病毒的蛋白质外壳中找到了逆转录酶。根据中心法则,DNA中的信息转录到RNA分子中后,要再进一步转译成蛋白质,才能表达为酶的活性。
98年,美国化学家切赫等人在四膜虫发现自催化剪切的tRNA。983年美国化学家阿尔特曼领导的一个研究小组发现大肠杆菌的核糖核酸P的催化活性取决于RNA而不是蛋白质。这意味着RNA可以不通过蛋白质而直接表现出本身的某种遗传信息,而这种信息并不以核苷酸三联体来编码。这是对中心法则的又一次补充和发展。切赫和阿尔特曼荣获989年的诺贝尔化学奖。
DNA本身是否也具有酶活性呢?994年,乔依斯等人发现一个人工合成的DNA分子具有一种特殊的磷酸二酯酶活性。此后,国外又有多例报道人工合成的DNA序列具有各种不同的酶活性。995年,我国学者王身立等人发现,从多种生物中提取的DNA均具有酯酶活性,能催化乙酸萘酯水解为萘酚和乙酸。这种较弱的酯酶活性并不需要特定序列的DNA编码,而是非特异性DNA的一般性质。王身立推测,在生命起源时,RNA和蛋白质都还未出现,原始海洋营养汤中的DNA可能利用本身的酯酶活性水解萘酯等物质以获得能量。随着生命的进化,酶活性更强的蛋白质出现了,在生命世界中DNA作为酶的作用则为蛋白质所取代,但DNA分子本身的酯酶活性仍作为一种“分子化石”的遗迹一直保存到今天。
黄诗厚博士对发现逆转录酶有什么贡献?
答:当巴尔的摩在麻省理工学院进行癌症研究时,寻找逆转录酶遇到困难。当时正好从事病毒学研究的黄诗厚博士发现在某些RNA病毒的蛋白质外壳中带有“转录酶”——RNA多聚酶。这个发现给了巴尔的摩极大的启示,他也果然在RNA肿瘤病毒的蛋白质外壳中找到了逆转录酶。