年度重大突破：中心法则将再次改写

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! H: g; H' j3 ~0 W' M美国宾西法尼亚大学医学院遗传系的Vivian G. Cheung在近期《科学》报道RNA与DNA序列之间的差异广泛存在。他们对27个人的全基因组和转录组（全部RNA）通过二代测序技术进行大规模测定，比较发现大量的RNA与其模板DNA序列不一致，平均每个人存在大约1065个这种RNA与DNA序列差别（RNA-DNA difference, RDD），在不同的人，这种差异的具体位置和基因也有所不同。RNA与DNA序列不一致说明在誊抄过程中可能被“篡改（RNA editing）”？
: r% }$ ]7 f# Y3 h同日，《自然》杂志撰文指出RNA编辑将在人体细胞中普遍产生“新”的蛋白质 编码序列。
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0 l; P) ^; L3 FWidespread RNA and DNA Sequence Differences in the Human Transcriptome
4 N9 D6 j; t* u: UPublished Online 19 May 2011  Science DOI: 10.1126/science.1207018
4 ]# ?7 t7 O" j4 B' a- S: }% M; dMingyao Li1,*, Isabel X. Wang8,*, Yun Li6,7, Alan Bruzel8, Allison L. Richards4, Jonathan M. Toung5, and Vivian G. Cheung2,3,8
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- ?2 s$ W4 Z) [) t4 S% n: UThe transmission of information from DNA to RNA is a critical process. We compared RNA sequences from human B cells of 27 individuals to the corresponding DNA sequences from the same individuals and uncovered more than 10,000 exonic sites where the RNA sequences do not match that of the DNA. All 12 possible categories of discordances were observed. These differences were nonrandom, as many sites were found in multiple individuals and in different cell types, including primary skin cells and brain tissues. Using mass spectrometry, we detected peptides that are translated from the discordant RNA sequences and thus do not correspond exactly to the DNA sequences. These widespread RNA-DNA differences in the human transcriptome provide a yet-unexplored aspect of genome variation.
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News： Cells may stray from 'central dogma'& Z/ C4 L! T. s3 r
Published online 19 May 2011 | Nature | doi:10.1038/news.2011.304
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- @" D, t1 A3 U- a* C6 L% i. ^! \/ l中心法则（central dogma ）是现代生物学中最重要最基本的规律之一， 其在探索生命现象的本质及普遍规律方面起了巨大的作用，极大地推动了现代生物学的发展，是现代生物学的理论基石，并为生物学基础理论的统一指明了方向，在生物科学发展过程中占有重要地位。
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$ p* O  L4 b9 \1958年克里克(F. Crick)提出的阐明遗传信息传递方向的法则，即遗传信息从DNA传递至RNA，再传递至多肽，而遗传信息只是单向地从核酸流向蛋白质；
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( n( q8 m! \) @1970年H.M.特明和D.巴尔的摩在一些 RNA致癌病毒中发现它们在宿主细胞中的复制过程是先以病毒的RNA分子为模板合成一个DNA分子,再以DNA分子为模板合成新的病毒RNA。前一个步骤被称为反向转录,是上述中心法则提出后的新的发现。因此克里克在1970年重申了中心法则的重要性，提出了更为完整的图解形式，DNA同RNA之间遗传信息的传递是双向的；
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阮病毒（prion）可以引起同种或异种蛋白质构象改变而致病或功能改变的蛋白质，是引起传染性海绵样脑病(疯牛病)的蛋白质。一个不含DNA或RNA的蛋白质分子能在受感染的宿主细胞内产生与自身相同的分子，且实现相同的生物学功能，即引起相同的疾病，这意味着这种蛋白质分子也是负载和传递遗传信息的物质，从根本上动摇了遗传学的基础。1997年诺贝尔医学或生理学奖的获得者美国生物学家斯垣利·普鲁辛纳（ S. B. Prusiner）就是由于研究朊病毒作出卓越贡献而获此殊荣的；$ e3 K+ i# b1 W. P& T
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0 d" r  q1 ?$ T$ R+ e每次中心法则的改写都大大加深了人类对生命和疾病演化规律的认识，推动生物技术的发展，当今人们对肿瘤的发生和进展机制探索中期待着重大理论的突破。

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RNA编辑(RNA editing) 是指在mRNA水平上改变遗传信息的过程。具体说来，指基因转录产生的mRNA分子中，由于核苷酸的缺失，插入或置换，基因转录物的序列不与基因编码序列互补，使翻译生成的蛋白质的氨基酸组成，不同于基因序列中的编码信息现象。6 {* l4 {7 t$ b: h
　　RNA编辑同基因的选择剪接或可变剪接(alternative splicing)一样，使得一个基因序列有可能产生几种不同的蛋白质，这可能是生物在长期进化过程中形成的、更经济有效地扩展原有遗传信息的机制。$ D3 }4 `9 l7 g; K& K* m
　　RNA编辑是通过比较成熟的mRNA与相应基因的编码信息时发现的，成熟的mRNA序列中有几种意想不到的变化，包括尿嘧啶（U）突变为胞嘧啶（C）、胞嘧啶突变为尿嘧啶、尿嘧啶的插入或缺失、多个鸟嘌呤（G）或胞嘧啶的插入等。最典型的例子是锥虫(Trypanosome)动质体(kinetoplastid)的线粒体基因mRNA的编辑,涉及上百个尿嘧啶的缺失和插入。) ^4 P; \! [% j  e7 }
　　由于RNA编辑是基因转录后在mRNA中插入、缺失或核苷酸的替换而改变DNA模板来源的遗传信息，翻译出多种氨基酸序列不同的蛋白质，RNA编辑的结果不仅扩大了遗传信息，而且使生物更好地适应生存环境。有些基因的主要转录产物必须经过编辑才能有效地起始翻译，或产生正确的可读框(ORF)。
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RNA剪接（RNA splicing）：从DNA模板链转录出的最初转录产物中除去内含子，并将外显子连接起来形成一个连续的RNA分子的过程。% }2 T1 I% f  E& c  F9 Q
      自身剪接反应：以前一直认为只有蛋白质有酶活性。这个概念在生物化学界已根深蒂固。然而近期发现RNA也可有酶活性。这种有酶活性的RNA有人称之为ribozyme。某些线粒体中的内含子也是自身剪接的内含子。一些常见的真菌，如粗糙脉孢菌(Neurosporacrassa)，酒酵母(Saccharomycescerevisiae)等的线粒体内含子都能进行自身剪接，像四膜虫中进行的磷酸酯转移反应一样。
9 f! a0 k' V- _8 w. {      能够编码蛋白质的内含子：某些真菌线粒体中的内含子有很不寻常的结构，这些内含子有编码顺序，这些顺序的翻译对于该顺序所在的内含子的剪接是必须的。编码细胞色素b的box基因在仅剪去内含子1时，会产生RNA成熟酶的mRNA。5 Y8 G6 c6 R2 s: J
     细胞核中的剪接连接点(splicing junctions)：是指在切断和重接位点处的两旁的顺序。在内含子左侧的连接点称为供体(donor)，在内含子右侧的称为受体(acceptor)。在细胞核的结构基因(即编码多肽的基因)中的所有内含子在外显子-内含子连接处均有GT．..AG的共同顺序。( S: C" R  Y) D& c$ v
     套索的产生 ：HeLa细胞的核提取液能够剪接纯化的RNA前体，这表示剪接作用并不与转录作用相关连。RNA的修饰也和剪接无关，例如珠蛋白RNAs即使缺少poly(A)尾链，也没有加帽，仍能正常地被剪接。剪接过程可分为两个阶段，与上文所述自身剪接不需能量不同，核内剪接需要用ATP。
, e( |' J5 C. \' d! ^9 L1 w2 m  c      snRNAs的作用：真核细胞有细胞核和细胞浆中都含有许多小RNA，它们约有100到300个碱基，每个细胞中可含有105-106个这种RNA分子。它们是由RNA聚合酶Ⅱ或Ⅲ所合成的，其中某些像mRNA一样可被加帽。在细胞核中的小RNA称为snRNA，而在细胞浆中的称为scRNA。但在天然状态下它们均与蛋白质相结合，故分别称为snRNP和scRNP。某些snRNPs和剪接作用有密切关系。
, l) }3 X) v8 l/ ~     核内不均一RNA：编码蛋白质的结构基因是在核浆中被转录的。但是核浆中的RNA却并不像mRNA。核浆RNA要大得多，很不稳定，并且其顺序的复杂性也要大得多。由于它的大小很不一致，故称核内不均一RNA(hnRNA)。
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* K, Q7 X: h/ Y/ N. r* ?0 qRNA的再编码：mRNA在某些情况下不是以固定的方式翻译，而可以改变原来的编码信息，以不同的方式进行编码 包括：+1/-1移位；核糖体跳跃；4 |7 I! L: T" w$ `" U/ D
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RNA的化学修饰：六大类化学修饰：甲基化；去氨基化，硫代（S代替碱基的O分子），碱基的同分异构化（尿嘧啶变构生成假尿嘧啶）；二价键的饱和化；核苷酸的替代（用不常见的核苷酸替换常见的核苷酸） 核酶- l# ]1 @+ v( M
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作者：Vivian G. Cheung 来源：《科学》 发布时间：2011-5-27  
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近日来自美国宾夕法尼亚大学医学院及北卡罗来纳州立大学医学院的研究人员在新研究中惊异地发现RNA与DNA序列之间存在广泛的差异，这表明信使RNA有可能将遗传信息从细胞DNA携带至蛋白质加工厂的过程中以某种未知的机制进行了重新编辑。这一研究成果在线发表在5月19日的《科学》（Science）杂志上。  V# t' M3 E7 _
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如果这一研究发现是真实的话，那将成为本年度最重要的发现，从而导致分子生物学中的“遗传中心法则”被改写。“中心法则”认为细胞中的遗传信息是以DNA为模板通过转录传递给RNA，再由RNA指导蛋白质合成。在这一过程中遗传信息传递完全忠实于最初的DNA模板。在新论文中研究人员提出RNA在进入蛋白质加工厂前有可能通过一种“RNA编辑”（ RNA editing ）的方式置换了部分的碱基，从而导致了生成蛋白质的改变。! S9 \! r; W& v' y: I$ h
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在这篇文章中，宾夕法尼亚大学的Vivian Cheung带领研究小组对参与了千人基因组计划（the 1000 Genomes Project）和国际单体型计划（the International HapMap Project）的27个人的全基因组和转录组测序结果进行了分析。经过比较，研究人员发现大量的RNA与其模板DNA序列不一致，他们在外显子中发现了超过1万个不同的位点。由于在不同的人中存在有相同的错配，从而表明这些并非是转录过程中的随机错误。进而他们证实这些“错配”的RNA也参与指导合成了蛋白质。
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! T* Z3 G3 R  ]4 C) r/ N  s- G“当我们证实这些差异通过翻译传递至蛋白质序列中时，我们就非常肯定它们是在生物过程中衍生出来的，”Cheung说。  x! \+ Y1 K# \
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RNA编辑并非是一个新提出来的概念。过去有人发现一种叫做ADAR的酶可诱导人类细胞在RNA翻译合成蛋白质的过程中将腺嘌呤碱基当做鸟嘌呤。此外，RNA编辑也被发现存在于植物和人类寄生虫中。
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然而在这篇文章中作者们提出的RNA编辑却不同寻常。研究人员人员发现平均每个人大约存在1065个这样的RNA与DNA序列差异（RNA–DNA differences）。其中一些错配的碱基改变并非通过已知的RNA编辑机制产生，这表明还存在其他未知的作用机制。2 b% M) m9 m+ i0 e
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“这从一个完全不同的层面揭示了在RNA水平上进行的基因调控，”美国费城威斯达研究所的分子生物学家Kazuko Nishikura说：“现在最大的挑战是要弄清楚这些RNA序列改变的分子机制。”
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% w% g* n0 K& o2 j/ U不过目前也有一些科学家对此持怀疑态度。加州大学的比较基因组学家Lior Pachter认为这一研究结果有可能是Cheung的研究小组在使用高通量测序仪进行测序时产生的系统误差，因为其中一些错配发生在极易出现系统RNA测序错误的位点。( }# t0 s7 r- b4 F3 }2 z2 K' [
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如果这一研究发现被证实是真实的结果，这无疑对于与生物学而言具有极其重要的意义，或将影响科研人员研究基因组学的途径。哈德逊－阿尔法生物科技研究所（Hudson-Alpha Institute for Biotechnology）的研究事物主管Chris Gunter认为：“这将有可能为遗传学家们带来更多更有趣的疑问。”（来源：生物通 何嫱）& S. A- z' s# H6 t

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