生物信息学与21世纪的生物学

约35亿年以前,地球上开始出现生命.最先出现的是原核蓝藻类;以后,经过漫长的演化,出现动、植物,形成了多种多样、千姿百态的各种生物.虽然生物的种类多种多样,形状千差万别,但是现代分子生物学的研究表明,组成各种生物的最基本的分子却是完全相同的.简单说,核酸是遗传信息的携带者,蛋白质则是遗传信息转化为生物结构与功能的表达者.而决定遗传信息的核酸(DNA和RNA)是由含4种不同碱基,即腺嘌呤(Adenine,缩写为A)、鸟嘌呤(Guanine,G)、胞嘧啶(Cytosine,C)和胸腺嘧啶(Thymine,T;在RNA中则为尿嘧啶,Uracil,U)的四种核苷酸组成.当遗传信息翻译为蛋白质时,它们都遵循统一的遗传密码,即每三个核苷酸翻译成蛋白质中一个特定的氨基酸,通常称为三联体密码子.这些密码子编码20种氨基酸,而不同氨基酸组成的肽链就形成不同结构的蛋白质,产生多种多样的生物功能.核酸和蛋白质构成生命活动的物质基础,要了解生命现象,揭开生命的奥秘就必须深入了解核酸与蛋白质.     

基因合成的奠基人——哈尔·戈宾德·科拉纳

1953年,沃森和克里克DNA双螺旋模型的提出标志着分子生物学的诞生,而1958年克里克提出中心法则,进一步阐述了DNA发挥信息载体功能的机制.DNA中的遗传信息需要转换为蛋白质中的结构信息才可实现生物学功能,这其中涉及到一个关键问题,即DNA(或RNA)中的碱基序列决定蛋白质中氨基酸序列的秘密,科学家将"碱基顺序决定氨基酸顺序"这一特性称为遗传密码.20世纪60年代,破译遗传密码成为当时分子生物学领域最迫切需要解决的重大问题之一.1961年,美国国立卫生研究院的科学家尼伦伯格(Marshall Warren Nirenberg)首先应用大肠杆菌无细胞体系确定了第一个遗传密码,即UUU编码苯丙氨酸[1].1966年,所有64种遗传密码全部破译成功,世界多位科学家为此做出了卓越贡献,有两位科学家发挥了关键性作用,除尼伦伯格外,另一位就是美国籍印度裔科学家哈尔·戈宾德·科拉纳(Har Gobind Khorana)[2].     

复杂的RNA与复杂的基因组

根据分子生物学的“中心法则”(central dogma)．遗传信息在几乎所有生物体内都是从DNA传递到RNA，然后再从RNA流向蛋白质。显然，RNA是一座“桥梁”，负责DNA和蛋白质之间信息的流通。在这个过程中，首先是将基因组DNA上的基因信息“复写”到一种称为mRNA的RNA分子上，然后再将mRNA含有的基因信息“翻译”为构成蛋白质的氨基酸序列。     

细胞操作技术的现状

1.细胞操作的目的众所周知,遗传因子决定着蛋白质中氨基酸的排列顺序,遗传密码就是核苷酸碱基三联体的排列。其实,遗传密码不光是决定氨基酸排列的三连体。决定蛋白质中氨基酸排列顺序的遗传密码,还不足全部遗传因子的10％,其余90％以上核苷酸排列的意义,还不太清楚。不过最近知道,伴随着发生、分化,也有抑制现象出现,逐渐搞清了在分化中出现的调节细胞性质的遗传密码。即有关调节遗传因子出现的密码正在破     

中心法则是延续开放的

本文从五方面阐述遗传信息的流动(脱氧核糖核酸→核糖核酸→蛋白质)并非终止于蛋白质.重点从脱氧核糖核酸、核糖核酸、蛋白质与糖复合物的生物合成过程分析它们间的相似性,与遗传信息是靠蛋白质/酶的空间/第二密码传递,最后并以ABO血型、RNA编辑为例说明糖复合物不应被排除在中心法则之外.结论是遗传信息并非终止于蛋白质,起码延续至糖复合物,由于蛋白质等的多种生物学功能进而推测中心法则是延续、开放的.     

应用STM观察tRNA三维倒L形结构

tRNA(transfer Ribonucleic Acid)是蛋白质合成过程中联系mRNA遗传密码和对应氨基酸的核酸分子,阐明它的三维结构对研究其结构与功能的关系具有重大意义。60年代末,利用X光晶体衍射方法确定tRNA的三维结构是倒置的大写的L形,此后许多电镜工作者也观察到了tRNA的倒L形象。但是,电镜工作制样的局限性是显而易见的,必须对tRNA进行     

生物体遗传物质主体的演化现象

长期以来,人们认为RNA只是遗传信息表达过程的中间环节,它主要担负着把遗传信息由DNA传递给蛋白质的使命。由1970年F.H.C.克里克修正的中心法则也可明显地看出在细胞的生命活动中两类生物大分子核酸和蛋白质的联系和分工:核酸的功能是储存和转移遗传信息,指导和控制蛋白质的合成;而蛋白质的主要功能是进行新陈代谢活动和作为细胞     

抽象的价值--数学与当代生命科学

20世纪中期,随着蛋白质空间结构的解析和DNA双螺旋结构的发现,形成了以遗传信息载体核酸和生命功能执行者蛋白质为主要研究对象的分子生物学时代.     

遗传密码起源的一个新假说

本文提出了双链核配分子（dsRNA或dsDNA）与氨基酸共同作用导致遗传 密码起源的新假说。认为两条核酸链的存在是遗传密码起源所必要的，它们同时以三联体的形式发挥作用，其中，一条连上的三联体为互作密码子，负责与氨基酸直接作用建立特异对应关系；另一条链上的三联体为密码子，负责存储这种特异关系信息。该假说克服了氨基酸－反密码子互作假说遇到的一些困难。     

核糖体蛋白质对信使RNA的选择性

生命的两大支柱蛋白质和核酸是生命的两大支柱。脱氧核糖核酸(DNA)以密码的形式记录着遗传信息,负责传种接代。然而它所记录的只是密码,就和电报纸上的数字密码一样,并不直接表达电报内容,读起来索然无味。DNA密码必须经过转录(分子遗传学借用转录一词,来表示由DNA密码转抄成核糖核酸(RNA)密码)和翻译(分子遗传学借用翻译一词,表示将RNA密码翻译成蛋白质)的过程,就如同把电码译成电文那样,才能把那份电报的内容表达出来。DNA链、RNA链上的密码子顺序和蛋白质多肽链上的氨基酸顺序严格对应。生物界种类繁多,千变万化。但生物的一切性状,     

扩展遗传密码

公认的遗传密码包括64种密码子,编码20种氨基酸和3种终止信号。它保存在生命的三界里。遗传密码的起源,究竟是一种:“确凿的意外事件”,还是编码较少种类氨基酸的原始密码的一种扩展,目前仍然是一个谜。尽管蛋白质完成了生命的复杂过程的大部分,另外的构建材料(building blocks)仍然是需要的:有些功能要靠转译后修饰或辅因子,还有许多     

蛋白质内含子的特征序列分析及模体修正

自从1990年在Saccharomydes cervisiae腺苷三磷酸核酸酶中发现第1个蛋白质内含子（Sce VMA)后，蛋白质内含子的数量在不断增多，分析这些新的蛋白质内含子序列，对正确认识它们的序列特征是非常必要的，通过系统搜索核酸以及蛋白质序列数据库，收集到蛋白质内含子101个，其中含LAGLI－DADG自导引核酸内切酶模体的蛋白质内含子序列69个，由于典型蛋白质内含子是包含自导引核酸内酶模体的，而且占蛋白质内含子的绝大多数，所以只分析这69个典型蛋白质的含子，发现这些蛋白质内含了的分布在物种以及蛋白质种类之间都有其特殊性，通过多序列联配还发现了蛋白质内含子在序列上的一些新特征，并对已有的蛋白质内含子的模体进行修正。     

基于PC/Linux的分子生物信息数据库查询系统

随着人类基因组计划等大型国际项目的实施，分子生物信息的研究、开发和应用已经成为当前一个前沿领域和研究热点．ＤＮＡ序列测定技术的完善和应用，使核酸序列数据库迅速增长国际上著名的３大核酸序列数据库ＥＭＢＬ，ＧｅｎＢａｎｋ和ＤＤＢＪ的数据量以指数曲线增长．与此同时，国际上两大著名的蛋白质序列数据库ＳｗｉｓｓＰｒｏｔ和ＰＩＲ的数据量也随之增长．Ｘ射线衍射和核磁共振结构测定技术的改进，使蛋白质空间结构测定的速度加快．ＰＤＢ数据库中以蛋白质为主的生物大分子结构数据已达１万多套．此外，Ｍｅｄｌｉｎｅ等文献摘要…     

揭开真核细胞转录的奥秘

2006年度诺贝尔化学奖授予美国科学家罗杰·科恩伯格（Roger D．Kornberg）教授，以表彰他在研究真核细胞转录分子机制中做出的卓越贡献。存储在基因中的遗传信息如何被“阅读”转录，又如何被“翻译”生产为蛋白质，是研究生命活动的中心问题。科恩伯格在分子水平向人们展示了真核细胞从DNA（脱氧核糖核酸）到RNA（核糖核酸）转录过程的详实图片。     

2012最热门的10大新技术

现代文明的发展离不开科学技术的进步,不断更新的技术逐渐改变了世界的发展进程。以下就是《科学美国人》评选出的2012年最热门的10大新技术。人工合成核酸生物传递遗传信息的主要物质是核酸,其中包括核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)。能否人工合成核酸来帮助生物传递遗传信息?英国研究人员菲利普·霍利格尔等人认为是可能的,因为他们已经合成了可以像DNA那样传递遗传信息的X核酸(XNA)。XNA中的X是不确定的意思,表明XNA并非一种核酸,而是一类核酸。目前,研究人员已经合成的XNA有6种,它们分别是HNA、CeNA、LNA、ANA、FANA和TNA。     

蛋白质研究的挑战:无固有折叠模式的肽链

蛋白质是由肽链构成的。传统概念认为蛋白质一定是具有特定折叠模式的、有功能的肽链。早年的蛋白质变性理论指出，在极端条件下，蛋白质的立体结构由紧密变得松散．同时丧失其固有的活性，这个过程就是变性。1950年代，一些研究蛋白质的化学家提出，蛋白质的结构具有特定层次：一级结构是蛋白质肽链中氨基酸残基的序列：二级和三级结构是蛋白质的立体结构：亚基组装产生了四级结构。     

与对称性相关的蛋白质序列-结构关系

蛋白质的氨基酸序列如何编码它的三级结构是一个极具挑战性的问题[1~3].虽然蛋白质的氨基酸序列看起来非常不规则,但它编码的三级结构表现出明显的规则性.例如,许多蛋白质具有对称的三级结构,但它们的氨基酸序列看起来象随机序列.因此人们对蛋白质序列关联性进行了大量的研究[4~8],希望确定蛋白质序列是否是随机的.然而,这些研究给出了相反的结果,一些研究表明蛋白质序列与随机序列不可分,而另外一些研究认为蛋白质序列不是随机的.本文将研究3种小的α类蛋白质结构域.这些是具有对称三级结构的最简单的蛋白质结构域.我们将说明这些结构域的…     

开启mRNA技术实用化大门的钥匙——浅析2023年度诺贝尔生理学或医学奖

<正>在现代生命的中心法则中,RNA是遗传信息的传递者和重要的调控者.其中,信使RNA(messenger RNA,mRNA)作为中间分子,将DNA编码的信息传递到蛋白质序列,因而在发挥疫苗和药物功能时具备许多独特的优势.从1961年mRNA的发现到2020年新型冠状病毒感染全球大流行期间的mRNA疫苗接种,mRNA技术经历近60年的发展,最终进入了大规模的临床应用阶段.在这一过程的早期,科学家们陆续突破了mRNA的实验室合成、在细胞内表达蛋白质、递送进入动物     

2023年值得关注的七大技术

<正>《自然》杂志挑选出了七大很可能在2023年对科学产生重大影响的工具和技术，应用范围从蛋白质测序到电子显微镜，从考古学到天文学。单分子蛋白质测序蛋白质组是细胞或器官产生的全套蛋白质，可以深刻揭示有关健康和疾病的详细信息，但如何刻画其特征仍旧是一个相当艰巨的挑战。构造蛋白质的基础是比核酸更大的一些分子，也就是氨基酸。天然氨基酸大约有20种，相比之下，     

生命力学

生命力学生命力学的法则是其自身的简单性。（１）ＤＮＡ和ＲＮＡ均由串联在一起的四种核苷酸组成。ＤＮＡ决定ＲＮＡ，ＲＮＡ决定蛋白质（尽管有时ＲＮＡ决定ＤＮＡ）．这被称作“中心法则”。（２）遗传密码是三联体密码；ＤＮＡ或ＲＮＡ中的三个核苷酸确定蛋白质中的一...