（植物学专业论文）基于核酶rnase+p+rna的系统分析.pdf

基于核酶r n l l s epr n a 的系统分析 摘要 在前基因组时代，蛋白质的系统发育主导了整个分子生物学的研究，而在后 基因组时代，有关r n a 和非编码区序列的结构调控研究成为最前沿的分子进化 的研究主题。我们有必要改变以前通行的将蛋白质与r n a 分子的系统分析统一 研究或等同分析的作法，将编码区与非编码区的进化从两个不同的生命起源的水 平分开来研究，从而在一个更加全面的角度来探讨分子生物学与宏观进化的理论 统一性。因而从基因组非编码区寻找一个合适的具有生命起源意义的r n a 分子 标记是一个首要任务。 r n a s epr n a 是目前唯一个属于非编码区的已经得到共识的r n a 分子标记。 r n a s epr n a 不仅存在于所有生物体细胞的染色体中，而且存在于亚细胞组织 如线粒体、叶绿体中，是目前已知的核酶分子中自然代谢效率最高的成份，而且 是整个核酶r n a s ep 的主导分子。r n a s epr n a 在所有生物类群中都有很高的保 守性，其核心的保守序列区具备了特异的生物分类功能，是一个具备了生命起源 意义的强大的分子标记。作为第一个识别的能够独立行使代谢职能的r n a 分子， 有关r n a s epr n a 的系统分析是关键的，有助于我们深入理解在生物进化过程中 r n a 分子担当的角色。不同生物界之问r n a s epr n a 分子的不同代谢特点与它们 所承担的核心结构凋节功能有可能通过这个r n a 分子携带的遗传信息来体现， 并反映不同生物界中的进化分歧，而且r n a s e p r n a 的碱基序列具有在相同种群 中特异保守的特点，同时其亚细胞组织的序列为我们探寻真核生物的内共生起源 提供了分子系统学整体演变研究的可能性，另外目前的有关r n a s e p 的生化性质 的体外试验也提供了大量有关的r n a 与蛋白质络合过程中的不同代谢模式的分 子证据，因而，基于r n a s epr n a 分子的系统分析而建立的生命树不仅可以揭露 从细菌到动物的不同的种群之间的系统分类关系，而且为更深层次的生命起源与 物种演化的细胞内分子机制的研究提供了系统发育的整体分析。另外本文还在分 子系统学的一般性分析的基础上，对最后的结论进行了系统发育同源的检验与生 化实验的证据分析，而且进行了与其他生物信息学方法论提出的同源性相一致的 互相验证。 本论文首先利用已有的晶体结构分析结果与二级结构的预测结果相比较，总 结出r n a s epr n a 分子的核心保守区与辅助区交错分布的镶嵌型结构特点；然后 将传统的生物信息学中的系统分析模型按照r n a s epr i g a 分子特殊的保守型结 构进行了有针对性的改进，并应用于全部样本的生物体的系统发育分析，主要是 将序列比对联配的程序进行了有倾向性的比对参数调整，增加空位的开放罚分到 最大化的水平，同时作为一个重要的调节补偿，最大限度地降低了空位的延伸罚 分：将碱基取代模型增加了参数的动态调节，这样提高了整体比对结果中可用于 系统分析的信息位点的内容与数量；并从高级结构排列的角度也进行了一致的全 局比对。同时为了从最基本的r n a 分子热力学原理的基础上分析细菌、古生菌、 真核生物j 域r n a s epr n a 分子的基本信息统计的再次验证，我们发展了信息熵 的算法并改进了常用的碱基组分分析法，对仝部生物体r n a s ep r n a 序列的组分 分析在整体水平上，用直方图和信息熵差异度两种方法进行了比较分析。这些统 计结果从全局的信息分子组织性机制的水甲揭示了i 域的共性与区别，并且作为 一个迭代的算法技术来统计r n a s epr n a 的高级结构在一级碱基序列上的全局 映射，尤其是在碱基位点与碱基串序列分布的坐标映射分析。 在进行完上述工作后，丌始进入最后的结论性分析一生命树构建阶段，对于 我们全部收集至u s 3 s 条完整的m p b 序列的记录，在排除了1 7 6 个没有进行生物学鉴 定的细菌样本及少数蘑复的同种或同一j f | 清型样本后，我们全部采用了已经具备 生物学分类意义的样本，这样我们的生命树总共陈列了2 8 6 个确定分类的物种， 包括了1 8 7 个细菌，跨越了细菌的1 7 个门，古生菌中的2 7 个种；单细胞原生生物 中的9 个种，真菌中的2 6 个种，动物中的2 4 个种，藻类中4 个种( 一个绿藻和三个 红藻) 的叶绿体，两个单细胞原生物( 苔藓) 的叶绿体，5 个真菌的线粒体，一 个藻类的线粒体，一个单细胞原生物的线粒体。从最基本的生命起源的水平上， 运用个新的系统发育标i g r n a s epr n a ，探讨物种的系统发育关系，配合其它 生物信息学手段的使用，从一个更加统一而全面的结构序列演化的角度出发去分 析推断其系统的发育关系。在三域物种的整体进化研究的水平上，取得了以下研 究结果： 1 本研究结果首先显示：r n f l s epr n a 是一个具有全能意义的适用于 全部生物体范围的分子标记。依据r n a s epr n a 分子所构建的生命 树不仅微生物的大部分低层分支与权威的伯杰氏系统细菌学手册 相同，与古生菌、细菌、真核生物的三域分类体系相符合，而且对 高层分支关系提出了一些新建议，如真菌与原生生物分别作为独立 的界水平的分类地位；另外我们的系统分析还揭示出细菌有着极其 宽广的进化速率和更加庞大的家系，无论是从种群数量还是类群上 都占据了生物圈绝对的统治地位，象革兰氏阳性细菌，蓝细菌，革 兰氏阴性细菌和放线杆菌等大的类群都应有着更高层的分类地位， 并揭示这些高层类群从细菌进化的早期就已分开。 2 对于分子系统学来说，我们是第一次在一个统一的生物信息学模型 中将已收集到的所有样本一次完成r n a s epr n a 生命树的构建，并 没有加入在生命树构建中常用的人工合成手段，因而具有可重复性 与通用性。 3 将这棵生命树作为所有现存物种分类体系的基础，可以清晰地发现 这个结构体系主要由两大部分构成：一部分为古生菌与真核生物的 集群，另一部分为细菌。古生菌与真核生物是从一个共同祖先演化 而来的，而与细菌的祖先有着根本区别。不同生物世系之间r n a s ep r n a 分子的不同代谢特点与它们所承担的不同模式的核心结构调 节功能体现在这个r n a 分子携带的遗传信息的不同组成，并可以通 过生命树的形式反映不同生物世系中的进化分歧。 4 生命树中古生菌与真核生物同源关系的确立，解决了r n a s epr n a 二级结构比对分析与系统发育分析结果的矛盾。即现有的通过二级 结构预测得出的三域r n a s epr n a 的比较分析结果揭示出细菌与古 生菌具有同源性，而这两域都与真核生物亲缘关系相对较远，这首 先与公认的i 域分类体系相违背；而已有的r n a s ep 全酶的体外实验 结果中揭示古生菌与真核生物是都通过r n a s epr n a 绑定完全同源 的蛋白质组分米进行代谢，并需要极高的金属离子的活性环境，而 细菌是由r n a s epr n a 独立完成核酶的表达，这样整个古生菌与真 核生物的核酶在结构与组分上是相同的，他们的组织复杂度远远超 过了细菌核酶。 5 这棵生命树结构体系通过同源关系的分析界定了两种类型的细胞内 复制机制：一种为细菌所具备的简单型的胞内复制机制，另一种为 占生菌与真核生物所具备的复杂型的胞内复制机制。这是第一次通 过胞内复制的分子机制在长时进化与宏进化的水平上，揭示真核生 物起源于一种类古生菌的祖先。 6 r n a s epr n a 的系统分析揭示出生命的进化总体上表现为r n a 分子 全局调控的进化过程。目 j r n a s epr n a 分子在整体的r n a 蛋白质络 合结构进化中起到了全能性与主导性的调控作用，而蛋白质分子是 后生或后加入的，在整个核酶分子功能的表达上是受到r n a 分子的 全局调控的。古生菌和真核生物的r n a s epr n a 的复杂性表现在绑 定基质的复杂度上超过了细菌，即古生菌与真核生物r n a s epr n a 分子绑定的基质如蛋白质其分子大小、结构、数量( 至少四个) 、功 能的多样性等复杂度方面远远超过了细菌的单一性( 仅有一个低质 量的蛋白质分子，少数有两个) ，在整个核酶分子的进化过程中，根 据已有的酞酰酶转移中心理论，古生菌与真核生物中的蛋白质分子 是从无到有、从简单到复杂这样一个逐步添加的过程，这是由其 r n a 分子的复杂度水平所决定的，这些结论修f 了r n a s epr n a 分 子在高级结构系统分析与系统发育的误区，而且由r n a 调控的整个 核糖核蛋白络合过程揭示了r n a 分子承担的一种更为复杂的进化 角色，与r n a 世界的理论一起揭示了整个生物体的进化是r n a 分子 复杂度的进化。 7 本进化树从细菌所占据主枝的数量上也反映了细菌的占压倒性优势 的种群数量，可以从细菌所具备的成功的复制机制解释这一结果， 即细菌所具备的简单的复制机制与其他生物所采用的复制机制相 比，对环境的选择压力有更大的适应性。而古生菌与真核生物所具 有复杂的复制机制在自然选择的压力下采用了复杂度进化的方式， 由于生态位的不同导致了不同的演化速率，从而形成了今天古生菌 与真核生物具备不同等级的复杂度的分歧结局。 8 在我们的生命树上所有光合细菌与叶绿体聚合成姊妹群，同时立克 次体与线粒体聚成另一个紧密的姊妹群，而且分析中包括了同一生 物体细胞的线粒体与叶绿体的r n a s epr n a 序列，并且这些节点位 置与聚类关系有着充足的b o o t s t r a p 支持率。这样从全局的水平上支 持了真核生物细胞器内共生起源的的理论。 这样，基于r n a s epr n a 的镶嵌型结构进化体系与重建后的生命树的系统分 析一起揭示了r n a s epr n a 的分予进化历程符合征向达尔文的选择原理，由 r n a s epr n a 分子主导的核酶进化过程就是生物体从简单到复杂的整个结构进 化选择历程的缩微反映。作为一个典型的来自于非编码区的r n a 分子标记， r n a s epr n a 的结构性调节方式的进化不仅使基于r n a 分子的系统分析对生物 分类提出了指导意义，而且在长时进化与宏进化的统水平上，充分证明这样一 种基丁r n a 分子结构调节的进化机制是拒绝“横向漂移”与“水平转移”的，是 一种完全不同于蛋白质编码区的结构进化机制。从而在广义的角度解释了r n a 分子手导的进化过程。凶此，重新认识r n a 特别是非编码区分子序列的进化与自 然选择的相关性已成为当前生命科学亟待解决的问题。 关键词；r n a s ep r n a ：非编码区；分子标记；r n a 进化；基凶复制机制；自然 选择；生命树；生物信息学 a s y s t e m a t i c a n a l y s i sb a s e d o nr n a s epr n a a b s t r a c t i nt h ep r e g e n o m i ce r a , p r o t e i nr e s e a r c hd o m i n a t e sm o l e c u l a rb i o l o g y , w h i l ei n p o s t - g e n o m i ce r a , r n a a n d n o n c o d i n gd n as e q u e n c es t u d i e sa r el e a d i n gt h et h e m e o ft h eb i o l o g i c a lr e s e a r c h e v o l u t i o nt h e o r i e sb i a sm o s t l yi fn o te x c l u s i v e l yo n p h y l o g e n e t i ca n a l y s i so fp r o t e i n s ，t h eb i a s e dp r e f e r e n c ef o rp r o t e i na n a l y s i sc a u s e d c o n t r a d i c t i o n si ni n t e r p r e t i n gb i o l o g i c a le v o l u t i o n ，r e s u l t e di nt h eh i g h e s tg a p ，n e g l e c t o fr e s e a r c ho nr n a sr o l e a n dr e j e c t i o no ft h eb i o l o g i c a lm a c r o e v o l u t i o na tt h e m o l e c u l a rl e v e l p a r t i c u l a r l yt h ep o s s i b i l i t yt h a tt h ei n t e r v e n i n gn o n c o d i n gs e q u e n c e s m a yb et r a n s m i t t i n gp a r a l l e li n f o r m a t i o ni nt h ef o 珊o fr b i am o l e c u l e sm a yw e l lg o d o w na so n eo ft h eb i g g e s tm i s t a k e si nt h eh i s t o r yo fm o l e c u l a rb i o l o g y t h e u b i q u i t o u sc a t a l y t i cr i b o n u c l e a s epr n a ( r n p b ) w a sd i s c o v e r e da san o n c o d i n gr n a m o l e c u l a rm a r k e r , w h i c hc o n s e r v e dh i g h l yi na l lk i n g d o m so fl i f es a m ea ss s ur r n a i n c l u d i n gb a c t e r i a ，a r c h a e a ，a n de u c a r y a ，a sw e l l a st h et w om a j o ro r g a n e l l e s ， m i t o c h o n d r i aa n dc h l o r o p l a s t s r e s p o n s i b l ef o rm a t a r a t i o no ft h e5 e n do ft r n aa n d s o m er r n a s s c h o l a r st h i n kt h a tb a c t e r i a la n da r c h a e a lr n p b sa r em o r es i m i l a ri n s e q u e n c ea n ds t r u c t u r et h a ne i t h e ri st ot h ee u k a r y a lr n p b sb ys e c o n d a r ys t r u c t u r e c o m p a r i s o n ；b u t e u k a r y a la n da r c h a e a lr n p b sd i s p l a yn oc a t a l y t i ca c t i v i t yf nv i t r o w i t h o u tt h e i rp r o t e i n s a n dt h o s et h a ta r ec a t a l y t i cr e q u i r ee x t r a o r d i n a r i l yh i g h c o n c e n t r a t i o n so fb o t hm o n o v a l e n ta n dd i v a l e n ts a l t s ，d i s t i n c tf r o mb a c t e r i a a 1 1t h e s e r e p o r t sh a v ep r e s e n t e dc o n f l i c t i n ga n dc o n f u s i n gr e s u l t s t h en o t i o nt h a tr n ai st h ep r i m a r yi n f o r m a t i o na n dc a t a l y t i cm o l e c u l e i s s u p p o r t e db yr n p bc a p a c i t yt of u n c t i o na sac a r r i e ro f g e n e t i ci n f o r m a t i o na n ds e r v i n g a sar i b o z y m e t h u s t h i sr n ac o u l db eap o w e r f u lt 0 0 1f o rt h ed e t e r m i n a t i o no ft h e n a m r a lr e l a t i o n s h i p sb e t w e e no r g a n i s m s ，a n dm p b sf r o md i v e r s es p e c i e ss h o u l d m a i n t a i nad e e p l ya n dc o m p l e t e l yp h y l o g e n y b a s e do nr n a s epr n a s e q u e n c e sa n d t h e i rs t r u c t u r e si n c l u d i n ga 1 1b i o l o g i c a lt a x o n o m v t h ed i v e r s i t yo fb i o l o g i c a ls p e c i e s w a s i n v e s t i g a t e db ya m p l i f y i n gb i o i n f o r m a t i ca p p r o a c h e s ，t h ea p p r o a c h t ot h e c o m p o s i t i o n a lc o m p l e x i t ya n dt h ee n t r o p i cs t a t i s t i c t od a t e r e t r i e v e df r o mn c b l t h e r n a s epd a t a b 8 s e o v e r5 3 5c o m p l e t en u c l e o t i d es e q u e n c e so fr n p b sf r o mn u c l e u s c h l o r o p l a s t s ，a n dm i t o c h o n d r i aa r en o wa v a i l a b l e ，a n dt op r o v i d ef u r t h e re x a m p l e sf o r c o m p a r i s o n w ec h o s ea 1 1o r g a n i s m st oc o v e rab r o a dp h y l o g e n e t i cd i v e r s i t y , a n d b e c a u s eo fr e a l i t ym a g n i t u d e ，w er e f i n e db a c t e r i a ls a m p l e sa n de l i m i n a t e du n c u l t u r e d b a c t e r i as p e c i e s au n i v e r s a lt r e ec o n s t r u c t e du s i n gu s i n ga l lk n o w nt a x o n o m i cs a m p l i n ga n d s p e c i e s i n c l u d i n g18 7b a c t e r i a ln u c l e o i d s ，2 7a r c h a e a ln u c l e o i d s 9p r o t i s t a ln u c l e i ，2 6 f u n g a l n u c l e i ，2 4a n i t a a ln u c l e i a n d4 a l g a e lc h l o r o p l a s t s 1 p r o t i s t a l ( g l a u c o c y s t o p h y c e a e ) c h l o r o p l a s t ，5f u n g a lm i t o c h o n d r i a ，1a l g a e lm i t o c h o n d r i o na n d 1 p r o t i s t a l m i t o c h o n d r i o n i sh i g h l yc o m p a t i b l et ot h ep o s i t i v es e l e c t i o na n d e n d o s y m b i o s i sm e c h a n i s m f o rt h ef i r s tt i m e ，u s i n gan o n c o d i n gr n am o l e c u l a rm a r k e r , u n d e rau n i f i e d b i o i n f o r m a t i c a lc u l t u r ea n dc o m p l e t e db yo n ep a s s ，w ec o n s t r u c t e dar e a ll i f et r e e r i l ( i n gt h e1 i f et r e ea st h eb a s i sf o ran a t u r a lh i e r a r c h i c a lc l a s s i f i c a t i o no fa 1 1l i v i n g t h i n g s ，i t i sc l e a r l yc o m p o s e do ft w od o m a i n s ：a r c h a e a - 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d u p l i c a t i o ne v o l m i o nm e c h a n i s m w h i c h i sp r e s u m a b l ym o r ea d a p t a b l et os e l e c t i v ep r e s s u r et h a nt h ee v o l u t i o no fc o m p l e x i t i e s t h a to t h e ro r g a n i s m sm a yh a v ea d o p t e d ，v i ad i v e r g i n gi n t oa r c h a e aa n de u k a r y o t e si n o r d e rt oc o p ew i t hh a b i t a tn i c h ev a r i a t i o n sa n da l t e r n a t i v ee v o l v i n gr a t e s m o r e o v e r , t h ee v o l u t i o n a r ya r c h i t e c t u r eo ft h em p bs t r o n g l y s u p p o r t st h et h e o r yo fp o s i t i v e d a r w i n i a ns e l e c t i o n ，a n di m p l y i n gt h a tu n d e rt h em a x i m u ma n dm i n i m u mc o n s t r a i n t s i n i t i a t e db yr n ar e g u l a t i n g s t r u c t u r e t h ee v o l u t i o nf o rr n a h o s tc a nt a k ep l a c ea n d i sc o n s i d e r e do fm a j o ri m p o r t a n c et oe q u a l i z es p e c i e sn i c h e so rt om a i n t a i nt h e c r u c i a lc o n c e r t e d n e s sb e t w e e n r a n d o md r i f t g e n e r a t e df r o mp r o t e i np o l y m o r p h i s m a n dn a t u r a ls e l e c t i o na tag l o b a ll e v e lt h r o u g h o u tb i o l o g ye v o l u t i o ni nt h e “r n a w o r l d ” k e ) ，w o r d s ：r n a s epr n a ；n o n c o d i n ga r e a ；m o l e c u l a rm a r k e r ；r n ae v o l u t i o n ；g e n e d u p l i c a t i o nm a c h i n e r y ；n a t u r es e l e c t i o n ；l i f et r e e ；b i o i n f o r r n a t i c s x - 零论文中的缩硌滔 i 缩写英文中文 c rt h ec a t a l y t i c c o r er e g i o n 代落核心速 e g se x t e r n a lg u i d es e q u e n c e s外部引导序列 g e n e d u p l i c a t i o n e v o l v i n g g d e m 基因复青l 机制 m a c h i n e r y i n h e r i t a n c eo f a c q u i r e d i a c获得性遗传 c h a r a c t e r i c s l b a l o n gb r a n c ha t t r a c t i o n 避化树的“长技趿引” l g l l i n e a g e s p e c i f i cg e n el o s s 世系基因的纵向缺失 h g th o r i z o n t a lg e r i et r a n s f e r 基因横自漂移 h o x g e n e h o m e o f i cg e n e 同源算型基因 l s u l a r g es u b u a i t核糖体大亚基 m em i n i m u me v o l u t i o n 最小进化方法 m o l e c u l a ri n f o r m a t i o n m a n a g i n g m i m s分子信息管理机制 s y s t e m m pm a x i m u mp a r s i m o n y最大篾约法 m s a m u l t i p l es e q u e n c ea i i 掣1 i 芏1 e n t s全序列比对 n j n e i g h b o u rj o i n i n g邻按算法 n m r n u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c e核磁共振 n c r n a n o b c o d i n gr n a 非编码r n a p t r n ap r e - t r n a转运r n a 前体 r e c at h ek e yr e c o m b i n a t i o np r o t e i n 关键的疆组蛋白绶 r n a s e pr i b o n u c l e a s ep核酶 核酶r n a s ep 的蛋白质催化 m p a r n a s epp r o t e i n 媛基 核酶r n a s ep 中的r n a 催化 r n p b r n a s ep r n a 妲基 s o p h i s t i c a t e d s d e m复杂复制机制 d u p l i c a t i o n - e v o l v i n gm a c h i n e r y sd o m a i n s p e c i f i c i t yd o m a i n s 域或s 区 s y s t e m a t i ce v o l u t i o no fl i g a n d sb y s e l e x 指数富集配体的系统进化 e x p o n e n t i me n r i c h m e n t s s us m a l ls u b u n i t核糖体小亚綦 s s ur r n as s ur b o s o m a lr n a 核糖体小亚基r n a 基因 u n w e i g h t e dp a i rg r o u pm e t h o d使用算术平均的非加权对群 u p g m a w i t ha r i t h m e t i cm e a r l法 w g dw h o l eg e n o m ed u p l i c a t i o n 全基因组复制 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立 述行辨究所取褥鹃成果。学位论文中凡雩 用健人已经发表袋未发 表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明 弓l 餍戆内容努，不雹含任何其鳇个人或集体己经发表或撰写过黪辩骚 成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 嚼确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：国期： 关于学位论文使粥授权的声骠 本人在导卿糍导下掰完成的论文及槎关的职务作品，知识产毅归 属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定， 同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版， 允许论文被查阕和倍阂；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部 或部分痰容缓入有关数据疼进行检索，霹以采爱任l 爵复制手段僳存积 汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相 关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文储躲导爨虢毖疆g y 一 兰州大学博1 学位论文徐晓锋2 0 0 6 前言 一、核酶 t n a s epr n a 的研究的科学意义 分子生物学研究的进展推动了生物进化理论的不断深入。然而遗憾的是， 目酊的分子系统进化理论远未达到解释生物体自然分歧与长时进化的水平。而利 用生物信息学手段将生命信息系统看成一个整体，利用分子信息的语言来描述 生物进化的全过程，从而提出生物信息系统的进化理论框架，并为生物学系统分 析领域开辟了新的研究视角。在前基因组时代，蛋白质分子的进化研究成为生命 进化的主导内容，而到了以人类基因组为标志的后基因组时代，r n a 的研究逐 步成为分子生物学的理论热点。美国科学杂志已连续三年将r n a 研究列为 年度十大科学成就之一，2 0 0 2 年名列榜首( j o y c e ，2 0 0 2 ) 。r n a 分子的系统分析不 仅改变了生物科学理论研究的面貌，而且促使生物信息学研究与进化理论相结 合，推动了整个生命科学的蓬勃发展，并揭示了越来越多的生物学的基本矛盾与 理论冲突，其中最核心的问题就是有关非编码区的争论。 蛋白质在生物中发挥着各种生理功能，所以那些在庞大的基因组序列中数 量占绝对优势的序列，因为不编码蛋白质、也不编码r r n a 或t r n a 的d n a 序列就 被人们统称为无功能的d n a ，& j j u n kd n a 。在人们对这些所谓咆u n kd n a 的功 能还缺乏认识的时候，有人曾极力主张只测定那些编码蛋白质的序列，以便更有 效地获取基因组的绝大部分信息。随着研究的深入，许多报告已揭示j u l l kd n a 具有重要的功能，并发现越来越多的i u n kd n a 决非垃圾，而是基因组的宝贵财 富。实验表明，j u n kd n a 不仅在基因表达的时空调节中起重要作用，而且还能对 基因序列进行选择性拼接、编辑和再编码，使一个基因产生多个同源异形体蛋 白。已经揭示了大量的在所有真核生物中都存在着极端保守的非编码序列，在真 核生物进化谱系中所呈现的核苷酸替代速率还不及蛋白质编码序列的一半。这些 非编码序列片断可能的功能是什么? 目前还不清楚，在多大程度上生物的进化 是由r n a 解读方式的进化所决定。这些非编码序列片断的真正功能还有待于人 们的进一步研究。但有一点是毋庸置疑的，这些非编码序列片断必定不是真正的 i u n k 序列，而是基因组中具有重要功能的序列。 只从d n a 序列即“基因组图谱”不能解释生物机体的生长、发育和分化机制。 人们已经相信r n a 是获得性遗传( i n h e r i t a n c eo fa c q u i r e dc h a r a c t e r i c s ，i a c ) 的分 子基础。r n a 的转录后加工是所有生物分子加工过程中最复杂的过程，表明了 r n a 的复杂进化历程。生物的生长、发育和分化取决于r n a 对基因组的解读。 r n a 的加工过程涉及一系列信息处理( 信息加工) ，包括抽提信息、消除差错、转 换信号以及时空调节等，这一过程使遗传信息得以表达，也可能获得新的遗传信 息，其问体现了个体演化与系统进化的统一，然而这些零散的研究并没有揭示 r n a 的整体进化过程，尤其是有关r n a 的进化理论基本上是围绕着蛋白质的进 化研究展开的，而有关r n a 分子中除m r n a 、t r n a 、r r n a 以外，不编码蛋白质 的非编码r n a ( n o n c o d i n g r n a ，n c r n a l 部分，更是一片空白。 有关n c r n a 在生物体中的调控作用f 在逐步展丌，c e c h 首先揭示四膜虫2 6 s r r n a 前体能够通过自我拼接切除内含子，有和蛋白质酶相似的催化能力，表明 r n a 也具有催化功能( k r u g e re t a l ，1 9 8 2 ) ，同时提出r n a 具有酶的活性的概念； a l t m a n 又发现在较高阳离子浓度下，r n a s ep 中的r n a 本身即可催化r r n a 前体成 熟，而其蛋白组分却不具备此功能( g u e r r i e r t a k a d ae ta l ，1 9 8 3 ) 。这样c e c h 和 a l t m m a 也因此而共同荣获1 9 8 9 年的诺贝尔化学奖。随后c e c h 将化学本质为r n a 兰州人学博j 。学位论文徐晓锋2 0 0 6 的具有催化功能的生物大分子被统称为核酶( r i b o z y m e ) 。 作为一个迄今为止生化功能与结构研究最为清楚的n c r n a 分子，核酶r n a s e pr n a 的系统分析有可能揭示有关分子生物学中许多迄今悬而未决的问题，如非 编码r n a 是否是遗传信息传递载体，这种信息的传递对生物体进化的意义，并解 释生物进化中最基础的r n a 与蛋白质络合体的结构进化过程。 二、核酶r n a s epr n a 的研究的现状 人们已经揭示核酶r n a s epr n a ( m p b ) 是迄今为止发现的在自然状念下代 谢效率最高的非编码r n a 序列，它与s s ur r n a 分子一样在所有生物类群中都有 很高的保守性，m p b 分子是一个未被人们充分认识的分子标记，尽管m p b 分子的 核心序列具有在己知的生物体中特异保守的特点，但其辅助区序列与已经预测的 二级结构是相对变异激烈的，而且在复杂的高等真核生物体内其整体的晶体结构 与功能表达的定位是未知的或有较大争议的。 m p b 分子