生命的密语——遗传密码子的破译 基因组学作业参考

❀生命的密语❀

——遗传密码子的破译

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进入国科大已经一月有半，对于自己所在实验室的科研内容已经有了相对具体的了解，也适应了国科大相对紧张的课程进度。迎面而来的都是具体的专业知识和局限的研究内容，尽管我们都是抱着对生命科学的热情而来，还是在现实的科研环境中略感枯索。

为什么会这样呢？我觉得是由于对生命科学这个学科的了解太少。每个学科都有它自己的历史和文化，对于真正醉心科学魅力的人来说，这种文化渗透在他们的筋骨血脉之中，成为一个科研群体独有的性格传承，让科研人和科研事业两相吸引。就像爱因斯坦说过的，人知道的越多，越觉得自己的无知。从而对未知更渴望和敬畏。对于刚刚踏上科研道路的我们来说，正是“无所知”，造成了“无所求知”。

所以，这一次作业，给了我们一个机会，静下心来了解一段生命科学“咿咿学语”的岁月。我们如今已经熟稔于胸的遗传密码子，这门精密简练的语言，是如何普知于世的。

第一部分：前人栽树，后人乘凉——遗传密码子破译史

一、三联体密码子的提出及其性质——理论研究阶段（1953-1961）：

事情要从沃森克里克这对分子生物学创始人开始讲起。

1953 年，克里克和沃森在《Nature》杂志上发表了文章《DNA 结构的遗传学意义》，引起了许多人DNA如何携带遗传信息的诸多猜想，这其中包括物理学家伽莫夫。

基于DNA双螺旋模型的基础，伽莫夫上提出一种设想，并于发表在1954年登上了《Nature》。他把双螺旋结构中由于氢键生成而形成的空穴用氨基酸填

上，就像钥匙和锁一样。每一个空穴的四角是4个碱基，也就是说四种碱基的排列组合形成了遗传密码。

克里克和沃森也指出伽莫夫在理论上的错误, 不同意他关于重叠密码的见解。克里克在他的《狂热的追求——科学发现之我见》一书中指出，重叠密码使氨基酸出现的次序受到了限制，不能满足所有蛋白质的合成。

很快，1955年12月伽莫夫和于卡斯在《美国国家科学院会报》上又发表了一篇关于遗传密码的文章，题为《蛋白质和RNA 组分的统计关系》，提出了一种不重叠的三联码, 从而消除了蛋白质氨基酸排列次序的限制。而且指出，从排列组合计算，认为二个碱基组成的密码太少，只有42＝16种，四个碱基组成的密码又太多，有44＝256种，而三联密码有43=64种，足够所有蛋白质合成之需。

经过此番切磋，沃森和克里克也深受启发，一直以来，生化细节的未知一直使DNA到蛋白质的遗传信息传递问题混沌当头，而半路杀出的伽莫夫，把一众分子遗传学家们的思维引出了围墙，人们开始绕开具体的生化机制，从“编码”的角度思考DNA和蛋白质之间的对应关系。

此后，引发了克里克等人，从理论角度对于遗传密码性质的探索。

1961年，克里克等人在《Nature》杂志上发表了一篇题为《蛋白质遗传密码的一般性质》的论文，说明遗传密码具有下列的一般性质：

第一，3 个碱基一个氨基酸。碱基序列上这3 个相邻的碱基称为三联体，命名为一个“密码子”（T4噬菌体实验）；

第二，遗传密码互不重叠（血红蛋白实验）；

第三，碱基序列是从一个固定的起始点读取的，如果开始点被一个碱基置换了，那么读入的三联体就被置换了，读出的密码信息就成为不正确；

第四，密码子可能具有简并性，因为有64组三联体, 而需要编码的氨基酸只有20种，所以有些氨基酸可能对应多个三联体密码子。

然而，到目前为止，对DNA或RNA中核苷酸顺序尚无法直接分析测定，对蛋白质中氨基酸顺序所知也有限，所以没有办法直接比较二者在顺序上的联系。一直到尼伦伯格的“无细胞”系统的建立，密码子的解密才从理论阶段向有迹可循的实验阶段进发。

二、密码子的破译——实验阶段（1961-1966）

尼伦伯格美国生物化学家，他和另一位德国科学家马太，用大肠杆菌的无细胞提取液研究蛋白质的生物合成问题时发现：当向这个提取液中加进核酸，则合成了蛋白质；当用由单一的尿嘧啶组成的核酸长链加进这个提取液中，则产生了由单一苯丙氨酸组成的多肽长链。

1961年，在莫斯科召开了第五届国际生物化学大会上，克里克听到了尼伦伯格的阐述，并意识到他们等待已久的生命密语，已破译出了第一笔。三联体密码子“UUU”编码的正是苯丙氨酸！

这无疑是密码子破译之旅上的一座里程碑。

尼伦伯格研究小组在发现多聚尿苷酸(poly U)控制了苯丙氨酸的合成, 从而证实了多聚尿苷酸在为苯丙氨酸编码后, 又研究了一系列随机混合的多核苷酸控制的氨基酸的合成。

受尼伦伯格的启发，1961年10月，美国纽约大学医学院生物化学系任教的生化学家奥柯亚给《美国国家科学院会报》寄去题为《合成的多核苷酸和氨基酸密码》的文章。该文对尼伦伯格研究小组之成果予以肯定, 并且进一步提出有关其他氨基酸的密码证据, 从实验上验证了各种三联体密码的相对出现率。他通过概率分析的方法，得出UUA、UAU 或AUU 很可能是酪氨酸的三联体密码，可能是UUC、UCU 或CUU 可能是丝氨酸的三联体密码的结论。

1961年12月，尼伦伯格以题为《遗传密码的核苷酸组成》的论文，寄给《生物化学、生物物理研究通讯》。他们在文章中介绍了当把人工合成的多聚核苷酸poly UA、poly UC、poly UG、poly UAC、poly UGC、poly UGA 制备出来后，分别放入无细胞蛋白质合成体系中，测定C14 标记的各种氨基酸的掺入，列出了对于各种多聚核苷酸每种氨基酸相对于苯丙氨酸掺入蛋白质的百分比，他们从这些实验数据中发现了遗传密码的三联体性质和简并性质。

1962 年奥柯亚等人又完成题为《合成的多核苷酸和氨基酸密码》的论文，发表于该年《科学》杂志。在这篇文章中遗传密码的证据是从遗传突变获得的。由于它是从完整细胞所得的结果, 故特别有价值。现用人工诱变的烟草花叶病毒突变体所得的结果予以说明。而半胱氨酸和缬氨酸可能是由2U1G编码的。

到目前为止，只能确定密码子中所含有的碱基的种类，并无法确定碱基的排列顺序。

从1962年开始，为了搞清密码子中核苷酸顺序，尼伦贝格巧妙地设计了第三阶段的实验。他采用的是核糖体结合法新技术，并加入的模板一律改为具有一定顺序的单个三联体。实验仍在无细胞体系中进行。他们的小组合成了全部64种单个的、顺序固定的三联体密码。实验结果能使50种密码子所对应的氨基酸能确定下来。实验中发现，有三个密码子并不编码任何氨基酸，后来知道它们是终止信号。还知道甲硫氨酸的密码子可兼作起始信号。

1968 年，尼伦伯格在他的题为《遗传密码》的诺贝尔演讲中阐明了密码子的简并性，20 种氨基酸有61 种密码子，所以许多氨基酸有多个密码子，这称为密码子的简并性。并将编码同一氨基酸的密码子命名为“同义密码子”。