恭喜生命字母表喜提4名新成员!上新了,DNA!

恭喜生命字母表喜提4名新成员!上新了,DNA!
2019年03月10日 08:34 新浪科技-自?#25945;?#32508;合

  来源:科普中国

  本文专家:陶宁,中国科学院生物物理研究所副教授

  近日,一篇最新发表在《科学》期刊上的研究表明,生命“字母表”迎来4名新成员,已经从4个变成了8个!

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  这项研究被誉为里程碑式的成果,它到底牛在何处呢?

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  今天,我们就为大家来简单介绍一下。

  A、T、C、G?这都是些啥?

  在介绍这4名人工合成的新成员之前,先来认识一下4个元老级的天然碱基吧。

  在生物学领域,最激动人心的?#24405;?#33707;过于生命的诞生,也就是生命的起源。追溯这个问题,首先需要回答生命的物质基础——基因,而基因是由4个天然碱基组成的,它们的英文代码分别是“C”“G”“T”“A”,对应的中文名字是胞嘧啶、鸟嘌呤、胸腺嘧啶、腺嘌呤,配对规则是C配G,T配A,C和G之间通过3个氢键相连,T和A之间是2个氢键。

  从简单的单细胞生物到灵长类,生命体的遗传密码就是由ATCG来记录和传递的,如同一本神秘的生命密码本,指导着蛋?#23383;?#30340;合成和功能调控,包括我们人类的生?#21916;?#27515;、高矮?#36136;藎?#29978;至我们的性格和健?#24213;?#20917;,基因都在默默的指导?#29275;?#24182;且和环境因素、行为因素共同决定着我们的健康水?#20581;?#24576;孕的准妈妈们开展的羊水穿刺细胞学检查和无创遗传缺陷筛查,就是为了排除致病基因导致的出生缺陷。

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  基因管着这么多的事情,一定是由很多密码编码的吧?恰恰相反,只有4个。那么它们是怎?#35789;?#29616;这些功能的呢?#38752;?#30340;就是这4个碱基的不同排列组合,并且通过DNA的甲基化、乙酰化修饰,DNA序列的剪接翻译以及翻译后修饰,DNA中不编码蛋?#23383;?#30340;碱基序列,也参与基因的表达调控,对应产生了许许多多的变化。

  4个碱基产生了我们丰富多彩的大千世界,的确是非常神奇的事情。

  人们不禁产生了一个疑问:DNA的碱基为什么只有4个呢?大家找来找去,确确实实只有4个,这就是非常奇特的事情了,只能由衷感叹,它们太神奇了,它们是独一无二的。

  生命“字母表”翻倍了!

  近期发生了一件大事情,那就是科学家们人工合成了4个新的碱基,这样一来,碱基数量就有了8个之多。它们是什么呢?

  美国科学家StevenA. Benner将这4个新成员分别命名为“Z”“P”“S”“B”,它们的配对原则是Z配P,S配B,都是通过3个氢键相连。

  何谓成功呢?包含这4个新碱基的DNA结构必须是稳定的,热动力学稳定性是可预测的,并且可?#23381;?#25104;DNA双螺旋结构,可以转录成RNA。

  晶体学检测数据显示掺入的新碱基并未干扰DNA双螺旋结构的形成。

(DNA晶体X射线衍射结果显示结构规则有序)(DNA晶体X射线衍射结果显示结构规则有序)

  DNA也成功的转录为RNA序列。

(通过470nm蓝光激发的荧光检测结果显示掺入了新碱基的DNA转录为RNA序列,A为RNA碱基序列,B和E为阴性对照组,C为掺入新碱基的DNA转录形成的RNA经激发后形成的荧光结果,D为阳性对照,是由天然碱基转录形成的RNA。)(通过470nm蓝光激发的荧光检测结果显示掺入了新碱基的DNA转录为RNA序列,A为RNA碱基序列,B和E为阴性对照组,C为掺入新碱基的DNA转录形成的RNA经激发后形成的荧光结果,D为阳性对照,是由天然碱基转录形成的RNA。)

  热动力学检测结果与预期计算的结果基本一致。

(纵坐标为实验检测结果,横坐标为预测温度)(纵坐标为实验检测结果,横坐标为预测温度)

  多4个“字母”可选项有什么意义?

  1.人们认识到编码遗传信息的4个天然碱基不是那么神奇了,人类通过自己的力量,?#37096;梢院?#25104;携带遗传信息的碱基,打破了天然碱基原有的神秘面纱,人类在认识大自然和自身的道路上又进了一?#20581;!?#25105;们从哪里来”、“认识我们自己”不就是经典的哲学问题吗?

  2.丰富了遗传信息携带的物质基础。经由8个碱基来排列组合,与以前只有4个碱基产生的排列组?#21916;?#29983;的信息相比,那是大大的扩容了,由此可能产生具有新的功能的蛋?#23383;?#20998;子。

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  3.疾病的早期检测。例如包含P和Z的DNA序列能更好的与肿瘤细胞结合,可开发出肿瘤早期诊断的试剂。

  4.外星生命探测。原有的外星生命探测中,对于遗传物质的理解仅限于ATCG这四种碱基,新碱基的发现,在理解生命起源和外星生命探测方面提供了新的思路。

  现有研究的局限性在?#27169;?/strong>

  1.从DNA到RNA目前可以实现,而关键的一步是DNA的自我复制,这需要DNA聚合酶,而天然体系里面是没有对应的DNA聚合酶的,这是一个瓶颈。

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  2.对于未知的DNA碱基可能编码的蛋?#23383;识?#35328;,对于大自然是全新的,其功能如何,会不会产生具有活性的生物毒性分子,尚不可知,因此,研究对应新型碱基从DNA到蛋?#23383;?#30340;过程是暂停的,需要进行安全性评估和审核,才能进一步研究,生物安全是必须审慎考虑的?#26041;凇?/p>

  写在最后的话

  这项研究所取得的突破是概念性的,它第一次展示了含有8种不同碱基字母的DNA,但要实现一个真正的“八字母“合成基因系统,还需要进行更深入的研究。

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