分子生物学第八章-遗传密码 -genetic code

THE FAT CAT ARE BIG CAT
删除1个字母
TEF ATC ATA REB IGC AT
删除2个字母
TFA TCA TAR EBI GCA T
删除3个字母
TAT CAT ARE BIG CAT
结论：3个字母组成一个单词
对T4噬菌体基因的处理方式
在碱基序列中增加或删除1个碱基 在碱基序列中增加或删除2个碱基 在碱基序列中增加或删除3个碱基
UCU可能编码丝氨酸，也可能编码亮氨酸！ CUC可能编码丝氨酸，也可能编码亮氨酸！
问题4：UCU 究竟编码丝氨酸还是编码亮氨酸？
美国科学家Nirenberg ： 核糖体结合技术 （Ribosome binding technique）
[14C] Phe-tRNA (碳14标记的苯丙氨酰tRNA)
奇妙的推理想象，严谨的逻辑推理和严密的实验论证的伟大结晶
• 美国科学家Nirenberg 和Khorana：1968 年诺贝尔生理与医学奖
• 获奖成就：破译了20种氨基酸的全部遗传 密码
III 遗传密码的破译具有什么样的生物学 意义？
• 遗传密码的破译，是生物学史上一个重大 的里程碑
• 遗传密码的通用性：
2020/6/7
Outline:
1 遗传密码的破译 2 遗传密码的特征与性质 3 遗传密码的简并性和摆动假说 4 改变遗传密码的几类突变
4.1 错义突变 4.2 无义突变 4.3 移码突变 5 基因内抑制突变和基因间抑制突变 6 遗传密码的通用性
2020/6/7
一 遗传密码破译的科学研究历程和 研究方法
数学推理方法：从数学角度推断应该是三个碱基决定一个氨基酸
Crick 的T4噬菌体实验首次从遗传学角度证明了三个碱基编码一个氨基酸： 三联体密码子
Nirenberg利用无细胞体外蛋白质合成系统破译了第一个遗传密码： UUU编码苯丙氨酸
Khorana和Nirenberg进一步利用RNA重复序列翻译实验和核糖体结合技术 破译了编码其它氨基酸的遗传密码
UUUUUUUUUUUUUUUUUUUUU
人工合成mRNA poly[U] (多聚尿嘧啶）
无细胞体外蛋白质合成系统 蛋白质翻译
Phe Phe Phe Phe Phe Phe Phe
poly[Phe] (多聚苯丙氨酸）
结果：多聚尿嘧啶导致了多聚苯丙氨酸的合成
分析这个实验结果，可以得出什么结论？
UUU密码子编码苯丙氨酸：UUU 苯丙氨酸
2020/6/7
从莫尔斯电码说起：用电信号传递文字信息
• 利用点（.）、划（—）和“间隔”（实际 上就是时间长短不一的电脉冲信号）的不 同组合来表示字母、数字、标点和符号。
• 无论从电文译成英文还是从英文译成电文 都离不开莫尔斯密码表：
A: • — B: — • • • C: — • — • D: — • •
对噬菌体蛋白质产生的影响
无法产生正常功能的蛋白质
无法产生正常功能的蛋白质
可以产生具有部分正常功能 的蛋白质
结果分析：通过实验证明了遗传密码中三个碱基编码一个氨基酸—三联体密码
第一个证明三联体密码子的遗传学实验证据
第一次用科学实验证明了遗传密码中 三个碱基编码一个氨基酸：三联体密码
Francis Crick
• 有人担心“人造儿”开启了“潘多拉的魔 盒”，为未来制造生化武器奠定了基础， 而实验室一个微小的失误就可能产生新的 瘟疫，夺去数百万人的生命
2020/6/7
Outline:
1 遗传密码的破译 2 遗传密码的特征与性质 3 遗传密码的简并性和摆动假说 4 改变遗传密码的几类突变
4.1 错义突变 4.2 无义突变 4.3 移码突变 5 基因内抑制突变和基因间抑制突变 6 遗传密码的通用性
Why?
逻辑推理过程：
UUU编码苯丙氨酰tRNA携带的苯丙氨酸 UUU密码子能够使碳14标记的苯丙氨酰tRNA结合到核糖体上
结合了核糖体的苯丙氨酰tRNA分子量体积变大，因而不能通过滤膜
滤膜上有碳14放射性标记
逻辑推理过程： UUU密码子促使苯丙氨酰tRNA 结合到核糖体上
UUU密码子编码 苯丙氨酸
• 问题3：UUU编码苯丙氨酸，UCU编码什么？--RNA重复序列翻译实验 (美国科学家Khorana)
UCUCUCUCUCUCUCUCUCUCUCUC poly[UC] (多聚尿嘧啶-胞嘧啶） 无细胞体外蛋白质合成系统
Ser-Leu-Ser-Leu-Ser-Leu-Ser-Leu
poly[Ser-Leu] (多聚丝氨酸-亮氨酸）
结合核糖体的 [14C] Lysyl-tRNA
AAA/ribosome/[14C] Lysyl-tRNA AGA/ribosome/[14C] Lysyl-tRNA AAG/ribosome/[14C] Lysyl-tRNA GAA/ribosome/[14C] Lysyl-tRNA
对“遗传密码破译”的整个研究思路做一个总 结
The language of protein: twenty alphabet (amino acid)
2020/6/7
Outline:
1 遗传密码的破译 2 遗传密码的特征与性质 3 遗传密码的简并性和摆动假说 4 改变遗传密码的几类突变
4.1 错义突变 4.2 无义突变 4.3 移码突变 5 基因内抑制突变和基因间抑制突变 6 遗传密码的通用性
• 生命：天书 • 破译遗传密码：破解和打开这本天书的钥
匙
经历发现这把钥匙的探索之旅: 遗传密码是如何被破译的？
I 什么是遗传密码？
mRNA(信使RNA)：
5-AUGAGUAUGAGUAUGAGU-3
蛋白质翻译
4种碱基字母组成的 核酸语言
翻译
蛋白质：
Met-Ser-Met-Ser-Met-Ser
• 希望同学们以一个研究者的角色来思考这个问题 ，如果你是一名当年正在研究遗传密码的科学家 ，你将采取什么思路和方法来破译遗传密码？
mRNA（信使RNA)： 5-AUGAGUAUGAGU-3
蛋白质翻译
Protein (蛋白质）: Met (甲硫氨酸）-Ser（丝氨酸）- Met (甲硫氨酸）-Ser（丝氨酸）
20种氨基酸字母组成的 蛋白质语言
• 翻译实际上就是将mRNA中的碱基序列翻 译为蛋白质的氨基酸序列：图纸与建筑物
• 碱基序列与氨基酸序列是如何对应的呢？
• 遗传密码包含的基本信息： 决定了碱基与 氨基酸之间的对应关系
II 遗传密码是如何被破译的？
• 还原当年科学家对这个科学问题的研究历程和研 究思路：前人科学家是如何解决上述关键科学问 题的？
UCU 不编码亮氨酸
[14C] Ser-tRNA (碳14标记的丝氨酰tRNA)
UCU
核糖体+UCU密码子+放射性标记的 丝氨酰tRNA三者混合
核糖体
通过硝酸纤维素滤膜
滤膜上有碳14放射性标记
UCU 编码丝氨酸
问题4：UCU 究竟编码丝氨酸还是编码亮氨酸？
核糖体结合技术
UCU 编码丝氨酸
Ploy[AAG]
我们是这个世界上到目前为止唯一知道1个遗传密码子是由3个碱基组成的两个人
-----Francis Crick 1962年诺贝尔生理学和医学奖获得者
mRNA（信使RNA) 5-AUGAGUAUGAGU-3
翻译
Protein (蛋白质） AUG编码什么氨基酸？AGU又编码什么氨基酸？
问题2：如何知道具体某种密码子编码哪一种 氨基酸？
2020/6/7
科学实验：Crick 的T4噬菌体实验
对T4噬菌体基因的处理方式
对噬菌体蛋白质产生的影响
在碱基序列中增加或删除1个碱基
无法产生正常功能的蛋白质
在碱基序列中增加或删除2个碱基
无法产生正常功能的蛋白质
在碱基序列中增加或删除3个碱基
可以产生具有部分正常功能 的蛋白质
Why?
为什么会出现这种现象？这个实验结果说明了什么呢？
– 理论意义，生命起源与进化 – 实践意义，奠定了基因工程技术的理论基础
2019年5月美国科学家造出人造生命
• 克雷格·文特尔将一种称为丝状支原体丝状亚种 的微生物的DNA进行重塑，并将新的DNA片段“ 粘”在一起，植入另一种细菌中
• 新的生命由此诞生，这种新生的微生物能够生长 、繁殖，并产生一代又一代的人造生命。植入的 DNA片段包含约850个基因，而人类的DNA图谱 上共有约20000个基因。
2020/6/7
• 这个人造生命被称为“人造儿”(synthia) ，它是人类科学史上一个革命性的成果， 为今后人造微生物的应用研究铺平了道路 。
• 在未来，人类也许能够建立微生物“制造 厂”，制造出微生物药剂、微生物燃料， 以及能够分解污染物的微生物“清洁工”
2020/6/7
• 然而，科学的发展总是一把双刃剑。道德 主义者指责制造人工生命是“渎神”，是 “藐视生命”。
问题1： 几个碱基编码一种氨基酸？ 多少个碱基组成一个密码子？
• 数学推理方法：从数学角度认识碱基与氨 基酸的对应关系
– 4种碱基，20种氨基酸 – 41 = 4 – 42 = 16 – 43 = 64 （最有可能） – 44 = 256
• 假说：应该是三个碱基决定一个氨基酸
必须通过实验证据来证明假说是否正确！ 怎么样用实验的方法去证明这个假说的正确性呢？
Part III: Expression of the Genome
Ch 12: Mechanisms of Transcription Ch 13: RNA Splicing Ch 14: Translation Ch 15: The Genetic Code
2020/6/7
2020/6/7
The Central Dogma
Transcription
DNA
RNA
Protein
Replication
Translation
Genetic information transfer from polynucleotide chain into polypeptide chain
2020/6/7
The language of mRNA: four alphabet (A,G,C,U) translation
AAGAAGAAGAAGAAGAAGAAG Translation in vitro
Three homopolypeptide(同型多肽): poly(Lys) poly(Glu) poly(Arg)
Three possible codons: AAG, AGA, GAA
Question: Which codon codes for Lys?
2020/6/7
二 遗传密码的特征与性质
2020/6/7
Do the codons overlap?(密码子能重叠吗?)
Hypothesis:
AUGUUC Nonoverlapping
overlapping
AUG UUC
破译遗传密码的核心问题！
第一个遗传密码子的破译： 美国科学家Nirenberg
பைடு நூலகம் 研究思路：
建立特定密码子 和特定氨基酸之 间的对应关系
人工合成具有特定碱基序列的mRNA 体外蛋白质合成系统：体外蛋白质翻译
特定氨基酸序列的蛋白质
分析所产生蛋白质的氨基酸序列
三个关键技术：
1. 人工合成具有特定碱基序列的mRNA 2. 大肠杆菌体外蛋白质合成系统 3. 测定蛋白质的氨基酸序列
通过硝酸纤维素滤膜 游离的苯丙氨酰tRNA能够通过滤膜 滤膜不能和碳14标记的苯丙氨酰tRNA结合，滤膜上没有碳14放射性标记
[14C] Phe-tRNA (碳14标记的苯丙氨酰tRNA)
UUU 核糖体
核糖体+UUU密码子+放射性标记的 苯丙氨酰tRNA三者混合
通过硝酸纤维素滤膜
滤膜上有碳14放射性标记
某个密码子促使某种氨酰tRNA 结合到核糖体上
这个密码子就编码 这种氨酰tRNA携带的氨基酸
问题4：UCU 究竟编码丝氨酸还是编码亮氨酸？
[14C] Leu-tRNA (碳14标记的亮氨酰tRNA)
UCU
核糖体+UCU密码子+放射性标记的 亮氨酰tRNA三者混合
核糖体
通过硝酸纤维素滤膜
滤膜上没有碳14放射性标记
AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
人工合成mRNA poly[A] (多聚腺嘌呤）
无细胞体外蛋白质合成系统
Lys Lys Lys Lys Lys Lys Lys Lys poly[Lys] (多聚赖氨酸）
分析这个实验结果，可以得出什么结论？ AAA密码子编码赖氨酸
提出了一种破译密码子的研究思想和方法：人工合成mRNA和蛋白质体外合成