科普園地|這個任勞任怨的郵遞員——信使 RNA(mRNA),你了解嗎?
1920年6月17日——102年前的今天,法國東北部城市南錫的一個猶太商人家庭,迎來了一個新生命。當年他們或許并未想到,這個新的生命,日后會在生命科學領域大放異彩——提出了遺傳學上的兩個重要理論概念:信使核糖核酸(mRNA)和操縱子模型。他,就是法國生物學家、細菌遺傳學家弗朗索瓦·雅各布。
1957年,英國科學家弗朗西斯·克里克首次提出了生命體的“中心法則”,即遺傳信息的走向是由脫氧核糖核酸(DNA)傳遞給核糖核酸(RNA),再由RNA傳遞給蛋白質。但是,蛋白質在細胞質之中,而DNA作為細胞核內的生物大分子,是不可隨意穿越核膜而進入細胞質的。那么,細胞核內的遺傳密碼是怎樣被帶入細胞質中的呢?這,要歸功于任勞任怨的郵遞員——mRNA。
中心法則提出后,1959年,來自法國巴斯德研究所的亞瑟·帕迪、弗朗索瓦·雅各布和雅克·莫諾通過乳糖操縱子實驗,推測遺傳信息從DNA到蛋白質之間的轉移,可能存在一種容易降解、不穩定的信使分子。但是,這種信使分子是什么?當時的他們并不清楚。1961年,雅各布等人經過反復實驗,最終捕獲到了這種稍瞬即逝的信使分子。原來它是一條與DNA互補的RNA分子,被稱為信使RNA。
雅各布等人提出的乳糖操縱子模型是分子遺傳學的一項重大成就,在生物學史上具有劃時代意義,其重要性甚至被有些科學家認為不亞于1953年發現的DNA雙螺旋分子結構。它開創了基因調控機制的研究,預言了mRNA的存在,導致mRNA的證實,為分子遺傳學理論的建立及認清蛋白質的合成機理奠定了基礎。雅各布、莫諾及其導師法國微生物學家安德烈·洛夫,因在酶和病毒合成的基因調控中的開創性工作,榮獲了1965年諾貝爾生理學或醫學獎。
mRNA這個郵遞員是怎么完成“送信”任務的呢?
細胞核中DNA是遺傳信息的“原件”,指揮合成蛋白質時,它的雙鏈首先拆開,以其中一條鏈為模板合成mRNA。mRNA含有與DNA分子中某些功能片段相對應的堿基序列,可作為蛋白質生物合成的直接模板。mRNA的遺傳信息保存在核苷酸序列中,由每3個堿基對組成的密碼子編碼一個特定氨基酸。
依據堿基互補配對原則轉錄生成的mRNA,離開細胞核進入細胞質后,就與蛋白質裝配機器——核糖體相結合,形成蛋白質的“生產線”。然后,在搬運工——轉運RNA(tRNA)的帶領下,特定的氨基酸到達核糖體,與mRNA“對號入座”。于是,一個一個的氨基酸被不斷地加長,直到完成整條肽鏈的合成。
mRNA發現60年后的今天,它被用于新冠疫苗的開發,并成為當今基因治療領域最重要的顛覆性生物技術之一,這在當時是無法預料的。
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