遺傳學中心法則

遺傳學中心法則（Central dogma of molecular biology）：描述從一個基因到相應蛋白質的信息流的途徑。遺傳信息貯存在DNA中，DNA被複製傳給子代細胞，信息被拷貝或由DNA轉錄成RNA，然後RNA翻譯成多肽。不過，由於逆轉錄酶的反應，也可以以RNA為模板合成DNA。

基本介紹

• 中文名：遺傳學中心法則
• 學科：遺傳學
• 屬性：遺傳學法則
• 遺傳物質：可以是DNA，也可以是RNA

作用價值

遺傳學中心法則是一個偉大的法則，曾成為21世紀自然科學界令人矚目與驚嘆的事件之一，對於深入理解遺傳及變異的實質具有重要的意義。隨著分子生物學的發展，中心法則受到一定的衝擊，如今要從中心法則的提出、發展以及對它的挑戰、它的未來等方面談及對中心法則的理解，以便更好地去學習、研究分子生物學。

遺傳學中心法則

主要內容

中心法則是指遺傳信息從DNA傳遞給RNA，再從RNA傳遞給蛋白質的轉錄和翻譯的過程，以及遺傳信息從DNA傳遞給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（如菸草花葉病毒等）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。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。

遺傳物質

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，這個過程即為反轉錄(reverse transcription)。

起源編輯

中心法則的信息是從DNA到RNA，但是，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。

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的信息連線起來，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。

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線，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。

可以構想，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！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。

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。