mRNA的發(fā)現(xiàn)故事.doc

mRNA的發(fā)現(xiàn)故事在明確DNA含有基本的遺傳信息后很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，人們對(duì)于遺傳信息是如何表達(dá)的可以說(shuō)是一無(wú)所知。核苷酸序列的差異是怎樣轉(zhuǎn)化成一頭大象和一只跳蚤之間的懸殊差別呢？即使在Watson和Crick于1953年提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)以后的幾年里，科學(xué)家對(duì)上述問(wèn)題仍然是一籌莫展。1960年，F(xiàn)ranois Jacob和Matthew Meselson確定了蛋白質(zhì)是在細(xì)胞質(zhì)的核糖體上組裝的。這個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)表明細(xì)胞核里的染色體和細(xì)胞中的核糖體之間必然有一種聯(lián)系的橋梁，即細(xì)胞內(nèi)存在一種將細(xì)胞核里的遺傳信息轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)的機(jī)制。于是，他們提出了mRNA假說(shuō)。1964年，Sydney Brenner使用實(shí)驗(yàn)證明了mRNA假說(shuō)是正確的。在mRNA假說(shuō)提出之前，就有人曾經(jīng)提出過(guò)最簡(jiǎn)單的染色體模板假說(shuō)。這種假說(shuō)認(rèn)為，蛋白質(zhì)是直接在染色體DNA上合成的。然而，該假說(shuō)一提出，很快就遭到拒絕，因?yàn)楫?dāng)時(shí)已有證據(jù)顯示，蛋白質(zhì)是在細(xì)胞質(zhì)里合成的。那么，蛋白質(zhì)究竟在細(xì)胞質(zhì)的哪一個(gè)地方組裝而成的呢？為了解決這個(gè)問(wèn)題，Jacob和Meselson開(kāi)始選用細(xì)菌為研究對(duì)象。他們將放射性35S 加入到細(xì)菌的培養(yǎng)基，以追蹤蛋白質(zhì)的合成，因?yàn)榻?jīng)過(guò)幾代的培養(yǎng)，細(xì)胞內(nèi)的Cys和Met應(yīng)該被35S標(biāo)記，而被標(biāo)記的Cys和Met會(huì)被參入到合成的多肽鏈上，而不會(huì)參入到DNA或糖類(lèi)上。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間標(biāo)記以后，他們使用溫和的方法將細(xì)菌打破，然后使用蔗糖密度梯度離心對(duì)細(xì)胞的組分進(jìn)行分離，結(jié)果發(fā)現(xiàn)同位素標(biāo)記的新合成的蛋白質(zhì)與核糖體結(jié)合。 如果先讓35S短暫標(biāo)記（脈沖），然后使用大量的32S進(jìn)行追蹤，那么，就會(huì)發(fā)現(xiàn)與核糖體結(jié)合的放射性存留的時(shí)間很短，在追蹤實(shí)驗(yàn)不久，就發(fā)現(xiàn)核糖體失去絕大多數(shù)放射性，而失去的35S標(biāo)記出現(xiàn)在細(xì)胞的可溶性蛋白上。這說(shuō)明在脈沖標(biāo)記期間合成的蛋白質(zhì)已經(jīng)完成并離開(kāi)了核糖體。上述實(shí)驗(yàn)表明，蛋白質(zhì)是在含有RNA的核糖體上從氨基酸合成而來(lái)，一旦合成完成以后，就從核糖體上釋放出來(lái)。當(dāng)確定核糖體是蛋白質(zhì)合成的場(chǎng)所以后，Jacob和Meselson曾想過(guò)：會(huì)不會(huì)是核糖體里面的RNA作為翻譯的模板呢？也許核糖體RNA負(fù)責(zé)將細(xì)胞核里的遺傳信息傳到細(xì)胞質(zhì)。如果的確如此，那么細(xì)胞內(nèi)應(yīng)該有許多不同的核糖體。不同的核糖體應(yīng)該含有不同的RNA模板，而不同的RNA模板應(yīng)該來(lái)自不同的基因，編碼大小不一的蛋白質(zhì)。然而，這種可能性很快就被排除，因?yàn)樗麄儼l(fā)現(xiàn)核糖體是完全一樣的。既然編碼遺傳信息的DNA在細(xì)胞核里，而遺傳信息最后的表達(dá)發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)的核糖體，而現(xiàn)在又發(fā)現(xiàn)核糖體RNA也不可能是傳遞信息的媒介，那么，在細(xì)胞內(nèi)肯定存在其他的成分充當(dāng)遺傳信息傳遞的載體。鑒于細(xì)胞內(nèi)大多數(shù)RNA是rRNA，但并不都是rRNA，那么，也許細(xì)胞內(nèi)還有其他種類(lèi)的RNA充當(dāng)遺傳的信使。1961年，Jacob和Jacques Monod 提出了信使RNA假說(shuō)，認(rèn)為細(xì)胞內(nèi)肯定存在一種特殊的RNA是直接從DNA上合成的，它們的序列與DNA上的基因序列互補(bǔ)，然后被運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞質(zhì)為蛋白質(zhì)合成提供模板。在一種蛋白質(zhì)合成結(jié)束以后，它的mRNA將離開(kāi)核糖體，為其他的mRNAs“讓路”。mRNA的假說(shuō)很快得到了Brenner、Jacob和Meselson的實(shí)驗(yàn)確認(rèn)（圖3527）。他們使用噬菌體感染大腸桿菌，發(fā)現(xiàn)感染后不久，就有一種病毒特異性的RNA被合成并很快和細(xì)菌內(nèi)本來(lái)存在的含有細(xì)菌rRNA的核糖體結(jié)合。但這種新的病毒RNA并不是核糖體的永久性成分，而只與核糖體短暫結(jié)合。這不正是假說(shuō)中預(yù)測(cè)的mRNA 分子嗎？Brenner、Jacob和Meselson的實(shí)驗(yàn)圖解mRNA假說(shuō)的精髓是，細(xì)胞內(nèi)應(yīng)該有一類(lèi)充當(dāng)信使的RNA分子，它們由許多不同的mRNA分子組成，每一種mRNA在核苷酸序列上對(duì)應(yīng)于DNA分子上一段特定的核苷酸序列。按照這種假說(shuō)，核糖體RNA無(wú)基因特異性，這是與mRNA最重要的差別；核糖體僅僅是作為一種被動(dòng)的制造蛋白質(zhì)的工廠，相同的核糖體可以翻譯各種不同的mRNA分子?；蛱禺愋缘倪z傳信息在假定的mRNA分子上，而不是在核糖體。Brenner、Jacob和Meselson接著要做的事情是改變基因的藍(lán)圖，看一看老的核糖體是不是能夠一視同仁地合成出蛋白質(zhì)。他們首先將大腸桿菌放在含有15NH4Cl和13C-葡萄糖的培養(yǎng)基上培養(yǎng)幾代，讓細(xì)菌利用培養(yǎng)基中重的同位素碳源和氮源作為合成糖類(lèi)、蛋白質(zhì)和核酸的原料，那么經(jīng)過(guò)若干代培養(yǎng)以后，細(xì)菌上各種成分（包括細(xì)菌核糖體）被重的同位素標(biāo)記。然后，他們使用T4噬菌體感染細(xì)菌以改變遺傳信息。當(dāng)時(shí)已經(jīng)知道，這一類(lèi)病毒感染宿主細(xì)胞以后，會(huì)破壞細(xì)菌DNA，并以自身的DNA作為遺傳信息的來(lái)源，指導(dǎo)病毒蛋白質(zhì)的合成。如果核糖體帶有基因特異性的信息，那么，新的由病毒指導(dǎo)的核糖體也應(yīng)該產(chǎn)生；相反，如果核糖體僅僅是一種被動(dòng)的合成蛋白質(zhì)的工廠，那么，老的細(xì)菌核糖體在病毒控制細(xì)菌以后照樣被用來(lái)合成由病毒DNA指導(dǎo)的蛋白質(zhì)。于是，他們的實(shí)驗(yàn)要解決的核心問(wèn)題是，感染細(xì)菌的病毒用來(lái)制造病毒蛋白質(zhì)的核糖體需要按照病毒的指令合成新的，還是原有的細(xì)菌核糖體就行。于是，Brenner、Jacob和Meselson，先使用重同位素標(biāo)記細(xì)菌，然后，在T4噬菌體感染細(xì)菌以后，將細(xì)菌轉(zhuǎn)移到正常的輕的培養(yǎng)基上培養(yǎng)，同時(shí)，將放射線標(biāo)記的RNA合成前體（14C-尿嘧啶）加到培養(yǎng)基上?？梢灶A(yù)計(jì)，新制造的核糖體將是輕的，新合成的RNA將會(huì)帶放射性。按照上述程序，病毒指導(dǎo)的合成進(jìn)行一段時(shí)間以后，裂解細(xì)菌，對(duì)核糖體進(jìn)行CsCl 密度梯度離心分析。他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，病毒感染的細(xì)胞沒(méi)有制造新的輕核糖體，它們使用的核糖體仍然是以前重的舊核糖體。由此可見(jiàn)，T4 噬菌體實(shí)際上“用舊瓶裝新酒”，利用老的細(xì)菌核糖體合成新的病毒蛋白質(zhì)。新的病毒指導(dǎo)的含有14C標(biāo)記的RNA在病毒感染以后被合成