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上新了,DNA!恭喜生命”字母表”喜提4名新成員

上新了,DNA!恭喜生命”字母表”喜提4名新成員

2019-03-09 Comments 0 Comment

近日,一篇最新發表在《科學》期刊上的研究表明,生命“字母表”迎來4名新成員,已經從4個變成了8個!這項研究被譽為里程碑式的成果,它到底牛在何處呢?今天,我們就為大家來簡單介紹一下。

A、T、C、G?這都是些啥?

在介紹這4名人工合成的新成員之前,先來認識一下4個元老級的天然鹼基吧。

在生物學領域,最激動人心的事件莫過於生命的誕生,也就是生命的起源。追溯這個問題,首先需要回答生命的物質基礎——基因,而基因是由4個天然鹼基組成的,它們的英文代碼分別是“C”“G”“T”“A”,對應的中文名字是胞嘧啶、鳥嘌呤、胸腺嘧啶、腺嘌呤,配對規則是C配G,T配A,C和G之間通過3個氫鍵相連,T和A之間是2個氫鍵。

從簡單的單細胞生物到靈長類,生命體的遺傳密碼就是由ATCG來記錄和傳遞的,如同一本神秘的生命密碼本,指導著蛋白質的合成和功能調控,包括我們人類的生老病死、高矮胖瘦,甚至我們的性格和健康狀況,基因都在默默的指導著,並且和環境因素、行為因素共同決定著我們的健康水平。懷孕的準媽媽們開展的羊水穿刺細胞學檢查和無創遺傳缺陷篩查,就是為了排除致病基因導致的出生缺陷。

基因管著這麼多的事情,一定是由很多密碼編碼的吧?恰恰相反,只有4個。那麼它們是怎麼實現這些功能的呢?靠的就是這4個鹼基的不同排列組合,並且通過DNA的甲基化、乙酰化修飾,DNA序列的剪接翻譯以及翻譯後修飾,DNA中不編碼蛋白質的鹼基序列,也參與基因的表達調控,對應產生了許許多多的變化。

4個鹼基產生了我們豐富多彩的大千世界,的確是非常神奇的事情。

人們不禁產生了一個疑問:DNA的鹼基為什麼只有4個呢?大家找來找去,確確實實只有4個,這就是非常奇特的事情了,只能由衷感嘆,它們太神奇了,它們是獨一無二的。

生命“字母表”翻倍了!

近期發生了一件大事情,那就是科學家們人工合成了4個新的鹼基,這樣一來,鹼基數量就有了8個之多。它們是什麼呢?

美國科學家StevenA. Benner將這4個新成員分別命名為“Z”“P”“S”“B”,它們的配對原則是Z配P,S配B,都是通過3個氫鍵相連。

何謂成功呢?包含這4個新鹼基的DNA結構必須是穩定的,熱動力學穩定性是可預測的,並且可以形成DNA雙螺旋結構,可以轉錄成RNA。

晶體學檢測數據顯示摻入的新鹼基並未乾擾DNA雙螺旋結構的形成。

DNA晶體X射線衍射結果顯示結構規則有序

DNA也成功的轉錄為RNA序列。

(通過470nm藍光激發的熒光檢測結果顯示摻入了新鹼基的DNA轉錄為RNA序列,A為RNA鹼基序列,B和E為陰性對照組,C為摻入新鹼基的DNA轉錄形成的RNA經激發後形成的熒光結果,D為陽性對照,是由天然鹼基轉錄形成的RNA。)

熱動力學檢測結果與預期計算的結果基本一致。

縱坐標為實驗檢測結果,橫坐標為預測溫度

多4個“字母”可選項有什麼意義?

1、人們認識到編碼遺傳信息的4個天然鹼基不是那麼神奇了,人類通過自己的力量,也可以合成攜帶遺傳信息的鹼基,打破了天然鹼基原有的神秘面紗,人類在認識大自然和自身的道路上又進了一步。“我們從哪裡來”、“認識我們自己”不就是經典的哲學問題嗎?

2、豐富了遺傳信息攜帶的物質基礎。經由8個鹼基來排列組合,與以前只有4個鹼基產生的排列組合產生的信息相比,那是大大的擴容了,由此可能產生具有新的功能的蛋白質分子。

3、疾病的早期檢測。例如包含P和Z的DNA序列能更好的與腫瘤細胞結合,可出腫瘤早期診斷的試劑。

4、外星生命探測。原有的外星生命探測中,對於遺傳物質的理解僅限於ATCG這四種鹼基,新鹼基的發現,在理解生命起源和外星生命探測方面提供了新的思路。

現有研究的局限性在哪?

1、從DNA到RNA目前可以實現,而關鍵的一步是DNA的自我複制,這需要DNA聚合酶,而天然體系裡面是沒有對應的DNA聚合酶的,這是一個瓶頸。

2、對於未知的DNA鹼基可能編碼的蛋白質而言,對於大自然是全新的,其功能如何,會不會產生具有活性的生物毒性分子,尚不可知,因此,研究對應新型鹼基從DNA到蛋白質的過程是暫停的,需要進行安全性評估和審核,才能進一步研究,生物安全是必須審慎考慮的環節。

寫在最後的話

這項研究所取得的突破是概念性的,它第一次展示了含有8種不同鹼基字母的DNA,但要實現一個真正的“八字母“合成基因係統,還需要進行更深入的研究。

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