中心法则面临的挑战：朊病毒和逆转录病毒的复制

1958年克里克(Crick)提出的中心法则(central dogma)理论，为分子生物学的建立奠定了基础，也是现代生物学最基本、最重要的规律之一，被公认为遗传信息在细胞内转移的基本法则。中心法则指遗传信息从DNA传递给RNA，再从RNA传递给蛋白质，即完成遗传信息转录和翻译的过程；也可以从DNA传递给DNA，即完成遗传信息的复制过程。脱氧核糖核酸(DNA)或核糖核酸(RNA)分子中具有功能意义的核苷酸顺序称为遗传信息。遗传信息的转移包括核酸分子间的转移、核酸和蛋白质分子间的转移。中心法则曾经指出遗传信息的传递是从DNA到RNA再到蛋白质，它说明遗传信息在不同的大分子之间的转移都是单向的，是不可逆的，只能从DNA到RNA，从RNA到蛋白质。 随着研究的深入，中心法则在形式上和内容上都不断得到了修正和充实。1970年，Temin和Baltimore等发现RNA病毒在宿主细胞中的复制是以病毒RNA分子为模板合成DNA分子，再以DNA分子为模板合成新的病毒RNA，这些病毒被称为逆转录病毒。这一发现是中心法则提出后的最新发现。因此，克里克在1970年提出了更完整的中心法则，其中心论点是遗传信息一旦转移到蛋白质之后，既不能从蛋白质转移到蛋白质，也不能从蛋白质逆转到核酸。中心法则合理地说明了在细胞的生命活动中两类生物大分子的关联和分工：核酸是储存和转移遗传信息、指导和控制蛋白质合成的生物大分子；而蛋白质是进行新陈代谢和组成细胞结构的生物大分子。 进一步研究发现，病毒的复制方式因病毒基因组类型不同而异，病毒RNA自我复制和以RNA为模板逆转录成DNA的过程是对中心法则的补充。双链DNA病毒的转录方式与宿主细胞相同；单链DNA病毒需要通过双链阶段后再转录出mRNA；单链正链RNA病毒的RNA可直接作为信使，利用宿主的蛋白质合成机器合成它所编码的蛋白质；单链负链RNA病毒则需先转录成互补的正链作为其mRNA。反转录病毒的复制方式，丰富了遗传信息传递的中心法则。 朊病毒(又称prion)，这是一类与一般病毒不同的生物，它只有蛋白质而无核酸，有与许多传统的病原体不同的特性，但却有感染性和遗传性。具有致病性的prion是一种能复制和沉淀，并且具有传染性和极强抵抗力的特殊蛋白质颗粒(30～50nm)。朊病毒与其他已知病毒一样，具有可滤过性、传染性、致病性及宿主特异性等特点。普鲁西纳(StanleyBPrusiner)于1982年提出了朊病毒致病的“蛋白质构象致病假说”。该假说指出，朊病毒蛋白有两种构象：细胞型(正常型PrPC)和搔痒型(致病型PrPSc)，两者的主要区别在于其空间构象上的差异。PrPC仅存在α螺旋，而PrPSc有多个β折叠存在；PrpSc可胁迫PrPC转化为PrpSc，实现自我复制，并产生病理效应；基因突变可导致细胞型PrPSc中的α螺旋结构不稳定，并自发性转化成β折叠和变为PrpSc型，最终通过多米诺效应倍增致病。朊病毒致病的假说揭示了两点：朊病毒是蛋白质，不包含DNA和RNA成分；朊病毒是由正常功能蛋白质的空间结构变异而成。同时也提示：朊病毒的复制不是以核酸为模板，而是以蛋白质为模板，这对探索生命的起源与生命现象的本质产生了重大的影响。因此，朊病毒以蛋白质作为遗传信息的载体，实现了遗传信息从蛋白质传递给蛋白质的目的。有关朊病毒的研究曾分别于1976年和1997年获得诺贝尔生理学/医学奖。 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。如果朊病毒的遗传信息存在于蛋白质分子自身，则有两种可能性：蛋白质的空间结构储存着信息，指导合成新的肽链；转译的遗传信息倒流，即在朊病毒蛋白质指导下合成mRNA，再指导合成朊病毒蛋白质。然而，至今尚未发现逆转译酶。 逆转录病毒和朊病毒的发现对于中心法则而言是补充还是冲击？“DNA→蛋白质”与“蛋白质→蛋白质”之间的矛盾将如何解决？对这一问题的深入研究不仅能够丰富生物学有关领域的内容，对分子生物学、分子病毒学、分子遗传学等学科的发展将产生重要的影响，对探索生命起源与生命现象的本质也有着重要的意义。 中心法则理论的核心思想并非简单的线性传递关系，而是核酸与蛋白质之间复杂的相互作用。随着生命科学研究的飞速发展，人类一定能揭开生命遗传信息更多的奥秘，中心法则的外延和内涵都将极大地得到拓展和充实，中心法则将发展为延续、开放的广义中心法则———-一种揭示核酸与蛋白质之间相互作用、相互影响、密切合作，共同完成遗传信息的储存、复制、传递、加工和修饰等的生命过程。 随着生物学的发展和人类的进步，各种病毒等微生物也不断突变着、进化着，这给人类带来新的契机、新的挑战。自然界在不断地推陈出新，人类也不能停下探索的步伐。