为何构成生命蓝图的是DNA,而非RNA?Nature子刊改写教科书
2016/08/05
为何DNA是构成生命的蓝图,而不是RNA?科学家说,这是由于两者的结构差异所致,而且这种差异甚至改写了教材中关于DNA和RNA的相关描述。


一项新研究首次显示,RNA碱基移动时整个结构会瓦解,而DNA则可以任意扭曲和改变形状来弥补化学损伤,这也解释了为何DNA是遗传信息的主要储存库,而不是RNA。相关结果于8月1日发表在《Nature Structural & Molecular Biology.》杂志上

“Watson-Crick 碱基对”和“Hoogsteen 碱基对”

在介绍这项研究之前,我们先来了解两个概念:Watson-Crick碱基对和Hoogsteen碱基对。

1953年,沃森和克里克首次提出了DNA双螺旋结构,并预测了A、T和C、G是如何组装,后来人们也将之称为“Watson-Crick 碱基对”。如今大家对DNA双螺旋结构也许已经很熟悉了,其中特点之一是两股DNA通过碱基之间的氢键连接起来,

但长期以来科学家一直在寻找证据来证实“Watson-Crick 碱基对”。1959年,生物化学家Karst Hoogsteen 设法捕获A-T碱基的图片,结果发现这两个碱基构成倾斜的几何结构,两者相对旋转了180°,这也称为“Hoogsteen 碱基对”。

此后,科学家在静止的DNA图像中也发现了“Watson-Crick 碱基对”和“Hoogsteen 碱基对”。

研究发现DNA双螺旋结构具有动态性

在了解这两个概念后,我们再来介绍科学家对DNA和RNA结构的新发现。

五年前,杜克大学的Hashim Al-Hashimi研究团队发现了一些从未见过的现象:DNA碱基对在不断地变形,双螺旋结构在Watson-Crick碱基对和Hoogsteen碱基之间来回变化,这增加了DNA结构的灵活性。

Hashim Al-Hashimi说,“双螺旋是一种基本结构,但令人惊讶的是科学家很晚才发现该结构属性,因此我们需要放大研究,以更深地了解生命的分子基础。”

他们发现,当DNA与蛋白质结合或受到化学刺激时,双螺旋结构采用Hoogsteen碱基对的连接方式,当损伤被修复或蛋白质释放后,DNA碱基对恢复到Watson-Crick的连接方式。

重写教科书:为何DNA是构成生命的蓝图,而不是RNA?

发现DNA双螺旋结构具有动态性,这本身就具有很重要的意义。如今,该研究团队又首次发现RNA不具备这种动态变化的能力,这就解开了困扰多年的谜团——为何DNA是构成生命的蓝图,而不是RNA。

RNA太过僵硬很容易破裂,而DNA可以吸收化学损伤物质并适应周围的环境,具有一定的灵活性,因此是更好的遗传信息储存库。研究人员之一, Huiqing Zhou说,“DNA可以通过翻转碱基和形成“Hoogsteen碱基对”来弥补DNA化学修饰带来的损伤,但相反,若这种修饰出现在RNA中,那么将破坏RNA的双螺旋结构。”

对于该研究,杜克大学发表新闻稿称,“这个发现可能会改写教材中关于DNA和RNA差异的描述。”

RNA碱基移动,会导致结构瓦解

研究人员如何得出这样的结论?他们通过建立DNA和RNA的双螺旋结构,利用先进的成像技术来观察两者的碱基对如何结合。

下图可以看出,DNA通过Hoogsteen碱基对来应付损伤,而RNA在遇到此情况时会崩裂。研究人员发现,无论在任何时间,DNA双螺旋中大约1%的碱基可变成Hoogsteen碱基对,但这种现象在RNA链中并未发现。


于是,研究人员设计了更广泛的RNA分子,以观察RNA双螺旋结构在各种情况下的变化,但几乎未看到任何的Hoogsteen碱基对出现。此外,他们甚至迫使RNA形成Hoogsteen结构,结果发现在这种情况下RNA链会瓦解。

研究小组解释说,“这是由于与DNA相比,RNA双螺旋结构更加紧凑,因而,若不拉伸一个碱基或不饶原子移动,RNA就不能任意翻转另一个碱基。一旦移动,整个结构就会被弄乱。”

然而,仍需要更多的研究来证实DNA的灵活性,以及为何DNA是遗传信息的储存库而不是RNA。如果被证实,那么该研究将能帮助人们了解生命为何如此进化。这是非常酷的研究,毕竟人们一直在学习新的知识以了解构成生命的分子基础。

备注:本文根据外文网站编译,原文链接“Scientists have just uncovered a major difference between DNA and RNA

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