分子生物学第7章

第七章 遗传密码的使用从5′端到3′端阅读的一段DNA 编码序列包括一系列三联体核苷酸(密码子)，对应着蛋白质中从N 端到C 端的一系列氨基酸。

DNA 和蛋白质序列使直接比较相应的核苷酸和氨基酸序列成为可能。

有64个密码子(每个密码子的三个位置都有4种可能的碱基所以有43=64种可能的三联体核苷酸序列)。

每个密码子(Codon)在蛋白质合成中都有其独特的含义：61个密码子代表氨基酸；3个密码子引起蛋白合成的终止。

编码氨基酸的密码子的含义由与之相应的tRNA 决定；终止密码子(Termination codon)的含义由蛋白因子本身决定。

遗传密码的最初破译表明遗传信息以核苷酸三联体的形式储存，但并没有揭示出每个密码子是如何与专一的应氨基酸相对应的。

在测序技术出现之前，主要通过两种类型的体外研究来推测密码子的含义的。

一个与多核苷酸链翻译有关的体系在1961年出现，Nirenberg 发现聚尿苷酸(PolyU)指导苯丙氨酸聚合为聚苯丙氨酸。

这意味着UUU 一定编码苯丙氨酸。

另一体系后来被建立，在这一体系中三联体核苷酸用来模拟密码子使相应的氨酰-tRNA 结合在核糖体上。

知道氨酰-tRNA 所携带的氨基酸成分，也就知道了密码子的含义。

用这两种技术一起破译了所有编码氨基酸的密码子。

图7.1总结了所有的密码子，由于密码子的数量(61)比氨基酸的数量(20)多，所以几乎所有的氨基酸都有超过一个的密码子编码。

只有甲硫氨酸和色氨酸例外。

有相同含义的密码子称为同意密码子(Synonyms)。

因为遗传密码的阅读是在mRNA 上进行的，所以通常用出现在RNA 上的碱基U 、C 、A 、G 表示。

图7.1 所有的64个三联体密码都是有意义的：61个代表氨基酸，3个使翻译终止。

图7.2 某个氨基酸密码子数目的多少，与该氨基酸在蛋白质中出现的频率没有多大联系。

编码相同或相近氨基酸的密码子在序列上往往相似。

一般来说密码子的第三个位置不是特别重要，因为四个编码同一种氨基酸的密码子只在第三位上不同。

有时这一位点上的不同会是嘌呤和嘧啶之间的不同造成的。

密码子最后一位碱基专一性降低的现象称为第三位碱基的简并性(Third-base degeneracy)。

密码子的翻译需要与相应的氨酰-tRNA上的反密码子(Anticodon)配对。

这个反应发生在核糖体上：单独三联体核苷酸太短不能稳定配对，但核糖体A位点可以提供一个使配对稳定的环境。

密码子与反密码子间的碱基配对不仅仅是A-U和G-C间的配对。

核糖体提供的环境使前两个碱基的配对按照以上的方式进行，第三个碱基可以发生更多的反应。

所以一种氨酰-tRNA可以识别多于一种的密码子，这与简并性也是一致的。

另外，配对也可能受到tRNA上特定碱基的影响，尤其是靠近反密码子的碱基。

相似的密码子编码相同的氨基酸这种趋势可以降低突变的作用。

这使一个碱基的变化不引起氨基酸替代或替代为性质相近的氨基酸的可能性提高。

例如，CUC突变为CUG不产生任何效应，因为这两种密码子都编码亮氨酸；CUU突变为AUU会引起亮氨酸替代为异亮氨酸，这个氨基酸与前者性质相近。

图7.2根据氨基酸在蛋白质(E. coli)中出现的几率列出编码每一种氨基酸的密码子的数量。

只有一个很微弱的趋势表明更常用的氨基酸拥有更多的密码子，所以遗传密码似乎没有根据氨基酸的利用达到最优化的安排。

UAA、UAG和UGA不编码氨基酸，只用来终止蛋白的合成。

每个基因的末尾都会有终止密码子中的一个出现。

所有生物中的遗传密码都相同吗？将DNA序列与相应的蛋白序列加以比较发现细菌和真核生物中对密码子的识别是相同的。

所以一种生物的mRNA可以在体外或在另一种生物体内的蛋白合成系统中正确合成。

也就是说一个物种的mRNA可被另一个物种的核糖体和tRNA识别。

密码子的普遍性说明它们在进化的早期就已经建立了。

也许最初少量的密码子编码相对少量的氨基酸，很可能一种密码子可编码一组氨基酸中的任意一种。

密码子更精确的含义和更多的氨基酸可能后来才被引入。

还有一种可能，最初每个密码子中三个碱基只有两个被用到，对第三个碱基的识别可能是后来进化来的(最初氨基酸和编码它的密码子之间可能存在着立体化学关系。

后来才进化出复杂的系统)。

密码子的进化“冻结”在一点上，在这一点上密码子系统已经非常复杂，以至于密码子含义的任何变化都会通过替代为不需要的氨基酸干扰到现存的蛋白。

它的通用性说明这一定是发生在一个相当早的阶段以至于所有的现存物种都遗传到了这种通用性(Universality)。

不符和通用性的例子很少。

一个物种基因组中编码含义的改变通常涉及到终止密码子。

例如，在支原体(Mycoplasma)中，UGA编码色氨酸；在纤毛虫草履虫属(Ciliates Tetrahymena)和四膜虫属(Paramecium)的一些物种中UAA和UAG编码亮氨酸。

只有线粒体中的编码系统有所不同。

7.1 密码子与反密码子的识别涉及摆动蛋白合成中tRNA 的功能是通过对核糖体A 位点的密码子的识别行使的。

在碱基配对过程中密码子与反密码子相互作用，但它们并不总是遵守通常的G-C 和A-U 这一配对规则。

我们可以通过研究与密码子对应的反密码子序列推测这种相互作用所遵守的规则。

一种tRNA 对应给定密码子的能力，可以通过核苷酸三联体结合分析或应用体外蛋白合成系统来直接测定。

遗传密码本身就提供了一些有关密码子识别这一过程的重要线索。

图7.3中画出了三碱基简并性的方式，说明在几乎所有的情况都是第三位碱基的替换不会引起产物的变化或只有嘌呤和嘧啶之间的替换才会产生变化。

图7.3 第三位碱基对密码子意义的影响最小。

图中每个小方块儿所含的几个密码子中，第三位碱基具有简并性，每组所代表的氨基酸意义相同。

图7.4 密码子-反密码子配对包括在第三位碱基上发生的摇摆。

所有的四种不同碱基与相同的前两位碱基组合产生的不同密码子，有可能编码同一种氨基酸，这样的家族共有八个，在这些密码子中第三位碱基的替换就不会造成编码产物的不同。

还有七个密码子对无论第三位是哪一种嘧啶，编码产物都不变；另外还有五个密码子对，第三位可以是任何一种嘌呤，也不会造成编码产物的改变。

只有三个例子是第三位碱基是特定的：AUG(编码甲硫氨酸)，UGG(编码色氨酸)和UGA(用于终止作用)。

所以如果一个密码子的第三位是C 或U ，那么这个密码子一定不是编码与之对应的唯一的密码子，同样若第三位是A ，这个密码子也不能唯一的编码一种氨基酸。

由于反密码子与密码子是配对的，所以从5′到3′的方向看，与密码子第三位碱基配对的是反密码子的第一位碱基。

所以这种结合：密码子5′ ACG 3′反密码子3′ UGC 5′通常写成密码子ACG/反密码子CGU，在这里反密码子以反方向阅读。

为了避免混淆，我们所有的序列都以5′→3′的方向书写，仅以一个反方向的示反密码子与密码子之间的关系。

因此上述的密码子/反密码子对可以写做ACG。

三联体密码子需要具有完全配对的反密码子的tRNA吗？或是一种tRNA能与密码子对中或密码子家族中的所有(或至少一些)的密码子相互作用？一种tRNA经常能识别超过一种的密码子。

这就意味着反密码子的第一位碱基一定能同密码子上相应的第三位上的不同碱基配对。

这一位置上的碱基配对不会局限于通常的G-C和A-U配对。

摆动假说(Wobble hypothesis)总结了这一识别方式符合的规律，说明密码子与反密码子相互作用时前两位碱基的配对符合通常的规律，摆动现象发生在第三位碱基上。

摆动现象之所以发生是因为tRNA反密码子环的构型允许反密码子第一位碱基有一定的可变性。

第三位碱基配对的这种规律允许它除了通常的配对外还可在U和G之间配对(见图7.6)。

这种碱基配对的变化使得A在密码子中再也不具备唯一的含义(因为与它配对的U还能与G配对)。

相同的，C也不再具有唯一的含义(因为与之配对的G也能识别U)。

图7.4总结了配对的方式。

所以当第三位碱基是G或U时密码子有可能具有唯一的含义；但这个规律并不总是适用的，因为第一种类型中只有UGG和AUG两个例子，而第二种类型中没有符合的例子。

在RNA双螺旋中，G-U配对很常见。

但当只能形成三个碱基对时，密码子与反密码子之间稳定作用的形成就受到了限制，所以G-C对只能出现在密码子的第三位。

7.2 tRNA含有可影响其配对性质的修饰碱基由于含有不寻常的碱基使转运RNA不同于其它的核酸。

不寻常的碱基是指除合成所有RNA所用的A、G、C和U以外的嘌呤或嘧啶。

所有的其它碱基都是在普通碱基掺入多核苷酸链以后经过修饰而来的。

所有的RNA都存在一定程度的修饰，但除了tRNA以外，其余RNA的修饰只限于简单的类型，例如增加一个甲基。

对tRNA 来说，存在着一系列不同的修饰，从简单的甲基化到整个嘌呤环的重排。

tRNA分子的任何部分都可发生修饰，在tRNA中存在着多于50种的修饰碱基。

图7.5列出了较常用的修饰碱基。

嘧啶的修饰(C和U)没有嘌呤的修饰(A和G)复杂。

除了碱基本身的修饰以外，还存在着核糖2′-O的甲基化。

对尿苷最普遍的修饰比较简单。

5′位上的甲基化作用产生胸腺嘧啶核糖核苷(T)，这种碱基在DNA中常见；但在这里它同核糖结合而不是同脱氧核糖结合。

在RNA中，胸腺嘧啶是一种不寻常的碱基，最初由尿嘧啶修饰而来。

使双键饱和会产生二氢尿嘧啶(Dihydrourimine，D)，这种碱基的产生会改变环的结构。

假尿嘧啶(Psedouridine ，Ψ)交换了N 和C 。

4-硫尿嘧啶(4-thiouuridine)以硫替换了氧。

次黄核苷酸(Inosine ，I)在有嘌呤生物合成途径的细胞中发现。

然而，它并不是直接掺入RNA ，相反它是依靠RNA 中对A 的修饰而来的。

对A 的修饰还包括许多复杂集团的加入。

图7.6 在摇摆配对中，允许在反密码子的第一个碱基和密码子的第三个碱基之间出现G-U 配对。

图7.5 在tRNA 内的四种碱基都可以被修饰。

对G 的修饰会产生两种复杂的核苷酸。

Q 碱基，例如queuosine ，有一个额外的环戊烯(pentenyl)环通过NH 加在7-甲基鸟苷的甲基上。

环戊烯环可能带有更多的基团。

Y 碱基，例如wyosine ，带有一个额外的环与嘌呤环融合；这个额外的环带有一个长的碳链，不同的情况下这个碳链上还会加上其它的基团。

修饰反应通常涉及到对tRNA 中存在的碱基的改变或增加。

Q 碱基的合成是一个例外，在这一过程中，专一的酶催化游离的Q 替换tRNA 中的鸟苷酸残基。

这个反应涉及到核苷酸两侧键的断裂和重新合成。

修饰核苷酸是由专一的tRNA-修饰酶催化合成的。

最初的核苷酸存在形式可以通过比较tRNA 与它的基因序列或(效率较低)分离缺少一些或全部修饰的前体分子来确定。