7.1 从DNA到蛋白质：中心法则的实现

7.1 从DNA到蛋白质：中心法则的实现

本节摘要：中心法则描述遗传信息从DNA到RNA再到蛋白质的流动。DNA复制通过半保留机制在每次细胞分裂前精确复制遗传信息。转录由RNA聚合酶催化，将DNA上的基因序列拷贝为mRNA前体。翻译在核糖体上进行，由tRNA携带的氨基酸按密码子匹配规则组装成多肽链。

三个"抄写员"：复制、转录、翻译

遗传信息的传递像一场接力：DNA先把自己完整地抄一份（复制），再把某个基因的序列抄成RNA（转录），最后由核糖体把RNA的"语言"翻译成蛋白质的"语言"（翻译）。三次抄写使用不同的规则和工具，出错率和后果也完全不同。本节把这三个过程放在一起对照，你会发现它们共享同一个逻辑：模板决定产物，酶负责忠实执行。

学习目标

阅读完本节，你应当能够：

1. 解释DNA半保留复制的机制和实验证据
2. 描述真核mRNA前体的加工步骤（加帽、加尾、剪接）
3. 列举翻译的三个阶段（起始、延伸、终止）中的关键分子
4. 比较原核和真核在转录-翻译偶联上的差异

DNA复制：半保留策略

DNA双链解开，每条链作为模板合成互补的新链。结果：每个子代DNA分子包含一条旧链（来自亲代）和一条新链——这就是Watson和Crick提出的半保留复制。

1958年Meselson-Stahl实验用重氮（15N）标记DNA，通过密度梯度离心证实了半保留复制：复制一代后所有DNA都是中等密度（一条重链一条轻链），排除了全保留和散布式复制。

复制的核心酶是DNA聚合酶。它有两个关键限制：只能沿5'→3'方向合成新链；不能从头开始合成，需要一个RNA引物提供3'-OH起点。引物由引物酶（一种RNA聚合酶）合成，后被DNA聚合酶替换为DNA。

因为两条模板链方向相反，但新链合成只能5'→3'，所以一条新链（前导链）可以连续合成，另一条（滞后链）需要以不连续的冈崎片段（约1000-2000 nt）合成，再由DNA连接酶连接。

DNA复制的保真性来自三层保障：碱基配对的几何选择性（错误率约10^-5）、DNA聚合酶的3'→5'外切校正活性（降低到约10^-7）、错配修复系统（最终降到约10^-9）。如果没有这些校正机制，每次复制一个30亿碱基对的人类基因组会产生数千个突变。

转录：从DNA到RNA

转录由RNA聚合酶催化。原核细胞只有一种RNA聚合酶；真核细胞有三种：RNA聚合酶I（rRNA，除5S外）、II（mRNA和snRNA）、III（tRNA、5S rRNA和其他小RNA）。

真核转录的基本步骤：

1. 起始。转录因子（TFIIA、B、D、E、F、H等）先结合到启动子区域，RNA聚合酶II被招募。转录因子和聚合酶形成转录前起始复合物（PIC），DNA在转录起点处局部解链。

2. 延长。RNA聚合酶沿模板链3'→5'方向移动，以5'→3'方向合成RNA链。RNA聚合酶本身具有解旋和重新封闭DNA双链的功能，不需要解旋酶辅助。

3. 终止。真核mRNA的终止信号不如原核明确。聚合酶通过特定的序列信号后，pre-mRNA在多聚腺苷化位点被切割，然后加上polyA尾巴。聚合酶最终在下游脱离DNA。

真核mRNA的加工是转录和翻译之间的必经步骤：

• 5'加帽：一个7-甲基鸟苷通过5'-5'三磷酸键连接到mRNA的5'端，保护mRNA不被外切酶降解，也参与翻译起始的识别。
• 3'加polyA尾巴：在多聚腺苷化位点切割后，polyA聚合酶添加约200个腺苷酸。尾巴越长mRNA越稳定。
• 内含子剪接：由剪接体（snRNA和蛋白质组成的复合物）识别内含子两端的剪接位点序列（GU-AG规则），切除内含子并连接外显子。可变剪接使一个基因可以产生多种不同的mRNA和蛋白质——人类大约95%的多外显子基因存在可变剪接。

翻译：从RNA到蛋白质

翻译在核糖体上进行。翻译分三个阶段：

起始。在真核细胞中，起始因子eIF4E结合mRNA的5'帽，eIF2-GTP-Met-tRNAi结合40S小亚基形成43S前起始复合物。这个复合物扫描mRNA找到起始密码子AUG，60S大亚基加入形成完整的80S起始复合物。

延伸。延伸因子eEF1A-GTP携带氨基酰-tRNA进入A位，密码子-反密码子配对正确后GTP水解。肽基转移酶（核糖体大亚基的rRNA）催化A位氨基酸与P位肽链之间的肽键形成。eEF2-GTP驱动核糖体沿mRNA移动一个密码子（转位），释放空载tRNA。

终止。当核糖体到达终止密码子（UAA、UAG、UGA）时，没有对应的tRNA可以识别。释放因子eRF1识别终止密码子并触发肽链释放。

原核细胞中转录和翻译是偶联的——mRNA还在被转录时核糖体就已经开始翻译。真核细胞中转录在核内、翻译在细胞质中，两者在时间和空间上分离，mRNA加工发生在中间。

三个过程的一张对照表

把复制、转录、翻译放在一张表里对照：

三个过程还有一个容易混淆的点：复制和转录都以DNA为模板，但复制把两条链都当模板，转录只以其中一条链（模板链）为模板；复制需要引物，转录不需要；复制把整个基因组拷贝一遍，转录只读特定基因。这些差异都源于目的不同：复制要"保真"，转录要"选择"。

信息流向可以概括为下图：

中心法则的修正与扩展

经典中心法则是DNA到RNA到蛋白质的单向流动，但真实世界要复杂得多。除了逆转录病毒用RNA作模板合成DNA，还有这些修正：

• RNA复制：某些RNA病毒用RNA依赖的RNA聚合酶直接复制RNA基因组。
• RNA编辑：mRNA的序列可以在转录后被酶修改（如胞嘧啶脱氨为尿嘧啶），导致最终蛋白质与DNA模板不完全对应。
• 蛋白质到蛋白质的"传递"：朊病毒蛋白可以通过构象变化"传染"正常蛋白错误折叠，虽然没有核酸参与，但信息（构象）确实在传递。

理解这些例外，能帮你建立更准确的图景：中心法则描述的是主流信息流，不是绝对的单行道。

还有一个值得对比的细节：转录的保真性低于复制。RNA聚合酶没有3'到5'外切校正活性，转录错误率约为10的负4次方，而DNA复制经过校正后约为10的负9次方。细胞能容忍转录错误，因为蛋白质是"消耗品"，坏了可以再合成；但DNA是"传家宝"，错一次就可能传给所有后代。这个差异深刻影响了两种聚合酶的设计：DNA聚合酶慢而准，RNA聚合酶快而糙。

要点回顾

• DNA半保留复制：每条旧链做模板合成新链，Meselson-Stahl实验证实
• DNA聚合酶5'→3'合成，需要RNA引物，前导链连续合成，滞后链不连续合成冈崎片段
• 三层保真性：碱基配对选择性（10^-5）→外切校正（10^-7）→错配修复（10^-9）
• 真核mRNA加工：5'加帽+3'加polyA+内含子剪接；可变剪接增加蛋白质多样性
• 翻译三阶段：起始（识别AUG）→延伸（密码子配对+肽键形成+转位）→终止（终止密码子+释放）