第3节　遗传密码的破译（选学）.docx

遗传密码的破译素材阅读一、历史的步伐1、1866年，孟德尔提出遗传定律。2、1883年，科学家发现马蛔虫配中的染色体数目只有体细胞中的一半。3、1890年，科学家确认了减数分裂产生配子。4、1891年，科学家描述了减数分裂的全过程。5、1902年，鲍维丰(T.Boveri)和1903年萨顿(W.Sutton)在研究减数分裂时，发现遗传因子的行为与染色体行为呈平行关系，提出染色体是遗传因子载体，可说是染色体遗传学说的初步论证。6、1909年的约翰逊(W.Johannsen)称孟德尔假定的“遗传因子”为“基因”，并明确区别基因型和表型。7、1909年，詹森斯 (F.A.Janssen)观察到染色体在减数分裂时呈交叉现象，为解释基因连锁现象提供了基础。8、1909年，摩尔根(T.H.Morgan,1866-1945)开始对果蝇迸行实验遗传学研究，发现了伴性遗传的规律。他和他的学生还发现了连锁、交换和不分离规律等。并进一步证明基因在染色体上呈直线排列，从而发展了染色体遗传学说。 1926年摩尔根提出基因学说，发表基因论。9、 20世纪中叶，科学家发现染色体主要是由蛋白质和DNA组成的。10、1928年格里菲思的肺炎双球菌实验。11、1940年艾弗里用纯化因子研究肺炎双球菌的转化的实验。12、1941年提出了一个基因一种酶的假说。一个基因一种酶假说暗示了基因的作用是指导蛋白质分子的最后构型，从而决定其特异性。 13、1944年，理论物理学家薛定谔发表的什么是生命一书中就大胆地预言，遗传物质是一种信息分子，可能类似作为一般民用的莫尔斯电码的两个符号：“ ”、“”，通过排列组合来储存遗传信息。 14、1952年赫尔希和蔡斯的T2噬菌体侵染大肠杆菌的实验。确认DNA是遗传物质。15、1953年，沃森和克里克发现DNA双螺旋结构。16、1957年提出一个中心法则：遗传信息可以从DNA流向DNA，也可以从DNA流向RNA，进而流向蛋白质。 17、1958年科学家以大肠杆菌为实验材料，证实了DNA的半保留复制。18、1961年克里克等证明了他于1958年提出的关于遗传三联密码的推测，1969年Nirenberg 等解译出全部遗传密码。19、60年代，阐明mRNA、tRNA 及核糖体的功能、蛋白质生物合成的过程。二、研究的背景1941年比德尔（G.Beadle）和塔特姆（E.Tatum ）的工作则强有力地证明了基因突变引起了酶的改变，而且每一种基因一定控制着一种特定酶的合成，从而提出了一个基因一种酶的假说。人们逐步地认识到基因和蛋白的关系。 “中心法则”提出后更为明确地指指出了遗传信息传递的方向，总体上来说是从DNARNA蛋白质。那DNA和蛋白质之间究竟是什么关系？或者说DNA是如何决定蛋白质？这个有趣而深奥的问题在五十年代末就开始引起了一批研究者的极大兴趣。 1944年，理论物理学家薛定谔发表的什么是生命一书中就大胆地预言，染色体是由一些同分异构的单体分子连续所组成。这种连续体的精确性组成了遗传密码。他认为遗传物质是一种信息分子，同分异构单体可能作为一般民用的莫尔斯电码的两个符号：“ ”、“”，通过排列组合来储存遗传信息。 三、遗传密码的试拼与阅读方式的探索对于遗传密码来说最简单的破译方法应是将DNA顺序或mRNA顺序和多肽相比较。但和一般破译密码不同的是，遗传信息的译文蛋白的顺序是已知的，未知的都是密码。1954年Sanger用纸层析分析了胰岛素的结构后，对蛋白质的氨基酸序列了解得越来越多。但是直到1969年前后经历了十多年时间，多位科学家的执着研究才破译了密码，其中最为重要的几项工作其思路之新颖、方法之精巧都闪烁着科学的智慧之光。1954年科普作家伽莫夫G.Gamor对破译密码首先提出了挑战。他以著有奇异王国的汤姆金斯等优秀的科学幻想作品而著称，具有丰富的想象力，但他不是一位实验科学家，所以只能从理论上来尝试密码的解读。当年，他在自然Nature杂志首次发表了遗传密码的理论研究的文章，指出三个碱基编码一个氨基酸。 接下来，人们不禁又要问在三联体中的每个碱基作为信息只读一次还是重复阅读呢？以重叠和非重叠方式阅读DNA序列会有什么不同呢？ 1957年Brenner.S发表了一篇令人兴奋的理论文章，他通过蛋白质的氨基酸顺序分析，发现不存在氨基酸的邻位限制作用，从而否定了遗传密码重叠阅读的可能性。同时人们也发现在镰刀形细胞贫血的例子中，血红蛋白中仅有一个氨基酸发生改变。 很遗憾，伽莫夫也许是考虑到效率的问题，认为一个碱基可能被重复读多次，也就是说遗传密码的阅读是完全重叠的，因此氨基酸数目和核苷酸数目存在着一对一的关系。 智者千虑，必有一失。很多著名的科学家也有过类似的失误。在资料较少的情况下，对未知的真理作出推断，难免会发生偏差，但瑕不掩瑜，人们对他们的那种敏锐、大胆、睿智和创新的精神，巧妙的构思仍敬佩不已。 四、遗传密码子的验证（克里克的实验）他们用T4噬菌体染色体上的一个基因通过用原黄素处理，可以使DNA脱落或插入单个碱基，插入叫“加字”突变，脱落叫“减字”突变，无论加字和减字都可以引起移码突变。克里克Crick小组用这种方法获得一系列的T4噬菌体“加字”和“减字”突变，再进行杂交来获得加入或减少一个，二个，三个的不同碱基数的系列突变。 通过这样的方法他们发现加入或减少一个和二个碱基都会引起噬菌体突变，无法产生正常功能的蛋白，而加入或减少3个碱基时却可以合成正常功能的蛋白质，为什么会这样呢？ 五、遗传密码对应规则的发现 1961年，美国国家卫生院的马太（Heinrich Matthaei）与尼伦伯格（Marshall Warren Nirenberg）在无细胞系统（Cell-free system）环境下，把一条只由尿嘧啶（U)组成的RNA转释成一条只有苯丙氨酸（Phe）的多肽，由此破解了首个密码子（UUU - Phe）。随后科拉纳（Har Gobind Khorana）破解了其它密码子，接着霍利（Robett W.Holley）发现了负责转录过程的tRNA。1968年，科拉纳、霍利和尼伦伯格分享了诺贝尔生理学或医学奖。尼伦伯格等发现由三个核苷酸构成的微mRNA能促进相应的氨基酸-tRNA和核糖体结合。但微mRNA不能合成多肽，因此不一定可靠。科拉纳（Khorana,Har Gobind）用已知组成的两个、三个或四个一组的核苷酸顺序人工合成mRNA，在细胞外的转译系统中加入放射性标记的氨基酸，然后分析合成的多肽中氨基酸的组成。通过比较，找出实验中三联码相同的部分，再找出多肽中相同的氨基酸，于是可确定该三联码就为该氨基酸的遗传密码。科拉纳用此方法破译了全部遗传密码，从而和尼伦伯格分别获得1968年诺贝尔奖金。后来，尼伦伯格等用多种不同的人工mRNA进行实验，观察所得多肽链上的氨基酸的类别，再用统计方法推算出人工mRNA中三联体密码出现的频率，分析与合成蛋白中各种氨基酸的频率之间的相关性，以此方法也能找出20种氨基酸的全部遗传密码。最后，科学家们还用了由3个核苷酸组成的各种多核苷链来检查相应的氨基酸，进一步证实了全部密码子。这项工作成为生物学史上的一个伟大的里程碑！为人类探索和提示生命的本质的研究向前迈进一大步，为后面分子遗传生物学的发展有着重要的推动作用。遗传密码的破译，测序方法的建立以及体外重组的实现是基因工程的三大基石。 六、遗传密码的简并性如果每三个碱基决定一个氨基酸，三联体密码可能的组合将是43=64种。这比20种氨基酸多出44种，所以会产生多余密码子。可以认为是由于每个特定的氨基酸是由1个或多个的三联体（triplet）密码决定的。一个氨基酸由一个以上的三联体密码子所决定的现象，称为简并（degeneracy）。大多数氨基酸都有几个三联体密码，多则6个，少则2个，这就是上面提到过的简并现象。只有色氨酸与甲硫氨酸这两种氨基酸例外，只有1个三联体密码。此外，还有3个三联体密码UAA、UAG和UGA不编码任何氨基酸，它们是蛋白质合成的终止信号。三联体密码AUG在原核生物中编码甲酰化甲硫氨酸，在真核生物中编码甲硫氨酸，并起合成起点作用。GUG编码缬氨酸，在某些生物中也兼有合成起点作用。分析简并现象时可以看到，当三联体密码的第一个、第二个碱基决定之后，有时不管第三个碱基是什么，都可能决定同一个氨基酸。例如，脯氨酸是由下列四个三联体密码决定的：CCU、CCC、CCA、CCG。也就是说，在一个三联体密码上，第一个，第二个碱基比第三个碱基更为重要，这就是产生简并现象的基础。同义的密码子越多，生物遗传的稳定性越大。因为当DNA分子上的碱基发生变化时，突变后所形成的三联体密码，可能与原来的三联体密码翻译成同样的氨基酸，或者化学性质相近的氨基酸，在多肽链上就不会表现任何变异或者变化不明显。因而简并现象对生物遗传的稳定性具有重要意义。练习1已知某tRNA一端的三个碱基序列是GAU，它转运的是亮氨酸，那么决定此氨基酸的密码子是下面哪个碱基序列转录来的？ （ ）A、GAT B、GAU C、CUA D、CTA解析：从转录、翻译逆行推理。tRNA的特定的三个碱基是GAU，那么根据碱基互补配对原则，决定此氨基酸的mRNA上的密码子是CUA。mRNA是由DNA转录而来的，所以mRNA上CUA是由DNA上的GAT转录来的.练习2 科学家已经证明密码子是mRNA上决定一个氨基酸的三个相邻的碱基。（1）据理论推测，mRNA上的三个相邻的碱基可以构成_种排列方式，实际上决定氨基酸的密码子共有_种。（2）第一个被科学家破译的是决定苯丙氨酸的密码子UUU。1959年，科学家M.Nireber和S.Ochoa用人工合成只含U的RNA为模版，在一定条件下合成只有苯丙氨酸组成的多肽，这里一定的条件应是_。（3）继上述实验后，又有科学家用C、U两种碱基相同排列的mRNA为模版，检验一个密码子是否含有三个碱基。如果密码子是连续翻译的： 假如一个密码子中含有两个或四个碱基，则该RNA指导合成的多肽中应由_种氨基酸组成。假如一个密码子中含有三个碱基，则该RNA指导合成的多肽链中应由_种氨基酸组成。