mrna的发现故事

mRNA 的发现故事 在明确 DNA 含有基本的遗传信息后很长的一段时间内，人们对于遗传 信息是如何表达的可以说是一无所知。核苷酸序列的差异是怎样转化 成一头大象和一只跳蚤之间的悬殊差别呢？即使在 Watson 和 Crick 于 1953年提出 DNA 双螺旋结构以后的几年里，科学家对上述问题仍然是 一筹莫展。 1960年，Franois Jacob 和 Matthew Meselson 确定了蛋白质是在细 胞质的核糖体上组装的。这个重要的发现表明细胞核里的染色体和细 胞中的核糖体之间必然有一种联系的桥梁，即细胞内存在一种将细胞 核里的遗传信息转移到细胞质的机制。于是，他们提出了 mRNA 假说。 1964年，Sydney Brenner 使用实验证明了 mRNA 假说是正确的。 在 mRNA 假说提出之前，就有人曾经提出过最简单的染色体模板假说。 这种假说认为，蛋白质是直接在染色体 DNA 上合成的。然而，该假说 一提出，很快就遭到拒绝，因为当时已有证据显示，蛋白质是在细胞 质里合成的。那么，蛋白质究竟在细胞质的哪一个地方组装而成的呢？ 为了解决这个问题，Jacob 和 Meselson 开始选用细菌为研究对象。他 们将放射性 35S 加入到细菌的培养基，以追踪蛋白质的合成，因为经过 几代的培养，细胞内的 Cys 和 Met 应该被 35S 标记，而被标记的 Cys 和 Met 会被参入到合成的多肽链上，而不会参入到 DNA 或糖类上。经过一 段时间标记以后，他们使用温和的方法将细菌打破，然后使用蔗糖密 度梯度离心对细胞的组分进行分离，结果发现同位素标记的新合成的 蛋白质与核糖体结合。 如果先让 35S 短暂标记（脉冲） ，然后使用大量 的 32S 进行追踪，那么，就会发现与核糖体结合的放射性存留的时间很 短，在追踪实验不久，就发现核糖体失去绝大多数放射性，而失去的 35S 标记出现在细胞的可溶性蛋白上。这说明在脉冲标记期间合成的蛋 白质已经完成并离开了核糖体。上述实验表明，蛋白质是在含有 RNA 的核糖体上从氨基酸合成而来，一旦合成完成以后，就从核糖体上释 放出来。 当确定核糖体是蛋白质合成的场所以后，Jacob 和 Meselson 曾想过： 会不会是核糖体里面的 RNA 作为翻译的模板呢？也许核糖体 RNA 负责 将细胞核里的遗传信息传到细胞质。如果的确如此，那么细胞内应该 有许多不同的核糖体。不同的核糖体应该含有不同的 RNA 模板，而不 同的 RNA 模板应该来自不同的基因，编码大小不一的蛋白质。然而， 这种可能性很快就被排除，因为他们发现核糖体是完全一样的。 既然编码遗传信息的 DNA 在细胞核里，而遗传信息最后的表达发生在 细胞质的核糖体，而现在又发现核糖体 RNA 也不可能是传递信息的媒 介，那么，在细胞内肯定存在其他的成分充当遗传信息传递的载体。 鉴于细胞内大多数 RNA 是 rRNA，但并不都是 rRNA，那么，也许细胞内 还有其他种类的 RNA 充当遗传的信使。1961年，Jacob 和 Jacques Monod 提出了信使 RNA 假说，认为细胞内肯定存在一种特殊的 RNA 是 直接从 DNA 上合成的，它们的序列与 DNA 上的基因序列互补，然后被 运输到细胞质为蛋白质合成提供模板。在一种蛋白质合成结束以后， 它的 mRNA 将离开核糖体，为其他的 mRNAs“让路” 。 mRNA 的假说很快得到了 Brenner、Jacob 和 Meselson 的实验确认（图 3527） 。他们使用噬菌体感染大肠杆菌，发现感染后不久，就有一种 病毒特异性的 RNA 被合成并很快和细菌内本来存在的含有细菌 rRNA 的 核糖体结合。但这种新的病毒 RNA 并不是核糖体的永久性成分，而只 与核糖体短暂结合。这不正是假说中预测的 mRNA 分子吗？ Brenner、Jacob 和 Meselson 的实验图解 mRNA 假说的精髓是，细胞内应该有一类充当信使的 RNA 分子，它们由 许多不同的 mRNA 分子组成，每一种 mRNA 在核苷酸序列上对应于 DNA 分子上一段特定的核苷酸序列。按照这种假说，核糖体 RNA 无基因特 异性，这是与 mRNA 最重要的差别；核糖体仅仅是作为一种被动的制造 蛋白质的工厂，相同的核糖体可以翻译各种不同的 mRNA 分子。基因特 异性的遗传信息在假定的 mRNA 分子上，而不是在核糖体。 Brenner、Jacob 和 Meselson 接着要做的事情是改变基因的蓝图，看一 看老的核糖体是不是能够一视同仁地合成出蛋白质。他们首先将大肠 杆菌放在含有 15NH4Cl 和 13C-葡萄糖的培养基上培养几代，让细菌利用 培养基中重的同位素碳源和氮源作为合成糖类、蛋白质和核酸的原料， 那么经过若干代培养以后，细菌上各种成分（包括细菌核糖体）被重 的同位素标记。然后，他们使用 T4噬菌体感染细菌以改变遗传信息。 当时已经知道，这一类病毒感染宿主细胞以后，会破坏细菌 DNA，并以 自身的 DNA 作为遗传信息的来源，指导病毒蛋白质的合成。如果核糖 体带有基因特异性的信息，那么，新的由病毒指导的核糖体也应该产 生；相反，如果核糖体仅仅是一种被动的合成蛋白质的工厂，那么， 老的细菌核糖体在病毒控制细菌以后照样被用来合成由病毒 DNA 指导 的蛋白质。于是，他们的实验要解决的核心问题是，感染细菌的病毒 用来制造病毒蛋白质的核糖体需要按照病毒的指令合成新的，还是原 有的细菌核糖体就行。于是，Brenner、Jacob 和 Meselson，先使用重 同位素标记细菌，然后，在 T4噬菌体感染细菌以后，将细菌转移到正 常的轻的培养基上培养，同时，将放射线标记的 RNA 合成前体（ 14C-尿 嘧啶）加到培养基上。可以预计，新制造的核糖体将是轻的，新合成 的 RNA 将会带放射性。按照上述程序，病毒指导的合成进行一段时间 以后，裂解细菌，对核糖体进行 CsCl 密度梯度离心分析。 他们的实验结果表明，病毒感染的细胞没有制造新的轻核糖体，它们 使用的核糖体仍然是以前重的旧核糖体。由此可见，T4 噬菌体实际上 “用旧瓶装新酒” ，利用老的细菌核糖体合成新的病毒蛋白质。新的病 毒指导的含有 14C 标记的 RNA 在病毒感染以后被合成，这种新合