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的一段時間內(nèi)，人們對于遺傳信息是如何表達的可以說是一無所知。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，科學家對上述問題仍然是一籌莫展。1960年，F(xiàn)ranois Jacob和Matthew Meselson確定了蛋白質(zhì)是在細胞質(zhì)的核糖體上組裝的。這個重要的發(fā)現(xiàn)表明細胞核里的染色體和細胞中的核糖體之間必然有一種聯(lián)系的橋梁，即細胞內(nèi)存在一種將細胞核里的遺傳信息轉(zhuǎn)移到細胞質(zhì)的機制。于是，他們提出了mRNA假說。1964年，Sydney Brenner使用實驗證明了mRNA假說是正確的。在mRNA假說提出之前，就有人曾經(jīng)提出過最簡單的染色體模板假說。這種假說認為，蛋白質(zhì)是直接在染色體DNA上合成的。然而，該假說一提出，很快就遭到拒絕，因為當時已有證據(jù)顯示，蛋白質(zhì)是在細胞質(zhì)里合成的。那么，蛋白質(zhì)究竟在細胞質(zhì)的哪一個地方組裝而成的呢？為了解決這個問題，Jacob和Meselson開始選用細菌為研究對象。他們將放射性35S 加入到細菌的培養(yǎng)基，以追蹤蛋白質(zhì)的合成，因為經(jīng)過幾代的培養(yǎng)，細胞內(nèi)的Cys和Met應(yīng)該被35S標記，而被標記的Cys和Met會被參入到合成的多肽鏈上，而不會參入到DNA或糖類上。經(jīng)過一段時間標記以后，他們使用溫和的方法將細菌打破，然后使用蔗糖密度梯度離心對細胞的組分進行分離，結(jié)果發(fā)現(xiàn)同位素標記的新合成的蛋白質(zhì)與核糖體結(jié)合。 如果先讓35S短暫標記（脈沖），然后使用大量的32S進行追蹤，那么，就會發(fā)現(xiàn)與核糖體結(jié)合的放射性存留的時間很短，在追蹤實驗不久，就發(fā)現(xiàn)核糖體失去絕大多數(shù)放射性，而失去的35S標記出現(xiàn)在細胞的可溶性蛋白上。這說明在脈沖標記期間合成的蛋白質(zhì)已經(jīng)完成并離開了核糖體。上述實驗表明，蛋白質(zhì)是在含有RNA的核糖體上從氨基酸合成而來，一旦合成完成以后，就從核糖體上釋放出來。當確定核糖體是蛋白質(zhì)合成的場所以后，Jacob和Meselson曾想過：會不會是核糖體里面的RNA作為翻譯的模板呢？也許核糖體RNA負責將細胞核里的遺傳信息傳到細胞質(zhì)。如果的確如此，那么細胞內(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，因為他們發(fā)現(xiàn)核糖體是完全一樣的。既然編碼遺傳信息的DNA在細胞核里，而遺傳信息最后的表達發(fā)生在細胞質(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，在細胞內(nèi)肯定存在其他的成分充當遺傳信息傳遞的載體。鑒于細胞內(nèi)大多數(shù)RNA是rRNA，但并不都是rRNA，那么，也許細胞內(nèi)還有其他種類的RNA充當遺傳的信使。1961年，Jacob和Jacques Monod 提出了信使RNA假說，認為細胞內(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，然后被運輸?shù)郊毎|(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將離開核糖體，為其他的mRNAs“讓路”。mRNA的假說很快得到了Brenner、Jacob和Meselson的實驗確認（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被合成并很快和細菌內(nèi)本來存在的含有細菌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。這不正是假說中預(yù)測的mRNA 分子嗎？Brenner、Jacob和Meselson的實驗圖解mRNA假說的精髓是，細胞內(nèi)應(yīng)該有一類充當信使的RNA分子，它們由許多不同的mRNA分子組成，每一種mRNA在核苷酸序列上對應(yīng)于DNA分子上一段特定的核苷酸序列。按照這種假說，核糖體RNA無基因特異性，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，讓細菌利用培養(yǎng)基中重的同位素碳源和氮源作為合成糖類、蛋白質(zhì)和核酸的原料，那么經(jīng)過若干代培養(yǎng)以后，細菌上各種成分（包括細菌核糖體）被重的同位素標記。然后，他們使用T4噬菌體感染細菌以改變遺傳信息。當時已經(jīng)知道，這一類病毒感染宿主細胞以后，會破壞細菌DNA，并以自身的DNA作為遺傳信息的來源，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的合成蛋白質(zhì)的工廠，那么，老的細菌核糖體在病毒控制細菌以后照樣被用來合成由病毒DNA指導(dǎo)的蛋白質(zhì)。于是，他們的實驗要解決的核心問題是，感染細菌的病毒用來制造病毒蛋白質(zhì)的核糖體需要按照病毒的指令合成新的，還是原有的細菌核糖體就行。于是，Brenner、Jacob和Meselson，先使用重同位素標記細菌，然后，在T4噬菌體感染細菌以后，將細菌轉(zhuǎn)移到正常的輕的培養(yǎng)基上培養(yǎng)，同時，將放射線標記的RNA合成前體（14C-尿嘧啶）加到培養(yǎng)基上?？梢灶A(yù)計，新制造的核糖體將是輕的，新合成的RNA將會帶放射性。按照上述程序，病毒指導(dǎo)的合成進行一段時間以后，裂解細菌，對核糖體進行CsCl 密度梯度離心分析。他們的實驗結(jié)果表明，病毒感染的細胞沒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，T4 噬菌體實際上“用舊瓶裝新酒”，利用老的細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標記的RNA在病毒感染以后被合成