1958年，DNA双螺旋结构发现者之⼀Francis Crick教授提出了著名的中⼼法则（central dogma）。这条法则指明了遗传信息从DNA传递⾄RNA，再由RNA传给蛋⽩质的单向不可逆过程，在此后的半个多世纪中成为分⼦⽣物学的核⼼理论。现在，《科学》杂志的⼀项最新研究填补了中⼼法则的重要⼀环。
这项研究将基因调控与mRNA、蛋⽩质⽔平定量联系起来，让我们以全局的视⻆看待这个关键的⽣命过程。
简单来说，中⼼法则包含了转录和翻译这两个核⼼过程。⾸先在转录过程中，DNA中储存的信息复制到信使RNA（mRNA）中；接下来的翻译过程中，根据mRNA的指令，核糖体将⼀个个氨基酸分⼦合成肽链，并完成蛋⽩质的组装。整个过程的顺利进⾏，离不开细胞的调控。科学家希望了解的是，细胞是如何基于基因表达数据来调控转录和翻译过程，决定mRNA和蛋⽩质在什么条件下合成的？
这个问题的答案有着重要意义。例如，科学家可以根据这⼀调控机制实现精确的蛋⽩质⽔平操控，在合成⽣物学领域有着⼴阔前景。不过，以往的研究对这个问题的认识存在明显的不⾜。这是因为在单个基因的层⾯，整个过程是单向线性的：从基因启动到⽣成mRNA再到合成蛋⽩质。因此，科学家通常会以线性思维来看待整个过程，在设计实验时改变的只是单个基因或少数⼏个特定基因，⽽没有彻底改变整个细胞系统。
根据这种思维，如果说基因表达的改变导致DNA转录出两倍的mRNA，那么合成的蛋⽩质也会加倍。但实际上，影响细胞调控的不仅有单个基因，还有整个细胞系统。将视⻆切换到系统层⾯，就会发现对中⼼法则的线性思维站不住脚。细胞系统会加以全局的限制，尤其是限制了可⽤的RNA聚合酶和核糖体数量。例如，⼀个细胞中蛋⽩质的总浓度⼤致是恒定的。
当细胞通过调控特定基因的表达来适应环境变化时，全局的限制使得发⽣改变的不仅有这些基因的表达，还有很多没有被直接调控的基因。
那么，基因层⾯与系统层⾯是如何共同影响细胞蛋⽩质组的？在最新研究中，来⾃加州⼤学圣迭⼽分校（UCSD）的研究团队解决了这个被⻓期忽视的问题。他们从全局性限制的⻆度出发，定量分析了模式⽣物⼤肠杆菌的基因调控与mRNA、蛋⽩质⽔平的联系。
研究揭示了基因调控与mRNA、蛋⽩质⽔平的联系。为此，研究团队测定了⼤肠杆菌在不同⽣⻓条件下，超过1500个基因的启动⼦活性以及mRNA、蛋⽩质⽔平。这些数据使得研究者可以定量分析RNA聚合酶、核糖体活性与启动⼦活性和蛋⽩质浓度之间的相互影响。在这个过程中，研究团队发现了意料之外的结论：决定蛋⽩质浓度的主要因素是启动⼦的活性；相⽐之下，细胞⽣⻓条件对合成的蛋⽩质浓度的影响要⼩得多。
最终，研究提出⼤肠杆菌的基因调控包含了两个主要原则。⾸先，蛋⽩质浓度主要由转录过程决定，⽽mRNA的翻译过程以及⽣⻓条件的影响较⼩。其次，转录与翻译过程是紧密协调的，这种协调性是通过⼤肠杆菌的⼀类反σ因⼦（抑制细菌开始转录的蛋⽩质）实现的，这个因⼦可以调节转录所需的RNA聚合酶在不同⽣⻓调节下的可⽤性。
这两项原则共同产⽣了细菌基因表达中⼼法则的定量公式，将mRNA和蛋⽩质浓度与相应启动⼦的调控联系起来。
Hwa教授相信，这项研究将重新书写课本中对基因表达和调控的描述：“我们⼀直使⽤的是错误的框架。这项研究提供了简单的公式，可以让我们理解细菌中的基因相互作⽤。这项发现可以⽤于更⾼效地设计基因回路，帮助解决更多⽣物技术和健康科学问题。”