概述
基因是能夠自我複制，永遠保存的單位，它的生理功能是以蛋白質的形式表達出來的。所以DNA核苷酸序列是遺傳信息的儲存者，它通過自主複制得以永存，通過轉錄生成信使RNA，進而翻譯成蛋白質的過程來控制生命現象，即貯存在核酸中的遺傳信息通過轉錄，翻譯成為蛋白質，體現為豐富多彩的生物界，這就是生物學中的中心法則(central dogma)。該法則表明信息流的方向是有DNA→RNA→蛋白質。在該信息流中，RNA病毒及某些動物細胞可以RNA為模闆複制出RNA，然後再由RNA直接合成出蛋白質；同時某些病毒，某些癌細胞及動物胚胎細胞可以由RNA轉錄出DNA，即發生反轉錄(reverse transcription)。由中心法則可知DNA（基因）控制着蛋白質的合成。
介紹
遺傳信息在細胞内的生物大分子間轉移的基本法則。包含在脫氧核糖核酸(DNA)或核糖核酸(RNA)分子中的具有功能意義的核苷酸順序稱為遺傳信息。遺傳信息的轉移包括核酸分子間的轉移、核酸和蛋白質分子間的轉移。
早在1909年，伽羅德（A•E•Garrod）在《先天性代謝差錯》一書中，就描述了黑尿病基因與尿黑酸氧化酶的關系。以紅色面包黴（鍊孢黴）為材料而開創生化遺傳學研究的比德爾（G•W•Beadle），1941年與塔特姆（E•L•Tatum）一起提出“一個基因一種酶”的假說，認為基因是通過酶來起作用的。 基因（DNA）主要位于細胞核中。如果酶（化學本質是蛋白質）是在細胞核内合成的，問題倒也簡單，由基因直接指導酶的合成就是了。可事實卻并不如此。
早在40年代，漢墨林（J•Hammerling）和布拉舍（J•Brachet）就分别發現傘藻和海膽卵細胞在除去細胞核之後，仍然能進行一段時間的蛋白質合成。這說明細胞質能進行蛋白質合成。
1955年李托菲爾德（Littlefield）和1959年麥克奎化（K•McQuillen）分别用小鼠和大腸杆菌為材料證明細胞質中的核糖體是蛋白質合成的場所。這樣，細胞核内的DNA就必須通過一個“信使”（message）将遺傳信息傳遞到細胞質中去。
1955年，布拉舍用洋蔥根尖和變形蟲為材料進行實驗，他用核糖核酸酶（RNA酶）分解細胞中的核糖核酸（RNA），蛋白質的合成就停止。而如果再加入從酵母中抽提的RNA，蛋白質的合成就有一定程度的恢複。同年，戈爾德斯坦（Goldstein）和普勞特（Plaut）觀察到用放射性标記的RNA從細胞核轉移到細胞質。因此，人們猜測RNA是DNA與蛋白質合成之間的信使。1961年，雅可布（F•Jacob）和莫諾（J•Monod）正式提出“信使核糖核酸”（mRNA）的術語和概念。
1964年馬貝克斯（C•Marbaix）從兔的網織紅細胞中分離出一種分子量較大而壽命很短的RNA，被認為是mRNA。實際上，早在1947年，法國科學家布瓦旺（A•Boivin）和旺德雷利（R•Vendrely）就在當年的《實驗》雜志上聯名發表了一篇論文，讨論DNA、RNA與蛋白質之間可能的信息傳遞關系。一位不知名的編輯把這篇論文的中心思想理解為DNA制造了RNA，再由RNA制造蛋白質。
10年以後，1957年9月，克裡克提交給實驗生物學會一篇題為“論蛋白質合成”的論文，發表在該學會的論文集（Symposum of the Society for Experimental Biology）第12卷第138頁。這篇論文被評價為“遺傳學領域最有啟發性、思想最解放的論著之一。”在這篇論文中，克裡克正式提出遺傳信息流的傳遞方向是DNA→RNA→蛋白質，後來被學者們稱為“中心法則”。
1957年F.H.C.克裡克最初提出的中心法則是：DNA→RNA→蛋白質它說明遺傳信息在不同的大分子之間的轉移都是單向的，不可逆的,隻能從DNA到RNA(轉錄)，從RNA到蛋白質（翻譯）。這兩種形式的信息轉移在所有生物的細胞中都得到了證實。
生物遺傳中心法則最早是由Crick于1958年提出的，用以表示生命遺傳信息的流動方向或傳遞規律。由于當時對轉錄、翻譯、遺傳密碼、肽鍊折疊等都還了解不多，在那個時候中心法則帶有一定的假設性質。随着生物遺傳規律的進一步探索，中心法則也逐步得到完善和證實。
1970年H.M.特明和D.巴爾的摩在一些RNA緻癌病毒中發現它們在宿主細胞中的複制過程是先以病毒的RNA分子為模闆合成一個DNA分子,再以DNA分子為模闆合成新的病毒RNA。前一個步驟被稱為反向轉錄,是上述中心法則提出後的新的發現。因此克裡克在1970年重申了中心法則的重要性，提出了更為完整的圖解形式。
這裡遺傳信息的轉移可以分為兩類：第一類用實線箭頭表示，包括DNA的複制、RNA的轉錄和蛋白質的翻譯，即①DNA→DNA（複制）;②DNA→RNA（轉錄）；③RNA→蛋白質（翻譯）。這三種遺傳信息的轉移方向普遍地存在于所有生物細胞中。第二類用虛線箭頭表示，是特殊情況下的遺傳信息轉移，包括RNA的複制，RNA反向轉錄為DNA和從DNA直接翻譯為蛋白質。即①RNA→RNA（複制）;②RNA→DNA（反向轉錄）;③DNA→蛋白質。RNA複制隻在RNA病毒中存在。反向轉錄最初在RNA緻癌病毒中發現，現在在人的白細胞和胎盤滋養層中也測出了與反向轉錄有關的反向轉錄酶的活性。至于遺傳信息從DNA到蛋白質的直接轉移僅在理論上具可能性，在活細胞中尚未發現。遺傳信息在細胞内生物大分子之間轉移的基本法則。認為遺傳信息的轉移隻能從脫氧核糖核酸到核糖核酸(轉錄)，從核糖核酸到蛋白質(轉譯)。現已發現，在某些生物中，核糖核酸通過逆轉錄，也能把遺傳信息傳遞給脫氧核糖核酸。
人們知道，細胞可以将DNA複制成一組新的DNA，然後進入一個新形成的細胞。其中，涉及一類被稱為聚合酶的細胞“機器”，它們也可以構建RNA信息，這些從DNA中心庫複制的信息可以被更有效地“解讀”為蛋白質。但聚合酶被認為隻沿着DNA到DNA或DNA到RNA的方向起作用，從而防止RNA信息被重寫回DNA中心庫中。現在，研究人員首次證明RNA也可以被寫回DNA，這挑戰了生物學的核心法則。
發展史
①1965年，科學家發現RNA可複制；
②1970年，科學家發現逆轉錄酶；
③1982年，科學家發現瘋牛病是由一種結構異常的蛋白質引起的疾病。
内容
①從DNA流向DNA（DNA自我複制）；
②從DNA流向RNA，進而流向蛋白質（轉錄和翻譯）；
③從RNA流向RNA（RNA自我複制)；
④從RNA流向DNA（逆轉錄）；
注：其中前兩條是中心法則的主要體現，後兩條是中心法則的完善和補充。
朊粒
朊粒是一種蛋白質傳染顆粒(proteinaceous infectious particle)，它最初被認識到是羊的瘙癢病的病原體。這是一種慢性神經系統疾病，在200多年前就已發現。1935年法國研究人員通過接種發現這種病可在羊群中傳染，意味着這種病原體是能在宿主動物體内自行複制的感染因子。朊粒同時又是人類的中樞神經系統退化性疾病如庫魯病(Kuru)和克—傑氏綜合征(Creutzfeldt-Jacobdisease，CJD)的病原體，也可引起瘋牛病即牛腦的海綿狀病變(bovin spongiform encephalopathy，BSE)。以後的研究證明，這種朊粒不是病毒，而是不含核酸的蛋白質顆粒。一個不含DNA或RNA的蛋白質分子能在受感染的宿主細胞内産生與自身相同的分子，且實現相同的生物學功能，即引起相同的疾病，這意味着這種蛋白質分子也是負載和傳遞遺傳信息的物質。這是從根本上動搖了遺傳學的基礎。
實驗證明，朊粒确實是不含DNA和RNA的蛋白質顆粒，但它不是傳遞遺傳信息的載體，也不能自我複制，而仍是由基因編碼産生的一種正常蛋白質的異構體。
基因編碼
哺乳動物細胞裡的基因編碼産生一種糖蛋白PrP。人的PrP基因位于20号染色體短臂，PrP由253個氨基酸殘基組成，在氨基端有22個氨基酸組成的信号肽。在正常腦組織中的PrP稱為PrPc，相對分子質量為33000～35000，對蛋白酶敏感。在病變腦組織中的PrP稱為PrPsc，相對分子質量為27000～30000，是PrPc中的一段，蛋白酶對其不起作用。現在知道，PrPc和PrPsc是PrP的兩種異構體，氨基酸組分和線性排列次序相同，但是三維構象不同。PrPc的結構中。螺旋占42%，β片層占30%；PrPsc則是。螺旋占30%，β片層占43%。PrPc的4條。螺旋可以排列成一個緻密的球狀結構，這個結構的随機漲落(stochastic fluctua—tion)會長成部分折疊的單體PrP*，這是一種中間體，即PrP*可以生成PrPc，也可以生成PrPsc。一般情況下，PrP*的含量極少，所以生成的PrPsc極少。可是外源的PrPsc可以促使PrP*變成PrPsc。PrPsc的不溶性使生成PrPsc過程成為不可逆轉。PrPsc在神經細胞裡大量沉積，引起神經細胞的病變，破壞了神經細胞功能。因此，PrPsc感染正常細胞後，可以促使細胞内生成更多的PrPsc，PrPsc逐漸積累，需要有一個時間過程才會引發疾病，這也就是這種神經退化性疾病有一個很長的潛伏期的原因。所以說，PrPsc進入宿主細胞并不是自我複制，而是将細胞内基因編碼産生的PrPc變成PrPsc。因此，中心法則是正确的，至少在目前還是無需修正的。
基因表達
關系
基因指導蛋白質合成；基因控制生物體；生物體性狀由蛋白質直接體現。
調控方法
a.基因通過控制酶的合成來控制代謝過程，進而控制生物體性狀。
b.基因通過指導蛋白質的合成，控制蛋白質結構進而直接控制生物體的性狀。
意義
中心法則是現代生物學中最重要最基本的規律之一，其在探索生命現象的本質及普遍規律方面起了巨大的作用，極大地推動了現代生物學的發展，是現代生物學的理論基石，并為生物學基礎理論的統一指明了方向，在生物科學發展過程中占有重要地位。遺傳物質可以是DNA，也可以是RNA。細胞的遺傳物質都是DNA，隻有一些病毒的遺傳物質是RNA。這種以RNA為遺傳物質的病毒稱為反轉錄病毒(retrovirus)，在這種病毒的感染周期中，單鍊的RNA分子在反轉錄酶(reverse transcriptase)的作用下，可以反轉錄成單鍊的DNA，然後再以單鍊的DNA為模闆生成雙鍊DNA。雙鍊DNA可以成為宿主細胞基因組的一部分，并同宿主細胞的基因組一起傳遞給子細胞。在反轉錄酶催化下，RNA分子産生與其序列互補的DNA分子，這種DNA分子稱為互補DNA(complementary DNA)，簡寫為cDNA，這個過程即為反轉錄(reverse transcription)。
任何一種假設都要經受科學事實的檢驗。反轉錄酶的發現，使中心法則對關于遺傳信息從DNA單向流入RNA做了修改，遺傳信息是可以在DNA與RNA之間相互流動的。那麼，對于DNA和RNA與蛋白質分子之間的信息流向是否隻有核酸向蛋白質分子的單向流動，還是蛋白質分子的信息也可以流向核酸，中心法則仍然肯定前者。可是，病原體朊粒(Prion)的行為曾對中心法則提出了嚴重的挑戰。
由此可見，遺傳信息并不一定是從DNA單向地流向RNA，RNA攜帶的遺傳信息同樣也可以流向DNA。但是DNA和RNA中包含的遺傳信息隻是單向地流向蛋白質，迄今為止還沒有發現蛋白質的信息逆向地流向核酸。這種遺傳信息的流向，就是克裡克概括的中心法則(central dogma)的遺傳學意義。
遺傳信息的特殊傳遞
逆轉錄
主條目：逆轉錄
在中心法則被詳細闡述之後，人們發現了逆轉錄病毒。這些病毒可通過一種叫做逆轉錄酶的催化，以RNA為模闆逆轉錄合成cDNA再由cDNA轉錄出RNA。這肯定了RNA向DNA轉錄的存在。人們最初以為這種現象僅出現于病毒中，但在最近，在高等動物中亦發現了RNA向DNA轉錄的逆轉錄轉座子。
RNA複制
主條目：RNA複制
有些病毒的遺傳物質是RNA分子，靠RNA複制而傳代，以RNA為模闆的RNA複制酶催化下合成RNA分子，RNA複制酶中缺乏校正功能，複制時錯誤率很高。RNA複制酶隻對病毒本身的RNA起作用，而不會作用于宿主細胞中的RNA分子。
RNA的催化功能
主條目：RNA催化
人們一直認為生物體内的各種生化反應都是由酶來催化完成的，而RNA僅是存貯與傳遞信息，與酶的催化反應無關。核糖核酸酶P是一種核酶，即由一個RNA分子發揮催化活性，它是第一個被發現的蛋白質以外具有催化活性的生物大分子。它的功能是剪切tRNA分子中RNA上多餘的或前體的多餘序列。RNA可以不通過蛋白質而直接表現出本身的某些遺傳信息，而這種信息并不是以核苷酸三聯密碼來編碼。
直接以DNA為模闆合成蛋白質
有人在一些離體實驗中觀察到，一些與蛋白質合成抑制劑類抗生素如新黴素和鍊黴素，能擾亂核糖體對信使的選擇，從而可以接受單鍊DNA分子代替mRNA，然後以單鍊DNA為模版，按核苷酸順序轉譯成多肽的氨基酸順序。另外還有研究表明，細胞核裡的DNA可以直接轉移到細胞質中的核糖體上，不需要通過RNA也可以控制蛋白質的合成。
DNA也具有酶活性
1994年喬依斯（G.F.Joyce）等人發現一個人工合成的DNA分子具有一種特殊的磷酸二酯酶活性。此後又有多例報道人工合成的DNA序列具有各種不同的酶活性。1995年中國學者王身立等人發現從多種生物中提取的DNA均具有酯酶活性，能催化乙酸萘酯水解為萘酚和乙酸。這種較弱的酯酶活性是非特異性DNA的一般性質，并不需要特定序列的DNA編碼。
中心法則的擴充
克裡克在上述那篇1970年的文章中指出，中心法則雖然對指導實驗很有用，但不應該被當成教條：
“雖然本文所提出的各類法則看來是可靠的，可是我們對分子生物學的認識，即使隻是一個細胞—更不用說大自然裡的整個生命體—仍然遠遠未完備到，足以讓我們把它當成教條一樣肯定正确的程度”
——克裡克
自從克裡克發表1970年那篇文章以來，很多新發現說明了中心法則補充和發展的必要。
翻譯後修飾
主條目：翻譯後修飾
對于大部份的蛋白質來說，這是蛋白質生物合成的最後步驟。蛋白質的翻譯後修飾會附上其他的生物化學官能團、改變氨基酸的化學性質，或是造成結構的改變來擴闊蛋白質的功能。酶可以從蛋白質的N末端移除氨基酸，或從中間将肽鍊剪開。舉例來說，胰島素是肽的激素，它會在建立雙硫鍵後被剪開兩次，并在鍊的中間移走多肽前體，而形成的蛋白質包含了兩條以雙硫鍵連接的多肽鍊。其他修飾，就像磷酸化，是控制蛋白質活動機制的一部份。蛋白質活動可以是令酶活性化或鈍化。
蛋白質的内含子
主條目：蛋白質内含子
蛋白質有自剪接現象，與mRNA相同，一些蛋白質前體具有内含子（intein）序列，多肽序列中間的某些區域被加工切除，剩餘部分的蛋白質外顯子（extein）重新連接為蛋白質分子。
DNA甲基化
主條目：表觀遺傳學
表觀遺傳學研究在沒有細胞核DNA序列改變的情況時，基因功能的可逆的、可遺傳的改變。這些改變包括DNA的修飾（如甲基化修飾）、RNA幹擾、組蛋白的各種修飾等。也指生物發育過程中包含的程序的研究。在這兩種情況下，研究的對象都包括在DNA序列中未包含的基因調控信息如何傳遞到（細胞或生物體的）下一代這個問題。其主要研究内容包括大緻兩方面内容。一類為基因選擇性轉錄表達的調控，有DNA甲基化，基因印記，組蛋白共價修飾，染色質重塑。另一類為基因轉錄後的調控，包含基因組中非編碼的RNA，微小RNA，反義RNA，内含子及核糖開關等。
主條目：DNA甲基化
DNA甲基化為DNA化學修飾的一種形式，能在不改變DNA序列的前提下，改變遺傳表現。為外遺傳編碼（epigenetic code）的一部分，是一種外遺傳機制。DNA甲基化過程會使甲基添加到DNA分子上，例如在胞嘧啶環的5'碳上：這種5'方向的DNA甲基化方式可見于所有脊椎動物。
蛋白質可作為合成DNA的模闆
來自Mount.Sinai醫院的研究人員發現了一種叫Rev1 DNA聚合酶的蛋白質，它可以為DNA複制提供編碼信息。許多緻癌物質會傾向于破壞DNA的鳥嘌呤（G），或者是破壞鳥嘌呤與胞嘧啶（C）的配對，這些都會導緻DNA錯配的發生。新發現的蛋白質可以以自身為模闆在複制鍊上加一個胞嘧啶，這個胞嘧啶無論鳥嘌呤是否在DNA鍊中存在都會被Rev1加上去的，在DNA複制時可以利用一條單鍊，根據堿基配對原則複制出新的DNA鍊。細胞利用這種嶄新的機制在含有緻癌物質的情況下對受損的DNA進行複制。這是第一次發現蛋白質可以作為一種合成DNA的模闆。
朊病毒
主條目：朊病毒
朊病毒是通過改變其他蛋白質的構象來進行自身精确複制的一類蛋白質。也就是：蛋白質→蛋白質。這種具有感染性的因子主要由蛋白質組成。具有感染性的因子Prp與正常因子PrP在形狀上有一點不同。科學家推測這種變形的蛋白質會引起正常的PrP轉變成具有感染性的蛋白質，這種連鎖反應使得正常的蛋白質和緻病的蛋白質因子都成為新病毒。
中心法則的起源
中心法則的信息是從DNA到RNA，但是，謝平（2014）指出，從生命起源和演化的曆史來看，信息的整合則必定是從mRNA到DNA 。
從RNA到DNA的演化之路
在細胞起源的早期，為了适應細胞的分裂行為，遺傳物質的有效傳遞成為必須，因此，細胞中儲存在各種m-RNA中的遺傳信息的整合必須成為選擇的方向，把所有m-RNA的信息連接起來，就是向DNA方向發展的啟航。也許可以認為，随着蛋白質的增多，mRNA也相應增多，偶爾一個整合性的mRNA長鍊更好地匹配了細胞的分裂行為，這樣就會得到選擇。
但是，并不是把m-RNA拼接起來就是DNA，實際上，結構成份發生了兩個變化，其一，RNA分子中的尿嘧啶，在DNA中變成了胸腺嘧啶，雖然兩者僅有細微的差别，即後者多了一個甲基；其二，RNA分子中的核糖在DNA中變成了脫氧核糖。但是這兩個變化卻導緻了兩種核酸在形态上的顯著差别：DNA形成雙螺旋的結構，而絕大部分RNA分子都是線狀單鍊，雖然RNA分子的某些區域可自身回折進行堿基互補配對，形成局部雙螺旋。或許出于某種結構上的緣由，如果脫氧核糖替代核糖以及胸腺嘧啶替代尿嘧啶能更加有利于形成穩定的雙螺旋結構的話，那就是DNA被選擇的方向性。
當然，或許僅僅就是為了避免混淆，因為生物經常要用既有聯系又能區别的結構物質來行使不同的功能，譬如，NADPH和NADH，兩者的還原電位完全相同，功能也類似，但卻用于不同的生物代謝途徑。一個不容易混淆的井然有序的代謝系統當然會得到選擇或青睐 。
用mRNA拼接DNA的證據
真核基因轉錄産物為單順反子，即一個基因編碼一條多肽鍊或RNA鍊，每個基因轉錄有各自的調節元件。在原核細胞中，通常是幾種不同的mRNA連在一起，相互之間由一段短的不編碼蛋白質的間隔序列所隔開，這種mRNA叫做多順反子mRNA。依筆者之見，原核生物多順反子的存在，正好可視為是mRNA拼接成長鍊DNA的一個過渡階段的證據。
另一個證據就是，在DNA聚合酶根據模闆複制新的DNA鍊之前，必須依賴一段RNA引物。這一引物是引物酶辨認起始位點後解開一段DNA并按照5'到3'方向合成的RNA短鍊。之後，DNA聚合酶會通過磷酸二酯鍵的連接，添加與模闆鍊配對的核苷酸，從而向引物鍊的3'端方向合成DNA。當然，最後RNA水解酶（RNase）會将RNA引物水解，另一些DNA聚合酶會生成DNA來填補這些缺口。
可以設想，如果不将m-RNA的遺傳信息整合進一個統一的DNA中去的話，細胞分裂中如何能夠将親細胞準确地分配到兩個子細胞中去則難以想象的！最近謝平（2015）提出，遺傳密碼子是生化系統的一部分，而生化系統的核心是ATP，正是ATP才建立起了核酸和蛋白質之間的聯系（ATP中心假說）
當然，完善的遺傳系統的建立絕非易事，超越了人類的想象，應該是細胞前體在數億年的演化曆程特别是無數次失敗的分裂過程中才得以實現的。人們可能懷疑這種推論的真實性，但在如此宏大的地球上，在如此之小的細胞中，如果給予了10億年的時日，一切偶然皆有可能成為必然，一切不可想象的事件皆有可能發生，隻要有一個演化的方向性。
蛋白質、RNA和DNA三者在結構與功能的分化與完善，導緻了一個完全獨立的遺傳系統的形成，而這又是通過細胞分裂維持生命形态相對穩定性的前提。隻有一個真正可操作的遺傳系統的出現，生命才從前細胞體時代邁進了細胞時代，才真正拉開了生物進化的序幕。
在生化機制上，細胞必須形成既有區别又有聯系的一種結構體系，即一方面必須對信息進行準确地儲存與複制，另一方面高效地實施生命構建，前者就是核酸體系，後者就是蛋白質體系。這兩個體系在短時間尺度上相對獨立，但不斷相互作用，導緻在長時間尺度上的協同演化。
RNA被寫回DNA
美國托馬斯·傑斐遜大學生物化學和分子生物學副教授Richard Pomerantz團隊2021年6月刊登于《科學進展》的論文首次證明RNA也可以被寫回DNA，這挑戰了生物學的核心法則。
