遗传密码的发现

遗传密码的发现——从DNA到蛋白质，冲破思想的牢笼

如果对于同一现象有两种不同的假说，我们应该采取比较简单的那一种。

——奥卡姆剃刀理论1．沃森和克里克的诺贝尔颁奖典礼-不是DNA，而是RNA

《On the Genetic Code》

……

At the present time, therefore, the genetic code appears to have the following general properties:

(1) Most if not all codons consist of three (adjacent) bases.

(2) Adjacent codons do not overlap.

(3) The message is read in the correct groups of three by starting at some fixed point.

(4) The code sequence in the gene is co-linear with the amino acid sequence, the polypeptide chain being synthesized sequentially from the amino end.

(5) In general more than one triplet codes each amino acid.

(6) It is not certain that some triplets may not code more than one amino acid, i.e. they may be ambiguous.

(7) Triplets which code for the same amino acid are probably rather similar.

(8) It is not known whether there is any general rule which groups such codons together, or whether the grouping is mainly the result of historical accident.

(9) The number of triplets which do not code an amino acid is probably small.

(10) Certain codes proposed earlier, such as comma-less codes, two- or three-letter codes, the combination code, and various transposable codes are all unlikely to be correct.

(11) The code in different organisms is probably similar. It may be the same in all organisms but this is not yet known.

Finally one should add that in spite of the great complexity of protein synthesis and in spite of the considerable technical difficulties in synthesizing polynucleotides with defined sequences it is not unreasonable to hope that all these points will be clarified in the near future, and that the genetic code will be completely established on a sound experimental basis within a few years.

——Francis Crick在1962年诺贝尔生理与医学奖颁奖典礼上的致辞

沃森和克里克在五十年代发现DNA双螺旋结构普遍被认为是现代生物学的开端，可以说是20世纪最伟大的生命科学发现。然而此时，分子生物学只是刚刚起步，虽然关于遗传物质为何物的争论暂告一个段落，然而作为生物学重要大分子的蛋白质怎样合成，如果DNA 就是基因它是如何复制的，它与蛋白质合成有什么关系……种种问题，包围在传统的生物化学的酶学研究、名噪一时的噬菌体研究和大举进入的物理化学研究中的新兴分子生物学怎样既取长补短，又摒弃既有的陈旧的观念和无知的偏见，真正建立分子生物学的大厦、破解生命的密码还是一个令一大批科学家头疼而又迫切需要解决的问题。

沃森和克里克在1962年的颁奖典礼上，都不约而同的报告了他们研究RNA与遗传密码的最新进展，上面一段即是克里克的获奖致辞中的最后总结部分，虽然当时遗传密码的研究还只是初步阶段，但我们看到克里克的结论基本上都是对的。尽管这些结论在今天看来十分简单，可是我们看到，在这个过程中，充满了科学家的艰辛探索、反复求证，也得益于几个新的科学发现的及时出现，其中不乏伟大科学家的错误，更多的是闪光的思考和科学方法的应用，回顾从DNA双螺旋结构的发现到遗传密码的最终破译这段历史，不禁对科学发现的

历程和方法唏嘘不已。

2．控制论与信息论的影响

20世纪50年代以后，信息理论得到了飞速的发展。1948年Norbert Wiener的《控制论》引起了广泛的讨论，其基本理论是反馈控制的思想。1949年Claude Shannon发表了一篇关于密码编码问题的文章，但是这篇文章没有提及任何生物学的应用，而与此相反的是Wiener 对控制论的生物应用十分感兴趣。同一年，伟大的数学家，计算机科学的先驱之一冯-诺伊曼作了“复杂制动装置”的五个讲座，认为最复杂的自动装置不仅能导向，还具有自我复制的能力。当时信息科学如果涉足生物学的话，往往与神经系统或者生态学相关，如果生物学家们能够关注信息论与控制论的发展，他们肯定会发现，上面提到的三个系统，与他们苦苦找寻的生命的编码机器是多么的吻合。

其实，最早提及编码问题的是量子物理学家薛定谔的《生命是什么》，虽然很多生物学家，包括克里克都读过这本书，但对其理解不同甚至对其中的术语没什么概念，更难说把抽象的物理“术语”与他们研究的实体——DNA、RNA和蛋白质对应起来了，所以，很长时间里，生物学家对新兴的控制论和信息论的反应是：集体沉默，直到1960年后。

3．伽莫夫的宝石-你必须用外行的眼光来看待这个问题

实际上分子生物学早期的很多科学家来自物理领域，包括50年代到80年代很多获得诺贝尔生理学或医学奖的科学家，而伽莫夫则是其中独特的一个。作为宇宙大爆炸理论的作者之一，他在得知了沃森和克里克的双螺旋理论后，立刻变得失去了控制。当时的情况是，经典遗传学还没有意识到他们苦苦寻找的基因就在DNA上，虽然很多科学家已经暗示了有这种可能性，而蛋白质合成方面人们还是宁愿相信经典的酶学理论，很难想象蛋白质的合成只受几种核苷酸的编码，而更倾向于从自由氨基酸到有活性的蛋白的通路上有几个步骤，蛋白质的合成只是一种代谢分支。当时的科学家已经基本认可了DNA更可能是遗传物质，但他们不愿意相信有遗传密码控制蛋白质的合成，他们对三个核苷酸编写一个氨基酸这样的想法有抵触而千方百计的想绕开它，觉得不可能这样简单。而沃森和克里克为代表的一批最早的“分子生物学家”则坚持蛋白质合成有一种模板，并且这个模板可能与他们发现的DNA有关系，但在这个模型上他们遇到了很多困难。这时，外行的伽莫夫把克里克引上了正确的道路。

伽莫夫很快接受了DNA双螺旋模型并在此基础上提出了思考，他提出了一个最直接的物理模型：碱基的排列形成了不同形状的宝石型的洞用来与不同形状的氨基酸结合，由于碱基的配对的方式只能是AT配对和GC配对，所以这种碱基形成的宝石形状只能有20个。尽管沃森和克里克一看到这个模型就嘲笑其中的错误：当时已经知道RNA也参与蛋白质合成并且蛋白质只能在细胞质中合成，并且克里克和沃森将伽莫夫的25个候选氨基酸变成了20个，这其实是个奇妙的巧合，蛋白质合成的基本氨基酸后来我们知道就是这20个，但是这促使克里克和后来的科学家将目光转移到编码的问题上来，由此开始了生命密码的解码过程。