NAR：科学家阐明基因调节过程中的关键表观遗传开关机制

NAR：科学家阐明基因调节过程中的关键表观遗传开关机制

2016年10月18日讯 日前，来自普渡大学的研究人员通过研究阐明了一种关键的表观遗传学机制，其或许是一种关键因子来揭示基因如何被开启和关闭，相关研究刊登于国际杂志Nucleic Acids Research上。遗传学和表观遗传机制都能够调节人类机体基因的表达，外部环境因素，比如来自烟草烟雾中的致癌物或许就能够干扰机体正常的表观遗传调控机制，这就会改变基因表达，进而导致癌细胞的产生。

研究者Humaira Gowher非常感兴趣研究控制基因表达的机制，文章中他通过操纵表观遗传因子，比如将DNA甲基化添加至基因的某个位点来研究基因表达的过程；基因表达能够通过遗传调控元件，比如启动子和增强子，当细胞需要表达特殊基因时，其增强子元件就会同启动子进行相互作用来刺激基因的活化；当基因需要被关闭或抑制时，其特殊的增强子就会脱离启动子。

所谓的DNA甲基化就是将甲基化基团添加到DNA的碱基胞嘧啶上，从而将胞嘧啶转换为甲基胞嘧啶，基因启动子和增强子位点甲基胞嘧啶的存在和基因的失活直接相关，DNA的甲基化能够通过名为DNA甲基转移酶（Dnmts）来进行催化。文章中，研究者Gowher及其同事通过研究发现，在基因表达期间，Dnmts对于释放增强子非常重要，而且特殊的酶类能够扮演“继电器开关”的作用，即一种酶类的活性能够开启下一个酶类的活性，最终诱导Dnmt3a在特殊位点对DNA进行甲基化作用。

研究者表示，我们发现的过程或许能够为细胞提供一种途径来在特殊增强子位点控制Dnmts的活性，而在这种特殊的增强子位点上DNA的甲基化必须被“存放”以便当其在需要时能够关闭特殊基因的表达。此外研究者还研究了一类多潜能性基因的机制，即这种基因在干细胞中进行表达，干细胞能够快速复制并且停留在一种未分化的阶段以便其能够被进行指派成为特殊类型的细胞，在细胞分化的过程中，多潜能性基因能够被关闭而且DNA甲基化也会发生。

当外部因子或环境因子对分化的细胞进行作用时，DNA的甲基化作用就会被干扰，从而就会诱发细胞变为多潜能状态，最终就会导致损伤和癌变的细胞快速增殖。最后研究者Gowher说道，理解细胞调节抑制机制的途径或许就能够帮助我们理解损伤发生的原因，同时也为开启特定基因的表达提供思路。后期研究中研究者将会继续深入研究基因上游所发生的事件，尤其是对能够调节DNA甲基转移酶活性的信号进行研究。

精神依赖的神经可塑性机制

中枢神经系统可塑性是长时程行为改变的基础，精神活性物质引发的信号（如多巴胺释放）通过细胞内信号转导和基因表达可以引起神经可塑性的变化，导致神经元编码信息的长时程改变，从而产生持久的成瘾行为。

神经可塑性是神经元突触对所接受的刺激作出的功能和结构的适应性应答反应，可分为结构可塑性和功能可塑性。

结构可塑性主要指神经元结构重塑，包括神经元胞体大小的改变、树突分支和树突棘形态、数量的改变等；

功能可塑性主要体现在突触传递功能的改变，表现形式主要有突触传递的长时程增强（long-term potentiation，LTP）和长时程抑制（long-term depression，LTD），

谷氨酸及其受体是介导突触功能可塑性最重要的神经递质系统。

精神活性物质诱导的突触可塑性根据不同药物、不同给药方式、不同脑区、同一脑区不同神经元类型、甚至同一细胞不同的树突部位而异，在特定的神经回路有相应的突触重组模式。

另外，精神活性物质诱导的神经可塑性在停药后还能维持数个月乃至更久，从而导致异常的成瘾行为和长期戒断后的复吸。

1.神经元结构可塑性

自1997年最早报道了成瘾药物诱导的树突结构可塑性之后，许多研究证实几乎所有的精神活性物质都能诱导脑内奖赏环路的结构可塑性，

但是不同类别的精神活性物质对神经元形态的影响不同。

总体来说，阿片类物质与精神兴奋剂对结构可塑性的影响是相反的。

阿片类物质降低NAc中等棘状神经元、mPFC和海马锥体神经元的树突棘密度和复杂程度，使VTA多巴胺能神经元胞体变小，但是增加OFC锥体神经元的树突棘密度；精神兴奋剂则增加上述核团神经元的树突棘密度和复杂程度。

阿片类和精神兴奋剂对神经元形态的影响见表3-1和表3-2。

另外，可卡因诱导的结构可塑性还具有细胞类型特异性。

NAc的中等棘状神经元分为多巴胺D1受体阳性和D2受体阳性两大类，虽然慢性可卡因处理能诱导D1受体阳性神经元和D2受体阳性神经元的树突棘密度都增加，但是D1受体阳性的神经元中长期稳定存在的新生树突棘更多，这可能与D1受体阳性的神经元中ΔFosB的长期高表达有关。

然而，为何阿片类与精神兴奋剂引起的成瘾行为类似，但是对突触可塑性的表型却相反，目前尚不清楚。

精神活性物质诱导的突触可塑性与其产生的成瘾行为表型之间的因果关系，目前的研究也存在相互矛盾之处。

另外，最近观察到可卡因自身给药大鼠在药物相关线索诱发复吸时也能诱导NAc短暂的树突棘形态及密度改变，这种改变有何生物学意义尚不清楚。

在分子机制方面，以NAc脑区研究的最多。ΔFosB、NF-κB、CREB、MEF2等转录因子在调节树突棘形态方面发挥重要作用，它们通过介导与actin组装相关的分子的转录而影响细胞骨架重排，从而参与突触结构可塑性。

在调节转录因子的上游信号通路中，BDNF及其受体介导的PI3K-Akt-PAK和ERK通路可能发挥关键作用。

另外，某些结构重塑可能是由多巴胺D1受体介导的cAMP水平升高或N-甲基-D-天冬氨酸（N-methyl-D-aspartate，NMDA）受体介导的钙离子内流启动的。

表3-1　阿片类药物诱导的神经元形态变化

神经元 给药方式 结构变化

2.突触功能可塑性

突触功能可塑性的表现形式主要有LTP和LTD，这两种形式几乎能在大脑所有兴奋性突触表达，并随着成瘾等行为效应而发生改变。

VTA多巴胺能神经元在成瘾启动和形成中具有重要作用。

可卡因、阿片类、苯丙胺类兴奋剂、尼古丁和酒精都能诱导VTA多巴胺能神经元突触传递功能（通常以AMPA受体/NMDA受体兴奋性突触后电流比率来指示）增加；

相反，非成瘾性精神药物氟西汀和卡马西平则不能引起这种突触效能改变。

然而，VTA脑区的上述突触效能改变比较短暂，即使反复给予可卡因也不会使其持续存在，提示成瘾性物质诱发的VTA脑区DA能神经元LTP效应可能与其介导成瘾性物质的奖赏和成瘾启动有关。

VTA兴奋性突触不仅可诱导出NMDA受体依赖的LTP，还可诱导电压门控钙通道依赖的LTD。

可卡因能易化诱发VTA脑区LTP，并引起行为敏化和条件性位置偏爱。

通过AMPA受体基因敲除小鼠的研究发现，可卡因引起的VTA区多巴胺能神经元的兴奋性突触传递可塑性，虽不是行为敏化本身所必需的，但可能是促成药物相关线索与药物奖赏效应相关联的重要神经生物学基础。

成瘾性物质除了影响VTA脑区多巴胺能神经元的兴奋性突触传递之外，也影响抑制性突触传递。

VTA的多巴胺能神经元还存在抑制性突触的LTP和LTD（LTPGABA、LTDGABA）。单次吗啡处理使药物处理2小时和24小时后的LTPGABA降低，从而解除多巴胺能神经元的抑制性调节，使其更容易响应兴奋性传入而放电。

因此LTPGABA受损可能是阿片类增强VTA多巴胺能神经元活性的另一种机制。

最近还发现，单次吗啡处理也能抑制药物处理24小时后多巴胺能神经元的LTDGABA，所以吗啡对GABA能末梢的突触可塑性可能具有双向调节作用。

慢性药物处理对LTPGABA和LTDGABA的影响尚不明确。

精神活性物质在不同脑区可以诱导不同的突触功能可塑性，例如单次给药即可诱导VTA的突触功能可塑性变化，而对NAc只在重复给药后才产生此效应。

动物可卡因连续被动给药5天，在戒断10～14天后，NAc脑区中的中等棘状神经元兴奋性突触的AMPA受体/NMDA受体电流比率降低。

这种突触效能的降低亦可出现在经可卡因处理的动物的NAc脑区，在电生理学研究中表现为LTD幅度下降并伴有AMPA受体表达下调。

长时间的可卡因戒断可引起NAc脑区无GluR2的AMPA受体增加，NAc局部注射无GluR2的AMPA受体阻断剂能阻断自身给药动物线索诱导的复吸行为。

另外，药物引起的行为敏化依赖于NAc的LTD，阻断NAc的LTD发生能够预防苯丙胺诱导的行为敏化。

这些研究提示，NAc的LTD是行为可塑性的重要适应形式，成瘾性物质使其长时程受损可能是导致成瘾行为的原因。

除了VTA和NAc，精神活性物质也影响海马、PFC、杏仁核等其他脑区的突触可塑性。

在海马脑区存在着NMDA受体依赖LTP（主要在海马CA3-CA1区的Schaffer侧支通路）和NMDA受体非依赖性LTP（主要在海马纤维-CA3突触，其产生主要依靠电压门控性通道开放，引起钙离子浓度增加）。

总体来讲，吗啡反复给药损害海马LTP，而戒断则能易化LTP；可卡因反复给药易化海马LTP。但海马脑区这种NMDA受体依赖性LTP是否参与成瘾行为的学习记忆过程尚未被完全证实。

另外，具有强迫性用药、觅药行为和异常高的用药动机的可卡因成瘾大鼠mPFC内出现依赖于mGluR2/3的LTD受损现象，而非成瘾大鼠则无此现象，

提示mGluR2/3介导的LTD受损可能是药物使用转变为药物成瘾的关键。

在突触功能可塑性相关的分子机制方面，成瘾状态下兴奋性突触传递可发生两种适应性改变：

一是促进突触前的谷氨酸释放；

二是突触后对谷氨酸的反应性发生改变。

突触前谷氨酸释放的增加，如前所述主要是由于突触前mGluR2/3的抑制性降低，其机制是由于突触间隙外谷氨酸基础水平降低所致；

突触后对谷氨酸反应性的改变，主要与突触后膜NMDA受体、AMPA受体水平有关。AMPA受体与NMDA受体介导的兴奋性突触后电流比率（AMPA/NMDA比率）是反映兴奋性突触传递强度的指标。

AMPA受体调节脑内大部分兴奋性突触的传递，其在突触后膜的快速迁入和迁出对LTP、LTD起到很重要的触发作用，AMPA受体的动态调节对正常突触功能和病理生理情况下的突触功能的改变都至关重要。

AMPA受体GluR1亚基基因突变小鼠不能表达可卡因或应激诱导的VTA脑区的LTP及条件性位置偏爱效应，而反复暴露于可卡因、吗啡、酒精则可导致GluR1蛋白表达的增加。

GluR2缺失的AMPA受体可能介导了可卡因渴求及复吸行为。

另外，LTP的诱导还能增加GluR1亚基主要PKA位点的磷酸化。NMDA受体由基本亚基NR1和调节亚基NR2A-2D组成，选择性敲除多巴胺神能经元NR1亚基，可导致NMDA受体调节的兴奋性突触后电流及可卡因诱导的突触可塑性不能形成。还有研究提示，NMDA受体的NR2A亚基可能是建立NMDA受体依赖性LTP所必需的，NR2B则可能主要参与LTD的建立，因此，突触后膜NR2A和NR2B的相对量可能影响可塑性的性质；

另外，NR2B亚基还能通过影响AMPA受体亚单位及其相关信号分子CaMKⅡα在突触后膜的表达，从而参与LTP。

阻断NMDA受体，可特异性地阻断被测脑区的LTP和LTD，同时抑制吗啡诱导的条件性位置偏爱效应；拮抗NR2A或NR2B亚基的功能，都可抑制可卡因单次注射24小时后诱导的VTA脑区神经元AMPA/NMDA比率的增高。

此外，VTA、PFC、海马等脑区中还存在代谢型谷氨酸受体（metabolic glutamate receptors，mGluRs）依赖的LTP、LTD。mGluRs与G蛋白偶联，通过细胞内的多种信使系统介导慢突触传递，在LTP、LTD的诱导和维持中起着重要的调节作用。

mGluRs可以降低LTP诱导的阈值，增加其时间和幅度，甚至可以直接诱导出LTP；个别形式的LTD必须依赖于mGluRs的激活。研究发现，可卡因诱导的VTA突触可塑性由mGluR1门控，缺少mGluR1导致VTA区功能持续性增强以致NAc的突触可塑性变化，这可能也是可卡因长期戒断后产生觅药行为的原因。

药物成瘾者mGluR1功能受损，为药物成瘾的突触可塑性机制研究作了补充。另外，PSD-95、Homer蛋白等突触相关蛋白能够通过帮助谷氨酸受体及与之关联的信号蛋白在突触处簇集而参与突触可塑性。

总之，突触可塑性是精神活性物质所致的细胞适应的形式，精神活性物质能够引起奖赏环路、记忆环路多个脑区的突触结构和功能改变，这些突触可塑性改变究竟是产生成瘾行为的机制、还是使用药物伴随的变化，是今后研究的重点。

（四）精神依赖的转录因子及表观遗传学调节机制

精神活性物质引起的成瘾行为学改变是由神经核团和神经通路调控的，而神经核团和神经通路的结构和功能又是以神经可塑性为基础的；神经可塑性的改变则是由蛋白表达的时间、空间和量的改变决定的。

因此，转录因子和表观遗传学调节机制是药物成瘾神经生物学机制的基础和最重要的组成部分。

1.与药物成瘾相关的转录因子

药物成瘾神经生物学机制研究的重点之一是阐明精神活性物质是如何引起成瘾的。为实现此研究目的，人们常把研究精神活性物质急性作用如何转变为具有成瘾特征的慢性作用作为研究的切入点。

大量的研究表明，转录因子（transcription factors）在其中可能起到非常重要的作用。

CREB是受cAMP和Ca2+调节的一种转录因子，也是学习记忆中研究最多的转录因子之一。

可卡因、苯丙胺类兴奋剂和阿片类药物反复使用均可使NAc、dStr、PFC、杏仁核等核团CREB表达上调、活性增强，并能持续较长时间。

在NAc脑区内，CREB活性升高对精神依赖来说是一种负反馈机制，与奖赏耐受和戒断期的负性情绪状态表达相关。

这些因素促进了自身给药行为的形成和维持，与复吸关系密切。

多巴胺能提高CREB活性。中枢兴奋剂（可卡因和甲基苯丙胺等）和阿片类药物通过上调细胞外多巴胺浓度而长期激活D1受体，上调靶神经元内cAMP浓度、激活PKA，使CREB磷酸化而增强其转录活性。

但是并非所有的成瘾性物质都能诱导NAc内CREB活化。酒精、尼古丁常降低NAc内CREB的活性。CREB介导的奖赏耐受与其诱导NAc内强腓肽过度表达有关。

高表达的强腓肽通过激活VTA多巴胺能神经元细胞膜上的κ阿片受体而抑制VTA至NAc的多巴胺能神经传递，减弱奖赏效应。

另外，CREB活性与NAc中等棘状神经元功能活动直接相关，过表达CREB增加中等棘状神经元的兴奋性。

因此，CREB可能通过上调中等棘状神经元的兴奋性而对可卡因诱导的行为敏化起“刹车”的作用。

CREB的下游靶分子还包括一些离子通道和谷氨酸受体亚基，通过这些靶分子调节NAc神经元兴奋性和突触可塑性。

中枢兴奋剂和阿片类也能激活PFC、dStr、杏仁核等脑区的CREB，但是这些脑区CREB的下游靶基因及其产生的行为反应还不十分清楚。

ΔFosB是FosB基因的短截产物。急性给予精神活性物质能快速而短暂地升高NAc和dStr内c-Fos及Fos家族其他成员的表达水平，8～12小时内恢复至正常，推测这些Fos蛋白被短时、迅速的诱导表达，可能与急性药物暴露对突触功能的改变有关。

而长期使用成瘾性物质则引起NAc和dStr内ΔFosB表达的持续升高，并且停药数周仍能维持这种高表达。

几乎所有的成瘾性物质（如可卡因、苯丙胺类兴奋剂、阿片类物质、酒精和尼古丁）均能引起NAc内ΔFosB的持续高表达，并且选择性表达于D1受体阳性的中等棘状神经元中；而且在成瘾患者脑内也观察到这种现象。

大量证据显示，D1受体阳性神经元中ΔFosB的诱导表达增加了这些神经元对可卡因和吗啡奖赏效应及运动活动的敏化，也增加了可卡因自身给药行为及用药动机，提示ΔFosB与药物的敏化效应密切相关。

由于ΔFosB较为稳定，在停药数周甚至数个月后都可驱动这种行为改变，被认为可能是启动与维持成瘾状态的分子开关。

目前，ΔFosB的多种下游靶分子已被鉴定出来，其中强啡肽也是ΔFosB的下游靶分子之一，CREB诱导强啡肽表达升高，而ΔFosB则抑制强啡肽的表达。

另外，ΔFosB的靶分子还包括一些与突触可塑性密切相关的分子，如突触结合蛋白、微管相关蛋白、激活调节的细胞骨架相关蛋白、actin相关蛋白、细胞周期素依赖性激酶5、驱动蛋白等，因此，大多数学者认为ΔFosB可能参与调控NAc内的中等棘状神经元的树突棘形态改变。

此外，表观遗传学调节机制中的重要分子组蛋白甲基化转移酶G9a等也是ΔFosB的重要下游靶基因。通过此调控机制，ΔFosB能引起更为持久的染色质重塑。

CREB和ΔFosB对药物成瘾的调节作用显示不同的时间特征。

以前有研究显示，给予可卡因5天后NAc内差异表达的基因中有19种受CREB的调控、8种受ΔFosB的调控，而给药4周后差异表达的基因中只有5种受CREB的调控、22种受ΔFosB的调控，提示在较短时间的药物处理中CREB扮演重要角色，而较长时间的药物处理后ΔFosB逐渐占主导地位。

另外，停药数天后CREB的激活状态消退，而ΔFosB的高表达能持续数周，这可能是戒断不同阶段表现不同行为效应的分子基础，例如戒断早期以负性情感症状和药物敏感性降低为主，而戒断较长时间后以药物奖赏和动机敏化效应为主。

近年来还发现其他转录因子在药物成瘾中可能也发挥着重要作用。

NF-κB是一种被多种刺激快速激活的转录因子，以前研究主要集中在免疫应答和炎症方面，近年来发现它也与突触可塑性和学习记忆相关。

慢性给予可卡因能诱导NAc内的中等棘状神经元NF-κB表达水平升高，同时伴随该神经元的树突棘密度增加和对可卡因奖赏效应的敏化。

可卡因诱导的NF-κB的表达由ΔFosB介导，体现了药物作用导致的复杂的转录因子级联反应。最近在应激和抑郁症的模型上也发现NAc内中等棘状神经元NF-κB表达上调，诱导中等棘状神经元树突棘密度增加。

这些发现对于理解抑郁症与药物成瘾共病的神经生物学机制可能有重要的提示。

NAc内的中等棘状神经元也表达多种形式的肌细胞特异性增强子因子2（myocyte-specific enhancer factor 2，MEF2）蛋白，它们形成同源或异源二聚体，通过与其他因子结合而激活或抑制基因转录。

MEF2调控基因转录的方式取决于其结合的是共激活因子（如p300蛋白）还是共抑制因子（如Ⅱ型组蛋白去乙酰化酶）。

研究发现，慢性可卡因处理通过抑制NAc内MEF2活性而增加了中等棘状神经元的树突棘密度，可卡因抑制MEF2活性是通过D1受体-cAMP依赖的神经钙蛋白和细胞周期素依赖性激酶5（ΔFosB的下游靶基因）实现的；

而MEF2活性降低则抑制了可卡因的行为敏化效应。

究提示MEF2可能是可卡因诱导的突触结构可塑性和行为可塑性的关键调节分子，MEF2活性的降低及中等棘状神经元树突棘密度的增加可能作为一种代偿性机制抑制可卡因成瘾。

但是，前述研究有提示ΔFosB及NF-κB介导的中等棘状神经元树突棘密度增加可能是可卡因诱导敏化的基础。

我们认为，NAc中等棘状神经元树突棘密度增加究竟是促进成瘾还是降低成瘾，可能取决于药物处理的时间、观察的是何种行为反应、密度增加的树突棘是何种形态以及形成的是何种类型的突触连接等因素。如何理解这些看似矛盾的现象，仍需要大量的研究。

虽然发现了多种与药物成瘾相关的转录因子，但是没有一种分子的改变能像成瘾行为那样持久，因此脑内一定存在着更为稳定的受转录因子调控的持久性改变。

推测一种可能性是转录因子表达的改变虽然持续时间不够长，但由其引起的神经元可塑性改变可能更稳定、更持久；另一种可能是转录因子表达的改变启动了可长期存在的染色质结构重塑，引起基因表达和突触结构发生更持久的改变。

2.表观遗传调节

表观遗传是在不改变DNA序列的前提下，通过其他生化过程使机体内某些基因表达发生可遗传的改变，表观遗传调节机制主要包括组蛋白修饰、DNA甲基化、非编码RNA调控等，导致染色质重塑。

表观遗传修饰极其稳定，可能是成瘾行为长期存在的分子基础之一

以DNA甲基化、组蛋白修饰、microRNA调控为代表的表观遗传机制是精神活性物质诱导神经可塑性和成瘾行为的重要调节方式，但是对其调节机制的认识还很少。

　总结

通过几十年来药物成瘾机制的研究，目前对药物成瘾神经生物学机制的认识可以总结如下。

1.药物成瘾的根本原因是在机体中枢神经系统中存在固有的趋利避害辨别系统，精神活性物质模拟了有利于机体个体生存和种族延续的刺激，引起机体成瘾。

2.药物成瘾的本质是代偿性适应。此代偿性适应涉及不同脑区、核团、神经环路、神经递质、细胞、分子。

3.药物成瘾的形成经历了从偶然用药到规律性用药、最后发展为强迫性用药的过程，强迫性、不可控制用药和强迫性觅药是药物成瘾的核心特征。

各种精神活性物质虽然初始作用靶点不同，但都能够导致NAc细胞外多巴胺水平的升高、激活VTA-NAc奖赏环路，这是成瘾启动的共同通路。

随着用药剂量增大和时间延长，药物的作用逐渐扩展到学习记忆环路、PFC等其他系统，在奖赏耐受的同时，产生动机敏化、对药物相关刺激的异常学习记忆以及脑高级认知功能障碍等，最终导致典型的成瘾行为。

4.在成瘾过程中，多巴胺系统在成瘾的启动中发挥重要作用，

而谷氨酸系统由于其介导长时程记忆可能在成瘾的维持和复吸中占主导地位，

内源性阿片肽、GABA、5-羟色胺、内源性大麻素等神经递质也具有重要的调节作用。各种神经递质参与药物成瘾的作用如彩图3-5所示。

? 3-5　药物成瘾的神经生物学基础

此外，戒断并非用药的逆转，可能产生新的变化，但是我们对此了解甚少。在精神活性物质的急性作用如何转变为具有成瘾特征的慢性作用中，转录因子、表观遗传调节以及神经可塑性可能是其中的桥梁。

5.经过几十年的努力，我们对规律性用药的机制有了比较深入的认识，但是对强迫性用药的机制还不清楚；

已有研究提示强迫性用药与规律性用药的机制不完全相同，因此对于成瘾不同阶段的干预可能也应采取不同的手段。

研究规律性用药是如何转换为强迫性用药，以及在这两种不同用药经历下戒断及复吸的机制有何异同，将能够更准确地理解药物成瘾的机制，也是研究有效的干预措施的基础。

为什么说RNA最可能是生命进化早期遗传信息的载体和具有催化功能的生物大分子？

长期以来，人们总以为只有核酸才是遗传物质，所以应该先有DNA；但其实和核酸一样，蛋白质的分子结构十分规则，而且也有螺旋结构。科学家长期研究后发现，蛋白质完全具备遗传物质的条件，能够贮藏、复制和传递生命信息。尤其是近年来生物学家发现，疯牛病、疯羊病的病原体是朊病毒，而朊病毒的本质就是蛋白质，可以自我复制。这无疑表明蛋白质也可以作为遗传物质。

RNA World假说的提出

针对上述悖论问题，争论一直不休，直到上世纪80年代两个著名的实验导致了一种新的假说被提出。

1982年，Colorado大学化学系T.R. Cech实验室在研究单细胞原生动物喜温四膜虫（Tetrahymena thermophila）时发现, 刚转录出来的“前体核糖核酸（rRNA）”，在一定条件下能够自发地催化其切割和剪接反应, 它切除一段核苷酸链, 再将切头两端连接形成成熟的rRNA分子, 从而导致自身长度的缩短。在此反应后会释放出一段由413个核苷酸组成的“插入序列（Intervening Sequence, IVS）”。这一过程显示RNA具有酶的催化功能，起催化作用的正是IVS，是前提rRNA中的自剪切内含子（Self-splicing intron）。然而, 成熟的RNA一旦形成，IVS的催化活性也随之丧失，因而自剪接内含子仍然不是一个真正意义上的催化剂和地道的酶。但它的的确确表现出了类似酶的功能，所以Cech等称之为“核酶（ribozyme）”。

此外，1978年，Yale大学的S.Altman在纯化大肠杆菌核糖核酸酶P（此酶是细菌和高等真核生物细胞内都有的一种tRNA处理酶，是RNA和蛋白质的复合体）时发现，其中一种RNA是细胞催化反应所必需的。1983年，他与N.R. Pace合作实验证明，在细胞环境里，核酸酶P为了在特定位点切开tRNA前体，既需要RNA也需要蛋白质。但是在试管里，RNA的亚单元单独就能在恰当的位点切开tRNA，而蛋白质却不行。第二年初，Altman利用一种重组DNA模板转录的核糖核酸酶的RNA亚单元去催化tRNA前提，发现能引起后者精确的突变。这项实验排除了复合体蛋白质污染的可能，从而清楚地证明RNA亚单元具有货真价实的催化功能。

后来，人们从不同生物中获得了数十种Ribozyme，有切割型的也有剪接型的，既能催化自身反应也能催化其它分子反应。此时，Ribozyme已被确认具有完全意义上的催化剂（酶）功能。Cech和Altman也因为此项极具轰动效应的发现分享了1989年的诺贝尔化学奖。

鉴于RNA既可以作为信息载体，又具有催化功能，换句话说就是既有DNA样作用又可以发挥蛋白质功能，人们自然会想到在生命起源之处最早出现的生物分子系统和遗传物质是RNA，而不是DNA或蛋白质。1986年，另一位因发明基因测序的诺贝尔奖获得者、Harvard大学的W.Gilbert在Nature（319:618）上正式撰文阐述这个话题，并首次提出了“RNA World”学说。

这一学说的中心是：在生命起源的早期阶段存在一个完全由RNA分子组成的分子系统，在这一体系中，系统的信息由RNA进行储存，一部分具有催化功能的RNA分子催化RNA自身信息的传递及RNA分子的自我复制；由于这一系统能够使信息得到储存及复制，所以这一系统能够生存并进化；最后，信息的储存由结构更加稳定的DNA分子代替，而催化功能由催化能力更强的蛋白质取代，从而形成了现代意义上的生命体系。随着一些新实验的验证和新现象的发现，“RNA World”假说在生物学领域内还是具有很高的影响力的，一般的著作甚至一些分子生物学教科书都把它作为确认的事实加以介绍。

其实这种思想实际上可以上溯到上世纪60年代。当时，美国Illinois大学的C. Woese、位于加州的Salk研究所的L. Orgel、以及发现DNA双螺旋结构的英国生物学家F. Crick都认为RNA是最早的生物本征分子，并且先后预言RNA可能具有催化功能。他们的这一认识是基于RNA在现有生物体内的普遍存在：我们知道在DNA的转录和翻译过程中，离不开信使RNA（mRNA）、核糖体RNA（rRNA）和转运RNA（tRNA）等3种RNA的参与，最后才有蛋白质的合成。此外，以RNA而不是DNA为遗传物质形式的病毒的发现，也表明这种设想的合理性和可能性。但当时由于未找到RNA催化的证据，这一想法沉睡多年，直到Cech和Altman的发现才公布于众。随后，RNA多功能研究才更多的走上了生物学家的实验台，反义RNA和RNA干扰技术（06年诺贝尔生理医学奖）的发现不能不说部分受益于此。

RNA催化的后期实验

随着RNA研究热潮的兴起，除了上面提到的Cech和Altman的工作之外，还有其它几项研究也是值得称道的。

1992年，美国生物学家Noller等用高浓度的蛋白酶K、强离子去污剂SDS以及苯酚等试剂处理大肠杆菌50S的大亚单位，去掉与23SrRNA结合的各种核糖体蛋白，结果发现得到的23SrRNA仍具有肽酰转移酶的活性，能催化肽链的合成；同时，Cech实验室也发现，氨基酸与tRNA间键的形成和断裂是由rRNA单独催化完成的；1995年，Colorado大学的M. Illangasekare等人研究发现，RNA（不是rRNA，也不需要氨酰tRNA合成酶）可以催化氨酰基的转移，且经过筛选，其反应速度至少增加105倍；同样是在1995年，Harvard大学的Szostak小组通过“试管内进化系统”发现了能够参与C-N键合成的Ribozyme（Nature,374:777）; 1998年，MIT的David Bartel小组的体外实验发现了一种能催化合成RNA的单体—嘧啶核苷酸 (Natuer,395:223)。他们的进一步研究还发现了一种核酶能够基于1条RNA模版合成第三条RNA。所以RNA能够基于1条RNA模版合成第三条RNA，也就是说，RNA能够复制RNA，使遗传信息得到传递，尽管所合成的第三条RNA的长度仅为14个核苷酸（Science,2001,292:1319）。

上述研究结果，都极大地丰富了RNA的化学内容，为RNA World学说提供了强有力的证据，表明早期生命活动可能主要是通过RNA的催化实现的。“RNA World”是生命出现早期的一个非常重要的时期，这一时期或许根本没有蛋白质和DNA的出现。

RNA World的另一个解释

前面曾提到病毒，这里就从病毒说起。病毒是非细胞形态的生命体，具有一个核酸分子(DNA或RNA) 与蛋白质外壳构成的核—衣壳结构。关于它的进化地位目前虽有争论。但引人注意的是以RNA为遗传物质的病毒，尤其是类病毒（仅由一个有感染性的RNA分子构成）的存在，是否也证明了RNA分子功能上的特殊性? 病毒是如何起源的？它与其它物种的起源有什么关系？如果单纯讨论病毒自身的进化,我们是否可以这样认为:先有类病毒,再演化为RNA 病毒,最终衍生为DNA 病毒？长期以来，这个问题一直困扰着进化生物学家。

长期以来有这样一种假说，该假说认为，病毒起源于细胞，病毒的基因来源于细胞基因，当细胞基因的小片段从细胞基因组上逃逸后，被蛋白包裹起来，就形成了病毒。当然，基于病毒的寄宿性，科学家有理由这样认为，因为病毒太简单了，离开了细胞他们就无法完成各种生命活动。

然而长期从事DNA复制机制研究的法国生物学家Patrick Forterre不这么认为，它在研究DNA复制中发现，病毒的DNA复制酶和复制机制不同于细菌以及真核生物。如果病毒起源于细胞，那么它和细胞DNA的复制应该是类似的。

与之相反，Forterre认为病毒处在物种进化的中心位置，并且其他物种的DNA都来自于病毒。他觉得RNA应该是最早的遗传信息的载体，在这期间形成了以RNA为基因组的类单细胞生物（被认为是除原核生物，真核生物，古核生物之外的第四种尚未发现的新物种）。由于RNA的不稳定，这些细胞的RNA极易形成小片段，这些小片段被蛋白质包裹起来，就形成了最初的病毒。这些病毒去侵染细胞，遭到细胞的抵抗，细胞产生出降解RNA的蛋白，来分解外来的RNA。这就是现在细胞降解外源RNA（RNAi）机制的起源。病毒也在进化，他们不断的修饰自己的基因组，使之由单链变成双链由RNA变成DNA，所以就更加稳定，抵御住了宿主的降解。然后这些病毒就在宿主内生活下去，由于DNA比RNA有更好的稳定性，所以就取代了宿主RNA，成为胞内唯一的遗传物质。所以，细胞DNA来源于病毒DNA，细胞核源于病毒。

这一假说遭到很多人的质疑，他们认为在DNA出现之前，不可能存在如此复杂的生命系统，所以Patrick Forterre假说的前体就不成立。不过Patrick Forterre说：这些人的说法和达尔文的进化论相悖，因为从RNA到DNA才体现出进化。

确实，从进化的角度似乎应该是先有RNA，后才出现DNA。除了上面的“蛋鸡悖论”和“RNA World”假说可以作为佐证之外，从纯化学角度考虑也是如此：1）RNA分子比较简单，只有一条链，DNA分子却很复杂，有两条链，按照进化规律，简单的分子总是最先出现；2）RNA分子中核糖的C2位上有羟基，较之DNA分子上的脱氧核糖，前者的化学性质很活泼，从而使得RNA链不稳定，按照从不稳定向更稳定的进化方向，也是RNA先出现才对。

事实上，Forterre的假说还是有一定合理性，今天的RNA干扰技术无疑就是对该假说的绝佳证明。但让人存在一些疑问：1）以RNA为基因组的类细胞系统存不存在？2）该假说为RNA向DNA的变迁提供了外来动力（抵抗宿主的降解），其内在机制又是什么？也就是说为什么单链的RNA变成了双链的DNA？3）RNA是如何实现向DNA的转变的呢？

对于第一个疑问的答案我们不得而知。对于第二点，一方面我们可以认为是前面提到的DNA分子的相对稳定性让大自然选择了它而摈弃了RNA，另一方面我们可以用加州Scripps研究所的Beier等人的实验结果来解释，他们在合成实验的基础上发现，RNA之所以在现在的生物体内以部分双链的形式存在，自然界之所以选择了RNA的双螺旋结构，是因为其兼具高的键合强度和好的柔韧性，这样可以更好的履行生命的职责（Science,1999,83:699）。而一旦RNA分子中的核糖被更稳定的脱氧核糖所取代，其自然会朝着双链DNA的方向进化，这是由化学内在机制决定的。

至于以RNA为遗传物质的早期生命如何将携带遗传信息的能力传给目前的DNA及将催化等功能移转给蛋白质等问题也一直缺乏有说服力的证据。特别是在功能方面，由于这取决于三维空间的排列方式，功能并无法如遗传信息般，可经由配对（base-pairing）方式有效实现DNA→RNA尤其是RNA→DNA（部分病毒内）那样的线性方式传递，造成生物分子间的功能传递机制始终不明。2006年，美国Scripps研究院的Gerald F. Joyce等人首先在R3C RNA（由57个核酸所组成的核酶）的基础上先合成相对应的DNA序列，当然这一合成的DNA序列并不具任何催化活性。然后通过体外活体进化技术（a process of accelerated in vitro evolution），研究人员成功地在试管中发现了一段具有和原始的核酶活性相当的DNA序列，这证明了以核酸为基础的遗传信息系统之间除了遗传信息可通过线性的方式传递，在一定次数的突变基础上，功能也可以同样的方式在两系统之间进行（Chemistry & Biology,2006,13:329）。第三个疑问也被解决了。

关于Gerald F. Joyce，这里再多说几句。他1978年毕业于美国芝加哥大学，1984年在UCSD获得博士学位，1985-1988年在Salk研究院做博后，1989起任Scripps研究院分子生物学系教授，研究领域包括RNA生物化学及通过体外进化技术开发新型RNA和DNA聚合酶。他对早期生命化学比较感兴趣，认为核酸是基因分子，其可以在试管中被扩大和突变。利用核酸作为催化剂和基因分子的双重性质，他的实验室设计发明了体外RNA分子直接进化技术，在试管中进化核酸聚合酶的速度最高可达到每天一百代，大大快于自然界速度。他们利用这种体外进化系统探索RNA的催化潜力，重点研究那些对自身有催化复制能力的RNA聚合酶。利用这种人工进化系统及选择和突变理论，Jocye揭示了新型RNA聚合酶可能在早期生命形成过程中扮演重要角色，向我们展示了从无生命的化学物质如何进化为生命体的过程。正是由于在该领域的杰出贡献，他于2005年获国际生命起源协会最高奖Urey奖。

Science上几篇用于RNA World及生命起源解释的研究论文

核糖体是将所有的生命中的遗传信息翻译成蛋白质的分子工厂，首次得到的原子分辨率的一个大的核糖体子单位(ribosomal subunit)的结构图展示了一些出人意料的细节，增强了对地球上生命起源的“RNA世界”模型的支持。

Yale大学长期从事核糖体研究的科学家Peter B. Moore和Thomas A. Steitz以及他们的同事们报告了来自嗜盐细菌Haloarcula marismortui上的一个大的核糖体亚单位的分辨率为2.4埃的完整的原子结构。这一亚单位包括两个核糖体RNA(rRNA)分子和31个蛋白质。这些研究人员发现rRNA域(domain)象核糖体中的3维拼图玩具的组成部分那样互琐，从而构成一个单一的实体。伴随的球状蛋白质在核糖体外部围绕着rRNA，有些蛋白质的奇形怪状的延伸进入到核糖体的实体中。但核糖体上的活性部位(active sites)—那些催化蛋白肽链形成的地方—只包括rRNA。核糖体蛋白质本身似乎不参与将遗传信息变成蛋白质的反应，它们的作用也许类似于粘土或砂浆，将关键的rRNA“砖”粘在一起。

这篇长达16页的工作以article的形式发表在Science上（2000,289:905-920）。另外，在作为姊妹篇同时发表的第二篇文章中（Science,289:920-930），他们指出，上述结构意味着核糖体实际上是一种核酶，既一个可以催化自身化学反应的RNA分子。这个大的核糖体子单位包括了一个从它和一个小的核糖体子单位的接触点到它后面的隧道(tunnel)，这个隧道是核糖体工厂“装配线”的主要出口，在更多的氨基酸被加上去后，它将多肽链不断地送出。在隧道的入口处一个深的裂缝的底部是肽链形成的活性部位，研究人员在这里仔细观察了这个全RNA域的催化性能。

这些核糖体上的部位是从哪里、怎样获得催化能力的？在同一期上Science上还刊载了同在Yale大学分子生物物理与生物化学系工作的Gregory W. Muth的一篇文章（Science,289:947），根据嗜盐细菌的研究者Gregory W. Muth及其同事对大肠杆菌(E. Coli)核糖体的活性部位的相应工作，rRNA上一个似乎所有活着的物种都保留下来的位置上的单一核苷酸碱基，具有正合适的酸碱性质从而能做肽键形成的质子的供体和受体。这些核糖体中RNA的独立和主角的作用可能进一步支持了地球上的生命起源于RNA的观点，因为RNA是一个即能存储遗传信息又能催化反应来繁殖其它分子的分子。

针对上述3项结果，最早发现ribozyme的Thomas R. Cech发表了他的perspective，讨论了这些发现以及RNA世界的可能性（Science,289:879）。
说了这么多，也该回到开篇提到的有关“核糖开关”的文章了。一些细菌能够四处“游动”，变形成新的形态，有时甚至变为剧毒性的，而所有这一切并不需要DNA的参与。鉴于RNA功能多样性的诸多发现，人们很自然会想到是它在作祟。那么，RNA是如何调节基因的呢？ Ronald Breaker（又是Yale大学的，不过隶属Howard Hughes医学研究所）和同事发现，仅有两个核苷组成的名为cyclic di-GMP的RNA分子能够激活一个更大的RNA结构——核糖开关（riboswitch）。核糖开关能够调控大量的生物活性，它们位于信使RNA的单链上并传输DNA的遗传指令，能够独立决定该激活细胞里的哪些基因，而这曾被认为是蛋白质独有的能力。Breaker实验室已经用化学方法制造出了核糖开关。而自2002年以来，已经发现了大约20种天然的核糖开关，其中大部分都藏在DNA的非基因编码区。此次研究有助解释与生命起源有关的问题。也就是说，数十亿年前，包含RNA的单链核苷可能是生命的最初形式，执行了目前由蛋白质完成的一些复杂的细胞功能。Breaker认为，核糖开关在细菌中高度保存，表明了它们的重要性和古老血统（Science,2008,321:411）。

再说RNA World假说

在生命起源中，RNA先发生的学说能够被科学界更多的学者所接受，得益于上述关于RNA功能多样性的发现。但是要想真正地证明RNA是最早发生的遗传物质，还存在很多的问题，最大的问题是，要想在模拟原始的条件下合成RNA非常困难。Joyce也认为这是“RNA World”假说中最薄弱的环节（Science,1989,246:1248）

前生物合成实验表明，在原始地球上，当诸如水蒸气、CO2和N2等气体分子遇上闪电或太阳紫外线照射时，可以生成大量氢氰酸和甲醛等，它们进一步反应则得到碱基。但是，进化没有明显的理由从大量同分异构体和结构类似的产物中选择这些碱基、还有核糖，而且还能形成指定的结合方式和完美的序列结构。

这甚至让人怀疑是一只“上帝之手”在秘密操控着这一切。1974年的诺贝尔生理医学奖获得者Christian de Duve即认为“RNA World”太复杂很不可思议。在其1991年所著的Blueprint for a Cell一书中，de Duve提出了一个更古老的思想：生命起源于某种原始的新陈代谢。他认为早期地球上随意发生的化学反应可能已经产生出大量的多肽，它的周围存在许多其它有机分子；许多这样的化合物具有天然的催化性，它们一旦形成，能选择性地控制原始化学反应；于是某些物质的浓度会优先增加，然后依次开始催化更进一步的反应；众多的使催化剂和反应产物相互联系的网络将减少副反应，从而提供一种非遗传的自然选择模式，而这些被选出的催化剂正式今天生物体内一些酶的原始祖先。de Duve的这一系统假说实际上跟我前面博文中提到的不对称自催化以及Wachtershauser的化学自养学说是一致的，后两者甚至可以说是给de Duve的“细胞蓝图”假说提供了实验证据。然而，de Duve自己也承认，在实验室中关键步骤一个也没被证明。

我国科学家揭示阿尔茨海默症致病新机制，这种机制的特点是什么？

中国科学家团队揭示了载脂蛋白E对神经元的胆固醇代谢进行重编程的机制，以及这种代谢调控对神经元功能特别是学习记忆过程的影响，同时也揭示了载脂蛋白E4导致AD的全新机制，研究成果以论文形式发表在杂志上。

载脂蛋白E是大脑内丰度最高的载脂蛋白之一，同时也是AD的最大风险因素，但是致病机制一直不清楚。科研人员首先发现了胶质细胞来源的载脂蛋白E显著抑制神经元内的胆固醇合成途径上关键酶，从而对神经元的胆固醇合成代谢进行抑制。载脂蛋白E通过抑制胆固醇的合成显著累积了胆固醇合成的前体乙酰辅酶A。该研究发现，载脂蛋白E可以通过上调细胞核内乙酰辅酶A的水平，显著增加组蛋白的乙酰化水平。

神经元的功能，特别是学习记忆等认知功能的实现需要基因表达的精确调控，而表观遗传调控机制，特别是组蛋白乙酰化与该过程密切相关。该研究表明，载脂蛋白E通过调控乙酰化组蛋白在启动子区的水平，调控早期应答基因的转录。进一步的研究发现载脂蛋白E对神经元的代谢调控是依赖于其所携带的mi RNA来实现的。重要的是，载脂蛋白E介导的神经元的代谢和表观遗传调控表现为明显的亚型特异性，载脂蛋白E4调控神经元胆固醇代谢和表观遗传的能力显著弱于载脂蛋白E3。这些结果揭示了载脂蛋白E4是通过对神经元代谢和表观遗传的调控参与AD的病理进程。

这一研究成果首次揭示了载脂蛋白E在大脑中的全新功能，阐明了胶质细胞来源的载脂蛋白E通过调控神经元的脂代谢和表观遗传过程影响学习记忆的新机制，同时也诠释了载脂蛋白E4如何作为AD的高风险因子参与疾病的进程，对深入理解AD症的发病机制有着重要的意义。

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阿尔茨海默症(AD)是一种起病隐匿、进行性发展的神经系统退行性疾病，主要发生于老年人群，且随着年龄的增长患病率显著升高。患者主要表现为记忆等认知或行为改变,目前病因不明。

AD是不断进展的：轻度症状主要表现为记忆力下降，但生活仍能自理；中度症状表现为记忆力继续衰退，存在明显的认知缺陷，容易迷路，生活上需要照顾。重度症状表现为智力严重衰退，不能独立进行室外活动，和自理障碍。

在疾病进展过程中，患者还会出现情绪和人格上的改变。心理和行为干预和必要时的药物治疗可以适当改善。起病隐匿，早期症状不明显，如果出现记忆力减退、计划和解决问题的能力下降、时间和空间混淆等异常情况，应立即就医，早期诊断早期治疗能够更大程度地延缓疾病进展。

该病目前无法治愈，没有特别有效的治疗方法，但药物治疗能够有效延缓疾病进展，改善症状并有可能延长生存期，需要加强照护。作为家属，应为患者创造一个良好的环境：确保患者居家安全;尽量让患者处在熟悉的环境，并建立规律的生活习惯。坚持锻炼和健康饮食有助预防。

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