1、分子生物学整体分析沧海月明 发表于 2005-12-31 10:50:00分子生物学整体分析分子生物学的核心是中心法则。从这儿谈起。经典的中心法则是_| | V| DNA-RNA-protein|_|它所包含的信息应该由以下几方面组成。1。静态的：三类分子的角色定位2。动态的：三类分子的转换，遗传信息的流动。3。介于二者之间的：三类分子间的相互作用我们将通过列举中心法则提出四十多年来的发展、丰富来获得一些大趋势。角色定位：专项负责到一专多能遗传物质，遗传信息载体原本是 DNA 的专利，RNA 病毒的发现确认了 RNA 也能干这活，接下来 prion protein 也能自作主张了!另一方面 D
2、NA 或遗传信息控制不了而对生命仍然是重要的事也已发现不少。细菌细胞壁肽聚糖中的四肽，一些环肽抗菌素，糖蛋白中的糖链结构。注意许多糖链是非常稳定的，某蛋白某位点一定维持固定连接模式的糖链，谁安排的？“酶是蛋白质“正确了很多年，忽一日说是还有 ribozyme,近年又出来了 deoxyribozyme 的苗头,更有甚者说，寡糖也可作催化剂。后两者的研究显然还未能成气候，但摇头的人要先看看文献，找找作者的纰漏，说说为什么不可以，做做实验推翻它，那时再摇头才是有理的。面对未知世界，真正的新知是不可能从旧的体系中推导出来的。扯远了，但化学催化剂与生物催化剂（酶）之间的界限正在变得模糊啊。据说最小的 r
3、ibozyme 只有三个核苷酸！蛋白质也常起结构性的作用，想一想染色体的形成，DNA 是否也可以作骨架呢？谁诱惑了谁，它们才组合到一块的？自组织？总得有点原则吧？RNA 的中间人地位尚未受到挑战。还没听说 DNA 可以直接到蛋白质的。但 tRNA/mRNA/rRNA 的划分却有些变化。有些功能小分子 RNA 相继鉴定出笼 gRNA (in editing), snRNA,snoRNA.最近又有 tRNA 和 mRNA 合二为一的 tmRNA 被发现。tRNA 的功能极其多样。金由辛教授曾有专文总结。蛋白内部的兼并现象也存在。最突出的就是抗体酶，这是一个基于已知知识作出理性推测并实验成功的典型思
4、路。虽然不是全新的 成果（要求高一点），但也够牛的了。再举一例，聚合酶大统一。DNA 聚合酶和 RNA 聚合酶曾经是泾渭分明，除了 RT 像一个叛逆者，它既可以 DNA 又可以 RNA 作为模板。但掺入产物的毕竟还是 dNTP。后来发现 Taq,TthDNA 聚合酶有 RT 活性，让人开眼界。谁知T7RNA 聚合酶掺了 rNTP，还能掺 dNTP,这就着实一惊了。又发现一点（或几点，记不清了， EMBO J) 的 定点突变能使 T7 RNAP 真正成为多面手，有了 DNAP， RNAP， RT 活性（是否有依赖 RNA的 RNAP 活性，也不记得了）。 已经解析的 T7RNAP, Klenow
5、 DNAP, Taq DNAP, HIV RTBst DNAP 的晶体结构指明了空间结构上相似性的存在。不可思议？ No! 基本原理：所有化学反应均是可逆反应；酶同时降低正反应和逆反应的活化能。例子：用蛋白酶来做多肽合成。以此推导推导看。信息流动：一根棍子到一棵树Crick 在提出中心法则 X 时，相当于将一根魔杖插入生物学的土壤(复制的环流就是手柄了)，谁想到插柳柳成荫，这光秃秃的棍子几十年后竟生出无数的枝桠。DNA 水平上的枝桠：内容的变化：大者如 recombination, rearrangement, transposable elements，小者如 DNA methylation
6、 ( will it be important as protein phosphorylation?)注意 现在的 DNA 顺序测定方法损失了 DNA 上碱基或核糖的修饰信息。结构上的变化：left-handed DNA(Z-DNA), triplex DNA,curvature, chromosome(generally repress DNA activity),维护手段：telomerase; repair system 复制: initiator, insulator:真核细胞染色体有多个 replicons,每个 replicon 从不互相跨越，那就是 insulator 的意义。
7、遗传材料的水平转移:原核中极为常见，故有限制修饰系统加以维护， 保证种的稳定性。真核细胞呢？前两年 PNAS 有文称给小鼠喂食 M13DNA，隔段时间检测其肠道， 发现尚有大片段 DNA 存在。似乎 DNA 的四处散布还是有危险性的。即便肠上皮细胞不能直接吸收 DNA，肠道中肯定有许多脂质颗粒，它们把 DNA一包裹，那不就是脂质体吗？ 与细胞一融合， 就看 DNA 能不能进核了。转录与反转录operon 学说奠定了转录调控研究的基石。reverse transcription is the first big branch from the trunk of “central dogma“.转
8、录起始的调控，其热头历多年而不衰。这方面的研究说到底，主要是鉴定顺式元件，发现反式因子、确认RNA 聚合酶的成分和功能，基础具备后研究相互作用。我认为这些研究带来的观念变革有 1 远距作用：原、真核中都发现了 enhancer, 还有 silencer,2.蛋白蛋白相互作用的重要性：拼接方式大为丰富, 3 蛋白结构中有 modules: 如结合 DNA 有关的，蛋白聚合有关的，使确认蛋白功能更容易, 4 最近在真核系统中，从 naked DNA 走向 chromosome,仿真更加生动。发现许多大型蛋白复合物，称为 chromosome remodelling factor,有些转录因子 SW
9、I/SNF 是这些复合物中的成员。但转录延伸和转录终止的调控尚不深入，不过也在稳定地出成果。RNA 水平capping; tailing; intron and RNA splicing; ribozyme; editting,翻译时tRNA identity, 硒代半胱氨酸使用终止密码 UGA，programmed frameshifting (bypass),同一三联体密码可以接纳多种氨基酸，其决定因素？蛋白质水平intein and protein splicing,post*al modification (especially phosphorylation),可能会出现越来越多的分
10、子上的修饰(可能主要是蛋白质和 RNA)具有重要生物学意义，但不是直接由遗传决定的，甚至不是由线性的氨基酸或核苷酸顺序决定，而是由三维结构决定。molecular chaperone:这是一个重要概念，自给自足的小农意识被打破。已有了 RNA chaperone.protein degradation: ubiquitin, proteasome, protein compartmentalization:蛋白质基本上在细胞质中合成，其工作地点却散布于不同的细胞区域，targetting signals and sorting mechanisms 确实值得追究。总起来看遗传信息流动过程方面的
11、研究进展，有如下感觉：1 对三种主要大分子，研究“生”比研究”死“多，研究”生“时，研究”始“比研究终”多，研究“中”的最少。2 新的枝桠的发现依赖于研究系统的多样性。如反转录：AMV， intron: adeno virusmobile elements: corn, bacteria intein: yeast ribozyme: 四膜虫;Z-DNA: synthetic oligoGC。因此新发现给人一种可遇不可求的感觉。但不要贸然拒绝不合常规的结果应该是导致发现的必要条件。中心法则“的树干似乎就是为了附着这些舞动的产生多样性的枝桠而生的。生命的美似乎不在简洁和统一而在复杂和多样。生物用
12、于解决生存问题的办法应该不只一条，不是有 convergent evolution 吗，进化的结果或许能产生并列冠军，像昆虫和鸟的翅膀。将来真要发现 DNA 可以直接翻译成蛋白质，我也不会奇怪。3 实验设备、技术条件不占优势的情况下，可否有新发现？intron 的发现得益于电镜研究，恐怕算不得先进技术支撑。再如流行的 DDPCR，在成熟的分子生物学实验室中，可以很快建立起来，说明技术上没问题。国内鲜有新发现的主要原因可能还是信息不灵，自身工作的系统性差，合作又少，因而不能提出或得到领导学科潮流的问题，idea 也只能是那种水平上的了。4 研究对象将变得更加复杂，走向复杂系统的第一步是研究分子间
13、相互作用。分子间相互作用：macromolecular machines 参看 Cell 93(2), 1998. REVIEWS on MACROMOLECULAR MACHINES热烈欢呼这期杂志. 所得颇多。分子生物学的进步一定要从 molecules 回溯到 complexes 到 macromolecular machines and functional particles,更多的生命现象才能得到解释。DNA， RNA， 蛋白质间相互作用，不用说有七种形式。DNA-DNA:DNA-RNA:antisense RNA involved in regulation of ColE1 p
14、lasmidRNA-RNA:as in RNA splicingDNA-protein:研究似乎最多。尤其特异的相互作用。刚刚真正开始.注意非特异的相互作用，如 DNA 与组蛋白的作用。非特异作用本来是细胞活动的背景，但多年来被人为忽略。我们在白色背景下的画作，移到蓝色背景下时，会怎么样？RNA-protein 一个生长点。RNP 是如此之多，又有了所谓 RNA world,怎能不使人动心？protein-protein: two-hybrid system, protein footprinting，immunoprecipitation, overexpression,推动了进展。信号传导
15、研究的活跃大大促进。关于“signal transdusome“的设想：目前，信号传导研究中的最大困惑就是信号的特异效应是怎样出现的。无数的信号激活了 ras 途径，却能各自激活特异响应的基因。如果把信号传导理解为接力赛是无论如何不能解释这现象的。但是从受体开始，不断的 recruit 新的下游蛋白，直至形成很大的蛋白复合体，或通过核孔进入核内，或用其它办法影响核内，则可保持信号特异性的基础上改变特异基因表达。而这种巨大复合物正是现行方法没有探测到的玩艺，因此人们就发愁了。DNA-RNA-protein: 转录体系，端粒酶。比较复杂。相互作用研究的发展可能需将特定的作用作更精确的时间和空间定位
16、如 A 结合B1，2,.n, 可能在不同的细胞区域，组织，发育阶段，细胞周期，昼夜节律中出现。分子生物学中的方法因创建方法而获得诺贝尔奖的故事也不少了。一位老法师说：科学的精髓是 invention and discovery,如果说 discovery 还有偶然因素存在（The opportunity prefer those prepared minds), invention 方法的科学家却可以毫无愧色的拿奖。几项改变分子生物学面目的方法蛋白质顺序测定 F. SangerDNA 顺序测定 F. Sanger W. GilbertPCR Mullisite-directed mutagen
17、esis Smithrecombinant DNA P. Berg创建方法有基本思路。我看到两点：1 转化：以 DNA 顺序测定将顺序转换为长度最为典型2 放大：以 PCR 最为典型说说容易，到具体问题时想到对策那才是真本事。有些方法，似乎没有绕弯，是直接由任务或知识驱动产生的。将来的方法可能有的特性：1 in vivo and live 活体直播: 割裂联系是任何早期研究中不得不为之的简化手段。 但毛病多多。有些进展，如 GFP，BFP， 可光解的笼形化合物激光共聚集显微镜、genomic footprinting(in vivo footprinting)代表着方向；2 combinatorial:因为要解决的问题逐渐复杂，将会发展相应的技术，在大规模的输入信息上工作。library，database 的种类将会更加多样化。genomics 的发展会更明显地体现这一点，同时 genomics 产生的新知识会使基于 library和 database 的工作更加方便。3 computer aided: 与前面相适应，computer 将越来越多地侵入生物学，进行数据的贮存、分析和预测。并协助实现 automation.最后好心地提醒大家，分子生物学不是分子遗传学。千万不要忽视了糖、脂、活性小分子及某些离子在细胞中的存在啊。
