遗传密码的破译.doc

遗传密码的破译目录遗传密码的破译过程 破译密码的实验研究的发展 遗传学的第二套密码系统 遗传密码破译的展望 遗传密码的破译过程 破译密码的实验研究的发展 遗传学的第二套密码系统 遗传密码破译的展望展开编编辑辑本本段段遗遗传传密密码码的的破破译译过过程程1953 年，沃森和克里克弄清 DNA 的双链双螺旋结构之后， 分 子生物学像雨后春笋蓬勃发展许多科学家的研究，使人们基本了解了遗传 信息的流动方向： DNA→信使 RNA→蛋白质也就是说蛋白质由信使 RNA 指 导合成，遗传密码应该在信使 RNA 上 的破译是六十年代分子生物学最辉煌的成就先后经历了五十年代的数 学推理阶段和 1961-1965 年的实验研究阶段 1954 年，物理学家 George Gamov 根据在 DNA 中存在四种 核苷酸，在蛋白质中存在二十种氨基酸的对应 关系，做出如下数学推理 :如果每一个核苷酸为一个氨基酸编码，只能决定 四种氨基酸(41=4);如果每二个核苷酸为一个氨基酸编码，可决定16 种氨 基酸(42=16)上述二种情况编码的氨基酸数小于20 种氨基酸，显然是不 可能的那么如果三个核苷酸为一个氨基酸编码的，可编64 种氨基酸 (43=64);若四个核苷酸编码一个氨基酸，可编码256 种氨基酸(44=256)， 以此类推。

Gamov 认为只有 43=64 这种关系是理想的，因为在有四种核苷酸 条件下，64 是能满足于 20 种氨基酸编码的最小数而 44=256 以上虽能 保证 20 种氨基酸编码，但不符合生物体在亿万年进化过程中形成的和遵循 的经济原则，因此认为四个以上核苷酸决定一个氨基酸也是不可能的 1961 年，Brenner 和 Grick 根据 DNA 链与蛋白质链的共线性 (colinearity)， 首先肯定了三个核苷酸的推理随后的实验研究证明上述假想是正确的 1962 年，克里克用 T4 噬菌体侵染大肠杆菌，发现蛋白质中的氨基酸顺 序是由相邻三个核苷酸为一组遗传密码来决定的由于三个核苷酸为一个信 息单位，有 4^3=64 种组合，足够 20 种氨基酸用了 破译密码的竞赛中，美国的尼伦伯格博士走在前面他用严密的科学推 理对蛋白质合成的情况进行分析既然核苷酸的排列顺序与氨基酸存在对应 关系，那么只要知道 RNA 链上碱基序列，然后由这种链去合成蛋白质，不就 能知道它们的密码了吗？用仅仅含有单一碱基的尿嘧啶（U），做试管内合 成蛋白质的研究合成蛋白质必须将DNA 上的遗传信息转录到 RNA 上，而 RNA 的碱基与 DNA 稍有不同，一般是有 UCGA4 种（DNA 中是 TCGA）。

这个 实验只用了含有单一碱基 U 的特殊 RNA这样，就得到了只有 UUU 编码的 RNA把这种 RNA 放到和细胞内相似的溶液里，如果上述观点正确，应该得 到由单一一种氨基酸组成的蛋白质这样合成的蛋白质中，只含有苯丙氨酸 于是，人们了解了第一个蛋白质的密码： UUU 对应苯丙氨酸随后，又有人 用 U—G 交错排列合成了半胱氨酸 —缬氨酸—半胱氨酸的蛋白质，从而确定 了 UGU 为半胱氨酸的密码，而 GUG 为缬氨酸的密码这样，人们不仅证明了 遗传密码是由 3 个碱基排列组成，而且不断地找出了其他氨基酸的编码 进一步研究发现，不论生物简单到只一个细胞，还是复杂到与人一样高 等，他的遗传密码是一样的也就是说，一切生物共用一套遗传密码 编编辑辑本本段段破破译译密密码码的的实实验验研研究究的的发发展展破译密码的实验研究先后由三个实验逐步发展了四种破译方法，于 1965 年完成 体体外外实实验验1)在体外无细胞蛋白质合成体系中加入人工合成的polyＵ 开创了破 译遗传密码的先河 自 1961 年发现 mRNA 后，许多实验室开始在无细胞蛋白质合成系统中加 入 mRNA，去研究蛋白质生物合成过程，并表明加入mRNA 能刺激无细胞系 统中蛋白质合成。

1961 年，美国 NIH 的 Nirenberg 和 Mathaei，设想:即然 mRNA 有刺激无细胞系统中的蛋白质合成作用，加入人工合成的多聚核苷酸亦 将会有这种促进作用按此设想，他们合成了polyU 作为模板，以观察无 细胞系统中蛋白质合成速率因为在反应体系中加入高Mg2+浓度，可有利 于 IF(起始因子)的作用和 fMet-tRNANet 的形成，从而保证肽链合成的起始 不需 mRNA 的适当信号当把翻译产物分离、纯化和做序列分析后，结果出 乎意料，合成的肽链中的氨基酸残基全部是苯丙氨酸，即polyPhe于是 第一次确认了 UUU 是 Phe 的密码子这样，就在一个偶然的机会开创了破译密码的工作随后，他们又以 polyA 和 polyC 为模板，证明了分别可指导 合成 polyLys 和 polyPro，即确定了 AAA 是 Lys 的密码子， CCC 是 pro 的密 码子但是类似的实验不能证明 GGG 是何种氨基酸的密码子，因为 polyG 产生牢固的氢键结合，形成三股螺旋，而不与核糖体结合 基因密码表混混合合共共聚聚物物碱碱基基配配对对2)混合共聚物(mixed copolymers)实验对密码子中碱基组成的测定： 1963 年，Speyer 和 Ochoa 等发展了用两个碱基的共聚物破译密码的方法。

例如，以 A 和 C 原料，合成 polyACpolyAC 含有 8 种不同的密码子 : CCC、CCA、CAA、AAA、AAC、ACC、ACA 和 CAC各种密码子占的比例随着 A 和 C 的不同而不同，例如当 A 和 C 的比例等于 5:1 时，AAA:AAC 的比例 =5× 5× 5:5× 5× 1=125:25依次类推实验显示 AC 共聚物作模板翻 译出的肽链由六种氨基酸组成，它们是Asp，His，Thr，Pro，和 Lys，其 中 Pro 和 Lys 的密码子早先已证明分别是 CCC 和 AAA根据共聚物成份不同 的比例和翻译产物中氨基酸比例亦不同的关系， Speyer 等确定了Asp、Glu 和 Thr 的密码子含 2AlC;His 的密码子含 1A2C;Thr 的密码子也可 以含 1A2C;Pro 为 3C 或 1A2C;Lys 为 3A但上述方法不能确定 A 和 C 的排 列方式，而只能显示密码子中碱基组成及组成比例例如，Asp，Glu 和 Thr 的 2A1C 可能有三种排列方式，即 AAC、ACA、CAA此外，通过反复改 变共聚物成份比例的方法亦十分麻烦和费时 aa-tRNA 与与确确定定的的三三核核苷苷酸酸序序列列结结合合正当 Speyer 等人按上述 2)方法奋力时， Nirenberg 和 Leder 于 1964 年建立了破译密码的新方法，即 tRNA 与确定密码子结合实验。

该方法利用 了如下事实:即是在缺乏蛋白质合成所需的因子的条件下，特异氨基酸- tRNA(aa-tRNA)也能与核糖体 -mRNA 复合物结合最重要的是这种结合并不 一定需要长的 mRNA 分子，而三核苷酸实际上就可以与核糖体结合例如， 当 polyU 与核糖体混合时，仅有 Phe-tRNA(苯丙氨酰-tRNA)与之结合;相应 地 Pro-tRNA(脯氨酰-tRNA)特异地与 polyC 结合还有 GUU 可促进 Val-tRNA(缬氨酰-tRNA)结合，UUG 促进 Leu-tRNA(亮氨酰-tRNA)结合等虽然 所有 64 个三核苷酸 (密码子)都可按设想的序列合成，但并不是全部密码子 均能以这种方法决定因为有一些三核苷酸序列与核糖体结合并不象UUU 或 GUU 等那样有效，以致不能确定它们是否能为特异的氨基酸编码 用用重重复复共共聚聚物物破破译译密密码码4)用重复共聚物 (repeating copolymers)破译密码： 几乎在上述 Nirenberg 和 Leder 工作的同时， Nishimura，Jones，和 Khorana 等人应用有机化学和酶学技术，制备了已知的核苷酸重复序列。

蛋 白质在核糖体上的合成可以在这些有规律的共聚物的任一点开始，并把特异 的氨基酸参入肽链例如，重复序列CUCUCUCUCU......是多肽 Leu-Ser- Leu-Ser......或者是多肽 Ser-Leu-Ser......的信使分子 .使用共聚物构 成三核苷酸为单位的重复顺序，如 (AAG)n，它可合成三种类型的多肽 : polyLys、polyArg 和 polyGlu，即 AAG 是 Lys 的密码子， AGA 是 Arg 的密 码子，GAA 是 Glu 的密码子又如（ AUC)n 序列是 polyIle、polySer 和 polyHis 的模板如此至 1965 年破译了所有氨基酸的密码子 编编辑辑本本段段遗遗传传学学的的第第二二套套密密码码系系统统遗传学的第二套密码系统（ The second genetic code） 以上所述存在于 mRNA 中的遗传密码称为经典密码系统或第一套密码系 统以下所要讨论的第二套密码系统，蕴含于tRNA 分子中，这是自 1988 年 5 月份以来在分子生物学领域引人注目的新进展 1 1））第第二二套套密密码码系系统统的的实实验验证证据据－－ t tR RN NA A 分分子子上上某某些些（（个个））碱碱基基对对能能决决定定 t tR RN NA A 的的特特异异性性。

早在 70 年代初，一些实验室就观察到酪氨酸 tRNA(tRNATyr)琥珀抑制子在氨基酸接受柄上的突变能使tRNATyr 错误地携 带谷氨酸(Glu)同样，CUA 琥珀抑制反密码子也能引起其它一些tRNA 误 被谷酰化其后的大约十年，有关方面的实验证据少有报道1984 年， Prather 等发现突变的赖氨酸 tRNA(tRNALys)不仅保留对 Lys 的特异性，而 且也能携带丙氨酸 (Ala)或甘氨酸(Gly)这个突变的误义抑制子 tRNALys 是在氨基酸接受柄螺旋区的 G3 C70 被 G3 U70 碱基对所取代更为直接的 证据是二年前 Normanly 等的实验显示，取代亮氨酸 tRNA(tRNALeu)中的 12 个碱基(无反密码子碱基的取代 )，能够使 tRNALeu 转变为丝氨酸 tRNA(tRNASer)由此可见，反密码子在决定 tRNA 的特异性并非是唯一的 关键又比如，琥珀型抑制性半胱氨酸tRNA(tRNACys)苯丙氨酸 tRNA(tRNAPhe)和丙氨酸 tRNA(tRNAAla)，其反密码子均是 CUA，然而它们 却携带不同的氨基酸特别是近来美国麻省理工学院的Hou 和 Schimmel的实验证明，用其它碱基或碱基对 (见下述)取代 E。

colitRNAAla 的氨基酸 接受柄上单个碱基对 G3 U70，能够使该 tRNA 失去负载 Ala 的功能;进一步 将 G3 U70 引入 tRNACys 或 tRNAPhe，亦可予二者携带 Ala 的功能他们主 要采用上述三种琥珀型抑制性 tRNA 在二氢尿嘧啶柄 (D 柄)，反密码柄、 TψC 柄、氨基酸臂和氨基酸接受柄等部位进行单个或多个碱基突变，然后检 测宿主 E.coliFTP3689 的表型抑制作用发现在总共 36 种不同突变的 tRNA 中只有在氨基酸接受柄上 A3，C70 和 C6G7C66G67C70 三种突变具有清 楚的 Sup-表型(即这种宿主 E.coly 在二天内不生长 )，而这三种突变共同都 有原来的碱基对 G3 U70 碱基对的改变显而易见， tRNAAla 氨基酸接受柄 上 G3 U70 单个碱基对决定着 Ala 的特异性本文作者也观察到 :只有在多 胺下，哺乳动物 (大鼠、牛)肝异亮氨酸 tRNA(tRNAIle)才能负载 ILe通过 测定 tRNAIle 序列证明它的氨基酸接受柄的 G5 G69 碱基不配对多胺 (。