遗传密码的起源和进化
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evolve?
密码子的若干使用规律
1 通用性、简并性、摆动性； 2 xyU与xyC总为同一氨基酸编码，xyA与xyG常为同一氨
基酸编码； 3 xyU、xyC、xyA、xyG为同一种氨基酸编码的情况有8种； 4 除Leu、Ser、Arg外，所有氨基酸都用相同的一对起始碱
基为自己编码；
5 第二位是U的所有密码子都与疏水性氨基酸相对应，荷电 的氨基酸总是由第二位是嘌呤的密码子编码；
MW
1.0 -0.05 -0.08 0.68** -0.45*
等电点 -0.05 1.0 -0.13 -0.22 -0.10
相互距离 -0.08 -0.13 1.0 0.38 -0.19
不可取代性 0.68** -0.22 0.38 1.0 -0.69**
注：r0.05(18)=0.4438, r0.01(18)=0.5614
蛋白质的起源也是渐进式的，组成原始蛋白质的氨基 酸不仅数量有限，而且必须满足能形成具有催化活性 的高级结构如：α 螺旋和β 折叠等条件；
综合考察20种氨基酸的特性，发现要形成具有催化活 性的原始蛋白质，组成的氨基酸种类不得少于4种，这 4种氨基酸分别是：Val、 Ala、Asp、Gly，它们正好 是最容易前生物合成的4种小氨基酸，而编码这些氨基 酸的密码子（GNC）就是最原始的密码子；
密码子起源与进化的线路是：GNC——SNS——其它
双链分工假说
主要内容： 两条核酸链(dsRNA或dsDNA)的存在是
遗传密码起源所必需的； 同时以三联体的形式发挥作用 ； 一条链上的三联体为互作密码子，负责
与氨基酸直接作用建立特异对应关系； 另一条链上的三联体为密码子，负责存 储这种特异关系信息。
密码子MW π电子共振能 碱基堆积力 亲水性
氨基酸 MW -0.033 -0.073 -0.549* 0.056
表 5 密码子与氨基酸性质间的相关性
等电点 0.516* -0.211 0.143 -0.676**
相互距离 0.103 0.465* 0.362 0.249
不可取代性 0.161 0.273 -0.297 0.046
注：括号内的字母为密码子的类别代号、数字为密码子的数目
合计数量 9+3 7 4
氨基酸、密码子性质间的相关性1
表 2 密码子四种性质间的相关性
பைடு நூலகம்
M.W. 亲水性 碱基堆积力 π电子共振能
M.W. 1.00** -0.82** 0.11 0.70**
亲水性 -0.82** 1.00** 0.039 -0.98**
浅议遗传密码的起源与进化
许晓风 南京师范大学生命科学学院
2011、8、in Xining
Biology 的几个基本问题
What is life? What is the meaning or essence of life? When, where and how does life
originate? How do genetic codes originate and
协进化假说
主要内容：
遗传密码系统是氨基酸前生物合成途径 的印迹，这种前生物合成途径在氨基酸 的生物合成中基本得以保持；
根据氨基酸相互之间在生物合成中的前 体-产物关系可推断出遗传密码的进化脉 络；
具有前体-产物关系的氨基酸对的密码子 应是连续的，只有一个碱基的差异。
Pro
CCU CCA CCC CCG
我们的一些初步工作
遗传密码的信息内涵； 氨基酸、密码子性质间的相关性； 密码子的使用规律及其偏爱使用规律; 遗传密码的起源
不同核苷酸携带的编码信息
密码子与氨基酸的对应联系
2 0 种氨基酸的碱基型密码类别
密码类别 嘌呤型（P P,25） 嘧啶型（MM,24） 混合型（PM,15）
氨基酸类别 Lys,Asn,Gly,Arg,Glu,Met,Gln,Trp,Asp,3ter Phe,Leu,Pro,Ser,His,Tyr,Cys Ile,,Val,Thr,Ala
Thr
ACU ACA ACC ACG
Asp
GAU GAC
AAU AAC
Gly
GGA GGU GGG GGC
UAU Tyr
UAC
CUU CUC
Leu
CUA UUA CUG UUG
Met
AUG
Asn
AAU AAC
Lys
AAA AAG
Ser
AGU AGC
反密码子互作假说
主要内容： 氨基酸与tRNA上反密码子的特异性直接
碱基堆积力
0.11 0.039 1.00** -0.07
注：r0.05(60)=0.2500, r0.01(60)=0.3248
π电子共振能 0.70** -0.98** -0.07 1.00**
氨基酸、密码子性质间的相关性2
表 4 氨基酸五种性质间的相关性
MW 等电点 相互距离 不可取代性 同义密码子
同义密码子 -0.45* -0.10 -0.19 -0.69** 1.0
同义密码子数 -0.177 0.038 0.374 0.204
相互作用导致了遗传密码的起源 主要依据：
L型的Phe、Lys、Pro、Gly、Ala、Arg、Met、 Tyr、Cys、Glu等氨基酸均与其相应的反密 码子单体、二联体到多联体发生特异性 的结合，且结合力随链长的增加而增加
GNC—SNS假说(Ikehara, K et al)
主要内容：
遗传密码的起源是渐进式的，不是一次性完成的；
CAA
Gln
CAG
Arg
CGU AGA CGC AGG
CGA CGG
Glu
CAA GAA CAG GAG
CAU CAC
His
Ser
UCA UCU
UCG UCC
UGG Trp
Cys
UGU UGC
Val
GUU GUC
Phe
GUA GUG
Ile
Ala
GCA GCU GCG GCC
UUU UUC
AUU AUC AUA
6 密码子前二位是CG组合的只编码一种氨基酸，是AU组 合 的为两个氨基酸编码 ，其余组合的8组密码子要么 为一种氨基酸编码，要么为两种氨基酸编码；
7 密码子是偏爱使用的。
遗传密码起源的假说
偶然冻结假说（Crick） 立体化学假说（Grafstein） 协进化假说（Tze-Fei Wong） 反密码子互作假说（Henri Grosjean） GNC—SNS假说(Ikehara, K et al) 双链分工假说（XU）
密码子的若干使用规律
1 通用性、简并性、摆动性； 2 xyU与xyC总为同一氨基酸编码，xyA与xyG常为同一氨
基酸编码； 3 xyU、xyC、xyA、xyG为同一种氨基酸编码的情况有8种； 4 除Leu、Ser、Arg外，所有氨基酸都用相同的一对起始碱
基为自己编码；
5 第二位是U的所有密码子都与疏水性氨基酸相对应，荷电 的氨基酸总是由第二位是嘌呤的密码子编码；
MW
1.0 -0.05 -0.08 0.68** -0.45*
等电点 -0.05 1.0 -0.13 -0.22 -0.10
相互距离 -0.08 -0.13 1.0 0.38 -0.19
不可取代性 0.68** -0.22 0.38 1.0 -0.69**
注：r0.05(18)=0.4438, r0.01(18)=0.5614
蛋白质的起源也是渐进式的，组成原始蛋白质的氨基 酸不仅数量有限，而且必须满足能形成具有催化活性 的高级结构如：α 螺旋和β 折叠等条件；
综合考察20种氨基酸的特性，发现要形成具有催化活 性的原始蛋白质，组成的氨基酸种类不得少于4种，这 4种氨基酸分别是：Val、 Ala、Asp、Gly，它们正好 是最容易前生物合成的4种小氨基酸，而编码这些氨基 酸的密码子（GNC）就是最原始的密码子；
密码子起源与进化的线路是：GNC——SNS——其它
双链分工假说
主要内容： 两条核酸链(dsRNA或dsDNA)的存在是
遗传密码起源所必需的； 同时以三联体的形式发挥作用 ； 一条链上的三联体为互作密码子，负责
与氨基酸直接作用建立特异对应关系； 另一条链上的三联体为密码子，负责存 储这种特异关系信息。
密码子MW π电子共振能 碱基堆积力 亲水性
氨基酸 MW -0.033 -0.073 -0.549* 0.056
表 5 密码子与氨基酸性质间的相关性
等电点 0.516* -0.211 0.143 -0.676**
相互距离 0.103 0.465* 0.362 0.249
不可取代性 0.161 0.273 -0.297 0.046
注：括号内的字母为密码子的类别代号、数字为密码子的数目
合计数量 9+3 7 4
氨基酸、密码子性质间的相关性1
表 2 密码子四种性质间的相关性
பைடு நூலகம்
M.W. 亲水性 碱基堆积力 π电子共振能
M.W. 1.00** -0.82** 0.11 0.70**
亲水性 -0.82** 1.00** 0.039 -0.98**
浅议遗传密码的起源与进化
许晓风 南京师范大学生命科学学院
2011、8、in Xining
Biology 的几个基本问题
What is life? What is the meaning or essence of life? When, where and how does life
originate? How do genetic codes originate and
协进化假说
主要内容：
遗传密码系统是氨基酸前生物合成途径 的印迹，这种前生物合成途径在氨基酸 的生物合成中基本得以保持；
根据氨基酸相互之间在生物合成中的前 体-产物关系可推断出遗传密码的进化脉 络；
具有前体-产物关系的氨基酸对的密码子 应是连续的，只有一个碱基的差异。
Pro
CCU CCA CCC CCG
我们的一些初步工作
遗传密码的信息内涵； 氨基酸、密码子性质间的相关性； 密码子的使用规律及其偏爱使用规律; 遗传密码的起源
不同核苷酸携带的编码信息
密码子与氨基酸的对应联系
2 0 种氨基酸的碱基型密码类别
密码类别 嘌呤型（P P,25） 嘧啶型（MM,24） 混合型（PM,15）
氨基酸类别 Lys,Asn,Gly,Arg,Glu,Met,Gln,Trp,Asp,3ter Phe,Leu,Pro,Ser,His,Tyr,Cys Ile,,Val,Thr,Ala
Thr
ACU ACA ACC ACG
Asp
GAU GAC
AAU AAC
Gly
GGA GGU GGG GGC
UAU Tyr
UAC
CUU CUC
Leu
CUA UUA CUG UUG
Met
AUG
Asn
AAU AAC
Lys
AAA AAG
Ser
AGU AGC
反密码子互作假说
主要内容： 氨基酸与tRNA上反密码子的特异性直接
碱基堆积力
0.11 0.039 1.00** -0.07
注：r0.05(60)=0.2500, r0.01(60)=0.3248
π电子共振能 0.70** -0.98** -0.07 1.00**
氨基酸、密码子性质间的相关性2
表 4 氨基酸五种性质间的相关性
MW 等电点 相互距离 不可取代性 同义密码子
同义密码子 -0.45* -0.10 -0.19 -0.69** 1.0
同义密码子数 -0.177 0.038 0.374 0.204
相互作用导致了遗传密码的起源 主要依据：
L型的Phe、Lys、Pro、Gly、Ala、Arg、Met、 Tyr、Cys、Glu等氨基酸均与其相应的反密 码子单体、二联体到多联体发生特异性 的结合，且结合力随链长的增加而增加
GNC—SNS假说(Ikehara, K et al)
主要内容：
遗传密码的起源是渐进式的，不是一次性完成的；
CAA
Gln
CAG
Arg
CGU AGA CGC AGG
CGA CGG
Glu
CAA GAA CAG GAG
CAU CAC
His
Ser
UCA UCU
UCG UCC
UGG Trp
Cys
UGU UGC
Val
GUU GUC
Phe
GUA GUG
Ile
Ala
GCA GCU GCG GCC
UUU UUC
AUU AUC AUA
6 密码子前二位是CG组合的只编码一种氨基酸，是AU组 合 的为两个氨基酸编码 ，其余组合的8组密码子要么 为一种氨基酸编码，要么为两种氨基酸编码；
7 密码子是偏爱使用的。
遗传密码起源的假说
偶然冻结假说（Crick） 立体化学假说（Grafstein） 协进化假说（Tze-Fei Wong） 反密码子互作假说（Henri Grosjean） GNC—SNS假说(Ikehara, K et al) 双链分工假说（XU）