Rna研究“刷新”生命故事
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2001年3月20日
关于地球生命，尤其是人类的起源，一直是万众瞩目和科学家孜
孜求索的亘古悬疑。中国先哲称：“人之生也，气之聚也。聚则为生，散则为死。”现代科学认为，在地球之初，因种种条件使无机物转变
为有机物，进而形成生物分子体系，然后进化成最初的生命体。这就
是所谓的“生物进化论”。
前不久，美国《科学》杂志评出2000年十大科学成就：第一条是
科学家合作完成了人类基因组工作草图绘制工作，基本测定出了人类
基因组上的碱基序列；第二条是生命可能始于RNA(核糖核酸)，而
非DNA(脱氧核糖核酸)。遴选之余，该杂志慨叹，公众和媒体只重“
, 百拇医药
金牌”，而对“亚军”的功绩所知甚少。人们在关注DNA时，还应更
多地注意到RNA的研究。
1 从人类基因组说起
中、美、日、德、法、英六国科学家和美国塞莱拉公司前不久联
合公布了人类基因组图谱及初步分析结果。经初步分析，人类基因组
由31.647亿个碱基对组成，共有3万～3.5万个基因，为果蝇基因数的..5倍、酵母基因数的6～7倍。这显示，也许只能在人体中发现300个
与老鼠不同的基因，而不同人种间的差异则更小。
更重要的是，科学家还发现，与蛋白质合成有关的基因只占整个
, 百拇医药
基因组的2%，而以往的估计是，人体约有10万个基因。如果一个基
因编码一个蛋白质的话，人们很难相信，这么少的蛋白质如何维持人
体那么复杂而多变的生命现象。科学家估计，人体中的蛋白质数远大
于现在发现的基因数。如果一个基因可以表达出多种蛋白，生物又是
如何做到这一点的？而且，余下的98%的基因组有何功能？这些都是
谜。特别是越高等的生物，这种不编码蛋白质的基因组所占比例越大。
2 “垃圾”可能是RNA
在基因组研究过程中，科学家发现了大量的不编码蛋白质的重复
, 百拇医药
序列，它们一度被称为“垃圾”，而越是高等的生物中这种“垃圾”
的含量越多。
现在发现，这些“垃圾”中的一种，被称为Alu家族的序列与一
种参与细胞分泌蛋白质从细胞内向细胞外传输过程的SRP-RNA有同源
区(即序列上有相同的部分)。现它们被认为是反式可移动元件，因
此，现在我们应该区分两种不同的基因，一种是大家熟悉的蛋白质基
因，另一种是不编码蛋白质的、终产物是RNA的基因。前者现有一套
方法很容易地从基因组计划测得的DNA序列中找到，而后者现在还无
, 百拇医药
好的方法从DNA序列中找出。
近年来，随着基因组计划和蛋白质组计划的开展，与RNA有关的
计划也在不断提出。美国《科学》在发表人类基因组初步结果的同时
也刊有转录组的论文。最近有专家提出了“RNP(核糖核蛋白体)世
界”的假说，还有人提出了“RNA组计划”的设想。这些研究的主要
内容，都是如何从DNA序列中找出RNA基因。
3 生命的起源
人们对自己的起源乃至生命起源问题总怀有极大的兴趣。在现代
生物体系中，DNA携带遗传信息，蛋白质是生物功能分子。这就产生
, 百拇医药
了生命起源的初始时期，是先有DNA，还是先有蛋白质的问题。由于
蛋白质的遗传信息由DNA携带，所以没有DNA就没有蛋白质。但是，虽
然DNA有遗传信息，但它不是功能分子，没有蛋白质的参与，DNA就没
法自我复制。
因此，生命起源之初，先有DNA还是先有蛋白质，就如同先有鸡
还是先有蛋的问题一样使人困惑难解。
4 三类生物高分子化合物
DNA、RNA和蛋白质三类同被称为生物高分子化合物。经典的定义
是：基因是DNA的连续序列，DNA是信使核糖核酸(mRNA)的直接模板，mRNA是蛋白质生物合成的模板。生物体内含量最高的RNA是mRNA、转
, 百拇医药
移核糖核酸(tRNA)和核糖体核糖核酸(rRNA)，它们均参与蛋白质
的生物合成。近年来知道还存在很多种不同的RNA，它们均具各种不
同的生物功能。DNA化学性质不活泼，它常以反向互补的双链形式存
在，在生物体内起储存与复制遗传信息的功能。蛋白质由至少20种含
不同侧链的氨基酸组成，使得不同的蛋白质由于组成不同而可有极其
不同和多样的高级结构。这使得蛋白质成为生物体内最重要的效能分
子，它在生物体内无所不在、功能繁多。
5 “RNA世界”的提出
, http://www.100md.com
体外的化学反应通常需要在高温高压下进行，体内的化学反应却
能在常温常压下进行，而且效率非常高。这是由于体内有生物催化剂
———酶的参与。长期以来，人们只知道酶是由蛋白质组成的。20世
纪80年代初，美国科学家切赫发现RNA也可成为生物催化剂。最近，另一位美国科学家爱尔特曼也证明了这一点。切赫提出，原始的RNA
分子就可以完成生命最主要的特征———繁殖过程。由于RNA催化剂
的发现，切赫和爱尔特曼获得了1989年度的诺贝尔化学奖。
同年，诺贝尔化学奖获得者吉尔伯特提出了“RNA世界”的假说。
它指的是“在生命起源的某个时期，生命体仅由一种高分子化合物RN
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A组成。遗传信息的传递建立于RNA的复制，其复制机理与当今DNA复
制机理相似。此时，作为生物催化剂的由基因编码的蛋白质还不存在。”RNA是惟一的既能携带遗传信息又可以是功能分子的生物高分子化
合物。因此，生命发生之初，很可能是在原始海洋深处的火山口边，在高温、高压的条件下，在可作为催化剂的矿物质周边富集了可能是
由雷电中合成的原始核苷酸。亿万年的进化的过程中，形成了具有自
我复制能力的RNA。在人工条件下，这种进化的某些过程，已被成功
地模拟。原始的具有自我复制能力的RNA，在以后的亿万年进化过程
中，逐渐将其携带遗传信息的功能传给了DNA，将其功能分子的功能，传给了蛋白质。
, 百拇医药
6 核糖体是核酶
核糖体是由3～4种核糖体RNA(rRNA)与几十种蛋白质组成的核
糖核蛋白体，是蛋白质生物合成的场所。由于蛋白质生物功能的重要
性，人们一直在努力寻找催化蛋白质生物合成的关键酶———转肽酶，但几十年的努力没有得到任何结果。因此，人们开始怀疑，催化肽键
形成的不是蛋白，而是核酸。人们努力证明天然的rRNA有转肽酶活性，他们除去了核糖体中95%的蛋白，证明仅含5%蛋白的rRNA仍有转肽
酶活性。但反对的人提出，也许是那5%的蛋白催化了肽键的形成。
人们用人工方法筛选出具有转肽酶活性的RNA，但反对的人仍然提出，那只是人工的，不能代表天然情况。时间到了1999年至2000年间，终
, 百拇医药
于有研究显示，核糖体由大、小两个亚基组成，通过X衍射分析，获
得了高分辨率的图谱。图谱分析表明，在肽键形成处2毫微米的范围
中，完全没有蛋白质的电子云存在。这说明肽键的形成不可能由蛋白
质催化，而只可能是rRNA催化。因此核糖体是核酶(由核酸组成的生
物催化剂)，这一结果为“RNA世界”假说提供了重要依据。
7RNA具有运动功能
切赫的发现打破了禁锢人们思想的教条，20世纪90年代后期，RN
A的研究不断出现新发现。
中国旅美学者郭培宣发现：一种细菌病毒(噬菌体)的装配过程
, 百拇医药
中，首先由外壳蛋白组装成噬菌体的外壳，然后由一种称为门RNA(p
RNA)的六体，在噬菌体基部的口(或门)上，装配成分子马达，依
赖此分子马达的转动，将噬菌体DNA装入病毒外壳。完成DNA的包装后，门RNA即离开病毒。
8 RNA的调控功能
人的性染色体有两种，即X和Y，男性第23对染色体是XY，女性的
第23对染色体是XX。如果女性两条X染色体都能正常表达的话，女性X
编码基因的表达量将是男性的两倍，但事实是，男女性X染色体编码
蛋白的表达量是一致的。其原因是哺乳类Xist基因编码不表达蛋白质
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的RNA，它可通过一个非常复杂的过程，与两条X染色体中的一条结合，使其失活。
端粒RNA参与DNA端粒的合成，与细胞寿命有关。细胞分裂时，DN
A每复制一次，端粒部分的DNA会短一点，直到端粒全部消失。此时，细胞再也不能分裂，细胞走向死亡。成人的正常细胞已没有端粒酶和
端粒RNA。而癌细胞却含有端粒酶和RNA。所以，端粒RNA控制了细胞
的寿命和癌症的发生。
9携带调制遗传信息
在一些病毒中，是RNA携带遗传信息，而不是DNA携带遗传信息。
属于RNA病毒的有烟草斑纹病毒等侵染植物的病毒，有鸡法氏囊病病
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毒等侵染动物的病毒。与艾滋病有关的HIV病毒也是RNA病毒。乙肝病
毒虽是DNA病毒，但在其生命周期中，需要经过一全长RNA的过程。由
此可见，我们没有理由忽视RNA在携带遗传信息方面的功能。
酵母、植物、动物等为真核生物，它们的基因有很多是断裂基因，即基因的初始转录物(mRNA前体)中，一段段的蛋白质编码区被居间
序列分开。只有居间序列被去除后，成熟了的mRNA才能成为蛋白质生
物合成的模板。居间序列的去除需要小分子RNA的参与，这过程称为R
NA剪接。美国的P·sharp因他在发现断裂基因和在居间序列去除机制
, 百拇医药
方面的贡献与美国的P·Robert一起获得了诺贝尔生理与医学奖。通
过不同方式的RNA剪接，一种基因可在不同的生理、病理条件或不同
的细胞、组织中合成不同的蛋白，如果蝇的性别就是通过不同的剪接
途径完成的。
很多实例表明，来自原始基因的遗传信息只占成熟mRNA的45%，成熟mRNA的55%的遗传信息来自其他RNA。不同的编辑方式，可以在R
NA水平上调控基因的开放和关闭，增加或减少遗传信息，使一种基因
合成出多种蛋白。
在蛋白质生物合成过程中，除了常规的合成规律外，还有多种被
, 百拇医药
称为“再编码”的方式。通常情况下，mRNA编码区中的每三个核苷酸
组成一个密码子。每个密码子按一定的密码表翻译成一个氨基酸或用
作翻译的停止信号，在这种情况下，编码区的每个核苷酸只能，也必
须被阅读一次。
但在再编码过程中，有的核苷酸被跳过或没有被阅读，而有的核
苷酸却被阅读了两次，有的密码子被用来翻译特殊的氨基酸。因此，是否经过再编码就可使一个基因合成出多种蛋白质，需要更深入的研
究。从上可知，遗传信息从DNA到蛋白质的过程中，RNA并非只起简单
的传递作用。RNA通过各种剪接、编辑和再编码的方式来调控基因表
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达的方向，调制遗传信息。
10 RNA与疾病的关系
mRNA通常由编码区和非编码区组成，中科院上海生化所的刘定干
等在寻找抗癌基因的过程中，发现一种mRNA的3＇非编码区具抗癌活
性。
很多RNA的突变可以引起疾病，这类例子有红斑狼疮、重症肌无
力、某些2型糖尿病、帕金森氏病、老年性痴呆等等。必须指出，RNA
研究落后于DNA研究和蛋白质研究，随RNA研究的发展，由RNA缺陷而
引起疾病的种类会不断增加。
, 百拇医药
11 生命可能由RNA而起
核糖体是核酶的确证，导致了“生命可能始于RNA(核糖核酸)，而非DNA(脱氧核糖核酸)”
的结论。人们有理由认为，RNA通过控制蛋白质的生物合成和对
很多重要生命现象的调控功能，使它处于生命现象的核心位置。RNA
研究在全面、真正解开生命奥秘的过程中，将发挥它不可替代的重要
作用。RNA研究将为人类认识世界、改造世界，为人类的健康长寿作
出它应有的贡献。, 百拇医药
孜求索的亘古悬疑。中国先哲称：“人之生也，气之聚也。聚则为生，散则为死。”现代科学认为，在地球之初，因种种条件使无机物转变
为有机物，进而形成生物分子体系，然后进化成最初的生命体。这就
是所谓的“生物进化论”。
前不久，美国《科学》杂志评出2000年十大科学成就：第一条是
科学家合作完成了人类基因组工作草图绘制工作，基本测定出了人类
基因组上的碱基序列；第二条是生命可能始于RNA(核糖核酸)，而
非DNA(脱氧核糖核酸)。遴选之余，该杂志慨叹，公众和媒体只重“
, 百拇医药
金牌”，而对“亚军”的功绩所知甚少。人们在关注DNA时，还应更
多地注意到RNA的研究。
1 从人类基因组说起
中、美、日、德、法、英六国科学家和美国塞莱拉公司前不久联
合公布了人类基因组图谱及初步分析结果。经初步分析，人类基因组
由31.647亿个碱基对组成，共有3万～3.5万个基因，为果蝇基因数的..5倍、酵母基因数的6～7倍。这显示，也许只能在人体中发现300个
与老鼠不同的基因，而不同人种间的差异则更小。
更重要的是，科学家还发现，与蛋白质合成有关的基因只占整个
, 百拇医药
基因组的2%，而以往的估计是，人体约有10万个基因。如果一个基
因编码一个蛋白质的话，人们很难相信，这么少的蛋白质如何维持人
体那么复杂而多变的生命现象。科学家估计，人体中的蛋白质数远大
于现在发现的基因数。如果一个基因可以表达出多种蛋白，生物又是
如何做到这一点的？而且，余下的98%的基因组有何功能？这些都是
谜。特别是越高等的生物，这种不编码蛋白质的基因组所占比例越大。
2 “垃圾”可能是RNA
在基因组研究过程中，科学家发现了大量的不编码蛋白质的重复
, 百拇医药
序列，它们一度被称为“垃圾”，而越是高等的生物中这种“垃圾”
的含量越多。
现在发现，这些“垃圾”中的一种，被称为Alu家族的序列与一
种参与细胞分泌蛋白质从细胞内向细胞外传输过程的SRP-RNA有同源
区(即序列上有相同的部分)。现它们被认为是反式可移动元件，因
此，现在我们应该区分两种不同的基因，一种是大家熟悉的蛋白质基
因，另一种是不编码蛋白质的、终产物是RNA的基因。前者现有一套
方法很容易地从基因组计划测得的DNA序列中找到，而后者现在还无
, 百拇医药
好的方法从DNA序列中找出。
近年来，随着基因组计划和蛋白质组计划的开展，与RNA有关的
计划也在不断提出。美国《科学》在发表人类基因组初步结果的同时
也刊有转录组的论文。最近有专家提出了“RNP(核糖核蛋白体)世
界”的假说，还有人提出了“RNA组计划”的设想。这些研究的主要
内容，都是如何从DNA序列中找出RNA基因。
3 生命的起源
人们对自己的起源乃至生命起源问题总怀有极大的兴趣。在现代
生物体系中，DNA携带遗传信息，蛋白质是生物功能分子。这就产生
, 百拇医药
了生命起源的初始时期，是先有DNA，还是先有蛋白质的问题。由于
蛋白质的遗传信息由DNA携带，所以没有DNA就没有蛋白质。但是，虽
然DNA有遗传信息，但它不是功能分子，没有蛋白质的参与，DNA就没
法自我复制。
因此，生命起源之初，先有DNA还是先有蛋白质，就如同先有鸡
还是先有蛋的问题一样使人困惑难解。
4 三类生物高分子化合物
DNA、RNA和蛋白质三类同被称为生物高分子化合物。经典的定义
是：基因是DNA的连续序列，DNA是信使核糖核酸(mRNA)的直接模板，mRNA是蛋白质生物合成的模板。生物体内含量最高的RNA是mRNA、转
, 百拇医药
移核糖核酸(tRNA)和核糖体核糖核酸(rRNA)，它们均参与蛋白质
的生物合成。近年来知道还存在很多种不同的RNA，它们均具各种不
同的生物功能。DNA化学性质不活泼，它常以反向互补的双链形式存
在，在生物体内起储存与复制遗传信息的功能。蛋白质由至少20种含
不同侧链的氨基酸组成，使得不同的蛋白质由于组成不同而可有极其
不同和多样的高级结构。这使得蛋白质成为生物体内最重要的效能分
子，它在生物体内无所不在、功能繁多。
5 “RNA世界”的提出
, http://www.100md.com
体外的化学反应通常需要在高温高压下进行，体内的化学反应却
能在常温常压下进行，而且效率非常高。这是由于体内有生物催化剂
———酶的参与。长期以来，人们只知道酶是由蛋白质组成的。20世
纪80年代初，美国科学家切赫发现RNA也可成为生物催化剂。最近，另一位美国科学家爱尔特曼也证明了这一点。切赫提出，原始的RNA
分子就可以完成生命最主要的特征———繁殖过程。由于RNA催化剂
的发现，切赫和爱尔特曼获得了1989年度的诺贝尔化学奖。
同年，诺贝尔化学奖获得者吉尔伯特提出了“RNA世界”的假说。
它指的是“在生命起源的某个时期，生命体仅由一种高分子化合物RN
, http://www.100md.com
A组成。遗传信息的传递建立于RNA的复制，其复制机理与当今DNA复
制机理相似。此时，作为生物催化剂的由基因编码的蛋白质还不存在。”RNA是惟一的既能携带遗传信息又可以是功能分子的生物高分子化
合物。因此，生命发生之初，很可能是在原始海洋深处的火山口边，在高温、高压的条件下，在可作为催化剂的矿物质周边富集了可能是
由雷电中合成的原始核苷酸。亿万年的进化的过程中，形成了具有自
我复制能力的RNA。在人工条件下，这种进化的某些过程，已被成功
地模拟。原始的具有自我复制能力的RNA，在以后的亿万年进化过程
中，逐渐将其携带遗传信息的功能传给了DNA，将其功能分子的功能，传给了蛋白质。
, 百拇医药
6 核糖体是核酶
核糖体是由3～4种核糖体RNA(rRNA)与几十种蛋白质组成的核
糖核蛋白体，是蛋白质生物合成的场所。由于蛋白质生物功能的重要
性，人们一直在努力寻找催化蛋白质生物合成的关键酶———转肽酶，但几十年的努力没有得到任何结果。因此，人们开始怀疑，催化肽键
形成的不是蛋白，而是核酸。人们努力证明天然的rRNA有转肽酶活性，他们除去了核糖体中95%的蛋白，证明仅含5%蛋白的rRNA仍有转肽
酶活性。但反对的人提出，也许是那5%的蛋白催化了肽键的形成。
人们用人工方法筛选出具有转肽酶活性的RNA，但反对的人仍然提出，那只是人工的，不能代表天然情况。时间到了1999年至2000年间，终
, 百拇医药
于有研究显示，核糖体由大、小两个亚基组成，通过X衍射分析，获
得了高分辨率的图谱。图谱分析表明，在肽键形成处2毫微米的范围
中，完全没有蛋白质的电子云存在。这说明肽键的形成不可能由蛋白
质催化，而只可能是rRNA催化。因此核糖体是核酶(由核酸组成的生
物催化剂)，这一结果为“RNA世界”假说提供了重要依据。
7RNA具有运动功能
切赫的发现打破了禁锢人们思想的教条，20世纪90年代后期，RN
A的研究不断出现新发现。
中国旅美学者郭培宣发现：一种细菌病毒(噬菌体)的装配过程
, 百拇医药
中，首先由外壳蛋白组装成噬菌体的外壳，然后由一种称为门RNA(p
RNA)的六体，在噬菌体基部的口(或门)上，装配成分子马达，依
赖此分子马达的转动，将噬菌体DNA装入病毒外壳。完成DNA的包装后，门RNA即离开病毒。
8 RNA的调控功能
人的性染色体有两种，即X和Y，男性第23对染色体是XY，女性的
第23对染色体是XX。如果女性两条X染色体都能正常表达的话，女性X
编码基因的表达量将是男性的两倍，但事实是，男女性X染色体编码
蛋白的表达量是一致的。其原因是哺乳类Xist基因编码不表达蛋白质
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的RNA，它可通过一个非常复杂的过程，与两条X染色体中的一条结合，使其失活。
端粒RNA参与DNA端粒的合成，与细胞寿命有关。细胞分裂时，DN
A每复制一次，端粒部分的DNA会短一点，直到端粒全部消失。此时，细胞再也不能分裂，细胞走向死亡。成人的正常细胞已没有端粒酶和
端粒RNA。而癌细胞却含有端粒酶和RNA。所以，端粒RNA控制了细胞
的寿命和癌症的发生。
9携带调制遗传信息
在一些病毒中，是RNA携带遗传信息，而不是DNA携带遗传信息。
属于RNA病毒的有烟草斑纹病毒等侵染植物的病毒，有鸡法氏囊病病
, http://www.100md.com
毒等侵染动物的病毒。与艾滋病有关的HIV病毒也是RNA病毒。乙肝病
毒虽是DNA病毒，但在其生命周期中，需要经过一全长RNA的过程。由
此可见，我们没有理由忽视RNA在携带遗传信息方面的功能。
酵母、植物、动物等为真核生物，它们的基因有很多是断裂基因，即基因的初始转录物(mRNA前体)中，一段段的蛋白质编码区被居间
序列分开。只有居间序列被去除后，成熟了的mRNA才能成为蛋白质生
物合成的模板。居间序列的去除需要小分子RNA的参与，这过程称为R
NA剪接。美国的P·sharp因他在发现断裂基因和在居间序列去除机制
, 百拇医药
方面的贡献与美国的P·Robert一起获得了诺贝尔生理与医学奖。通
过不同方式的RNA剪接，一种基因可在不同的生理、病理条件或不同
的细胞、组织中合成不同的蛋白，如果蝇的性别就是通过不同的剪接
途径完成的。
很多实例表明，来自原始基因的遗传信息只占成熟mRNA的45%，成熟mRNA的55%的遗传信息来自其他RNA。不同的编辑方式，可以在R
NA水平上调控基因的开放和关闭，增加或减少遗传信息，使一种基因
合成出多种蛋白。
在蛋白质生物合成过程中，除了常规的合成规律外，还有多种被
, 百拇医药
称为“再编码”的方式。通常情况下，mRNA编码区中的每三个核苷酸
组成一个密码子。每个密码子按一定的密码表翻译成一个氨基酸或用
作翻译的停止信号，在这种情况下，编码区的每个核苷酸只能，也必
须被阅读一次。
但在再编码过程中，有的核苷酸被跳过或没有被阅读，而有的核
苷酸却被阅读了两次，有的密码子被用来翻译特殊的氨基酸。因此，是否经过再编码就可使一个基因合成出多种蛋白质，需要更深入的研
究。从上可知，遗传信息从DNA到蛋白质的过程中，RNA并非只起简单
的传递作用。RNA通过各种剪接、编辑和再编码的方式来调控基因表
, http://www.100md.com
达的方向，调制遗传信息。
10 RNA与疾病的关系
mRNA通常由编码区和非编码区组成，中科院上海生化所的刘定干
等在寻找抗癌基因的过程中，发现一种mRNA的3＇非编码区具抗癌活
性。
很多RNA的突变可以引起疾病，这类例子有红斑狼疮、重症肌无
力、某些2型糖尿病、帕金森氏病、老年性痴呆等等。必须指出，RNA
研究落后于DNA研究和蛋白质研究，随RNA研究的发展，由RNA缺陷而
引起疾病的种类会不断增加。
, 百拇医药
11 生命可能由RNA而起
核糖体是核酶的确证，导致了“生命可能始于RNA(核糖核酸)，而非DNA(脱氧核糖核酸)”
的结论。人们有理由认为，RNA通过控制蛋白质的生物合成和对
很多重要生命现象的调控功能，使它处于生命现象的核心位置。RNA
研究在全面、真正解开生命奥秘的过程中，将发挥它不可替代的重要
作用。RNA研究将为人类认识世界、改造世界，为人类的健康长寿作
出它应有的贡献。, 百拇医药