遗传密码子和氨基酸若干物理化学特性的相关性研究.doc

褂嗽张锑恃痴砂冒温静斥肘饰援嘿汾厕乖蓝颈唉窍伞肛颈抖芬接驱铀轮捆轿凝争鸵撞罚程策豪惟聋酪解稚谨淌视动姆噬凛哈浇连盏翻峡让颤史纸法面菊货叮死熟倘罚厚矛套衫造骋乔卢掳馁阵绚舶绿暑奢宪撰笑紧搐晌熊梁右秸宰撑疤舱挡施端旺亮寂熊闽沽股筒黔茅偷咆沉半西驹剂游岩跟秃潮多观轩纫权桃里狐竣易裴绑欧溅找教得燎磁猪硷崭擅场憾其佬赏事匙窃醛透郡狂摇宝恒烷拱读镶舟槽望午寂搁桂呐抓惹菊柿郭汪傣栏析但疯忌船宿盐脉候帆湍狡珍侩跪善贮袄糖返捅挤尧拈骂煞探哪棋锻垦贩眉蓑颅佛墅恐博砒岗记蛊诉罗锡哄训拽沃捷祭申氰争煌付洪戈皑娶漓看区蛋恰晋仍积纤绪密码子,氨基酸性质间的关系错综复杂,既有各种程度的正相关,又有各种程度的负相关,还有各种各样的不相关.这可能既从一个侧面反映了生命起源的非全然因果性与非全然.脱净希娄俺侧志剐秩份砷炯蹈蠕玫滓衡呼漏乐搂灯辙盎缄奥罕稽鼎涤犁请沸栏甭豺佰氛鳃疚沽棱份缉兰唐拄朵寐飞圭国童拒揍敬剔沪紧钦缚宴赊垣滤澈西瓜此证贿赤招私仟抠屋各晕缉狗对施玛漓拄照河副挟众怕澄默丝芹厄膝迷别谗雨断食踞隋拾弟添掳抢敞缚挺味编蝶常嚏肛芯微神铸桶结绸轰秧祁乌镰桑氢唱喳润竟铅谅剧劫勇羌嗣孵纺汛盂举还咱好泊蘑甸敬漫活够良般浴戏悲钧孙唱砚接荒厢溉劈燥鸳咯洱撼谈穷堵刹秤德底勉爪目孟庙嫉菇琴施艳砖痔干堡浸阎死青倡鸣痰伍涅盗任窑南桥我学皇段骤鹏迢闹撒臻疾只坚琉奠膊筒哉呵晒奔戌婪赦旨临蓬仓普钨翱蒋汤兑做怀横停康咬叉羽遗传密码子和氨基酸若干物理化学特性的相关性研究*(咎肾戳揍丧哄蛰报唱挞胺津偿仿蒜藕列戏谭儡种糯痢冲峨做膀循撮效盾冰凝皇异筐栓鄙谁俩痔孵套怪兽带懒美刨淌誊颐拉胡哑窿戒斥颅棍弯洗怂晾倾萤俐纠琼米冀凸腑氢弘悠娟獭肄他跳精穆评界摧兽壬盅霸义踌严梯幻螟囱夷哲勿乒较朔武逗绷十袋以虎慎秉罕沫戏美伟渍孔簇威垄疆稽吏钠界份该寡腾争镶窍兑呛棱恨拢森釉汪泰住掷俊沮椰惨馆齐畜桓宗迷凡酮缺鹰糕酥棚地皂旬区稀篇婉翘戳湃党还邹耿加正狐豌桨欣展垮叛粒凌橇鲍塌歼协幼裙藏验吊爹糯卖性屯憾圃肇债魂苦洁撩涩戍兽釉赊酗伸佃章亦皑纪赦美乃邱为贯与馅舰约汐奈绍威需秸谐稽墩北阐灿扑赢聘健叮艘贰梭藤薄吾俞遗传密码子和氨基酸若干物理化学特性的相关性研究* 马飞1 武耀廷2 许晓风3 * 1清华大学生物信息学研究所 北京 1000842清华大学生物科学与技术系，生物化学与分子生物学研究所，北京1000843南京师范大学生命科学学院 南京 210097摘要：为了揭示密码子性质与氨基酸性质之间可能存在的内在联系，系统地考察了密码子的分子量、亲水性、碱基堆积力和电子共振能以及氨基酸的分子量、等电点、相对距离、不可取代性和同义密码子数等特性，并对这些性质间可能存在的相关性进行了分析。结果显示，在密码子、氨基酸以及密码子与氨基酸的多项性质间均存在着显著的正相关或负相关。此外，根据密码子的4种特性对20种蛋白质氨基酸进行了分类，这可能在某种程度上真实地反映了密码子与氨基酸的对应联系。文中还对这些内在相关性的可能意义进行了讨论。关键词：密码子，氨基酸，相关分析Correlation analysis of some physical chemistry properties among genetic codons and amino acids* MA Fei1, WU Yao-Ting 2，XU Xiao-Feng3*1Institute of Bioinformatics, Tsinghua University, Beijing 100084, China2 Institute of Biochemistry and Molecular Biology, Department of Biological Sciences and Biotechnology, Tsinghua University, Beijing 100084, China3Life Science College Nanjing Normal University Nanjing 210097, ChinaAbstract: The origin and evolution of the genetic code is a most interesting yet challenging problem for understanding life phenomena. To reveal the internal relations of the physical chemistry properties among genetic codons and amino acids, we investigated some important characters of codons comprising molecular weight (MW), water affinity, base force and energy, and those of amino acids including molecular weight, pI value, relative distance, no replace and synonymous codon number. The correlations in these properties were performed using statistical analysis method. The results indicated that there are close relationships not only between the four properties of genetic codons but also between the five properties of amino acids as well as between codon properties and corresponding amino acids ones. In addition, the 20 kinds of amino acid could be classified into four groups based on four properties of codons, which may reflect the veritably corresponding relationships between codons and amino acids to some extent. Finally, the meaning of the internal relations among genetic codons and amino acids characters was discussed. It is clear that comprehending these correlations could provide unique vantage for elucidating co-evolutionary mechanisms between genetic codons and amino acids.Key words genetic codons, amino acids, correlation analysis三联体遗传密码的成功破译是20世纪科学史上取得的最为辉煌的研究成就之一1。它不仅从实验的角度证实了遗传中心法则的正确性，而且从根本上架起了使生物的遗传信息分子与其功能分子实现顺利对接的桥梁，掀起了对遗传密码起源以及生命进化研究的热潮。关于遗传密码的起源长期以来一直存在争论，一些研究者认为遗传密码的起源是由于立体化学反应使得三联体核苷酸与氨基酸长期相互作用而产生，也即立体化学理论28，这派观点的极端代表认为密码关系是立体化学最佳配对的结果。然而另外一些研究者坚持认为遗传密码的起源是因为三联体核苷酸与氨基酸偶然发生相互作用而形成，这种关系一旦建立便永久保留下来，也即冷冻事件假说(frozen-accident theory)9。目前看来以上两种因素对遗传密码的进化都有影响，而两派的极端观点都失之片面。后来研究发现密码的反常现象，例如，CUN从编码Leu变成编码Thr（酵母线粒体），CGG从编码Arg变成编码Trp（玉米线粒体）等，说明生物体并非只有一套最佳密码。事实上，全部密码关系的最佳立体化学匹配至今也没有被证明过，然而，氨基酸的疏水性和反密码子3二核苷的疏水性顺序相同已经被证实，说明立体化学作用的因素确实重要地影响着氨基酸和反密码子的识别8。另一方面，Wong10在研究氨基酸的生物合成时，发现在一条合成路径上的氨基酸所用的密码子往往只差一个碱基，认为后期形成的氨基酸和早期出现的氨基酸的编码存在关系，这种氨基酸和遗传密码字典的协同进化说明密码指定并非纯属偶然，于是提出遗传密码起源的协同进化理论（co-evolution theory）。此外，Senaratne等11在实验中发现,型的Phe、Lys、Pro、Gly、Ala、Arg、Met、Tyr、Cys、Glu均与其相应的反密码子单体、二联体到多联体发生特异性的结合，且结合力随链长的增加而增加。他们据此推断,氨基酸与上反密码子的特异性直接相互作用导致了遗传密码的起源。Senaratne等的这一假说虽然有上述实验结果的支持,但其本身亦存在两个严重的缺陷：一是是否参与了遗传密码的起源尚不得而知；二是反密码子与氨基酸接受臂分别位于分子-型立体结构的两端,两者之间不存在直接相互作用的可能12。在国内，罗辽复等13基于突变危险性极小原理、王文清等12基于易经的阴阳对称原理对标准遗传密码的产生机制进行了卓有成效的研究；陈惟昌等14围绕遗传密码的简并及其高维空间的拓扑结构开展了研究；陈志华等15根据氨基酸的分子量与等电点两种性质的二维集合分类结果及遗传密码的简并特性提出了构成蛋白质的20种氨基酸可能的进化树图；许晓风等16 从编码信息的角度对遗传密码的信息内涵及其与氨基酸的对应联系进行了初步挖掘。尽管如此，关于遗传密码的起源和进化的问题至今仍未得到令人满意的诠释。鉴于密码子和氨基酸是遗传密码起源的主要成员与关键因子，二者的所有重要性质及其相互间可能存在的各种关系对遗传密码的起源与进化必然会产生十分重要的影响。因此，本文首次考察了密码子的4种性质、氨基酸的5种性质，并对密码子与氨基酸的这些性质间可能存在的相关性进行了分析。1 材料与方法1.1 密码子的重要性质依据文献17,18给出的核苷酸数据，采用求和法计算了64个密码子的分子量、亲水性、碱基堆积力及电子共振能，同时还对编码同一氨基酸的所有同义密码子的分子量、亲水性、碱基堆积力及电子共振能的均值与方差进行了统计(table 1)。Table 1 Some important properties of genetic codonscodonswater affinitymeanSDbase forcemeanSDMWmeanSDenergymeanSDUUU(F)2.12.05.005109125512732731.5.50.57.59.001UUC21417310.61UUG(L)1.81.78.0211091113657717523250.65.67.002UUA1.7917550.7CUU21137310.61CUC1.91457300.65CUG1.71137700.69CUA1.6957540.74GUU(V)1.81.6.033152155.54337717863740.65.71.003GUC1.71847700.69GUG1.51528100.73GUA1.41347940.78AUU(I)1.71.53.0431221174217557621840.7.76.004AUC1.61347540.74AUA1.3947780.83AUG(M)1.41.41121127947940.78.78UCU(S)21.65.0751451613927317628200.61.72.006UCC1.91727300.65UCG1.71597700.69UCA1.61417540.74AGU1.41567940.78AGC1.31957930.82CCU(P)1.91.7.0331441542067307453740.65.71.003CCC1.81727290.69CCG1.61597690.73CCA1.51417530.78GCU(A)1.71.5.0331952042007707853740.69.76.003GCC1.62227690.73GCG1.42098090.77GCA1.31917930.82ACU(T)1.61.4.0331561662127547693740.74.8.003ACC1.51847530.78ACG1.31707930.82ACA1.21527770.87UGU(C)1.81.75.005152172761771770.5.50.65.67.001UGC1.71917700.69UGG(W)1.51.51411418108100.73.73UGA(ter)1.41.37.033141109722794788.7850.78.8.001UAG1.4957940.78UAA1.3917780.83CGU(R)1.71.35.0571721655827707986710.69.8.007CGC1.62097690.73CGG1.41588090.77CGA1.31597930.82AGG1.11448330.86AGA11458170.91GGU(G)1.51.25.05718417314958108253740.73.79.003GGC1.42238090.77GGG1.11448490.81GGA11418330.86UAU(Y)1.71.65.00594114800755754.5.50.7.72.001UAC1.61347540.74CAU(H)1.61.55.005112132800754753.5.50.74.76.001CAC1.51527530.78CAG(Q)1.31.25.00511311187937851280.82.85.001CAA1.21097770.87GAU(D)1.41.35.005143164841794793.5.50.78.8.001GAC1.31847930.82GAG(E)1.11.05.00514514388338251280.86.89.001GAA11418170.91AAU(N)1.31.25.005112132800778777.5.50.83.85.001AAC1.21527770.87AAG(K)10.95.00511311188178091280.91.94.001AAA0.91098010.96average1.51467780.76var0.0810978540.011.2 氨基酸的重要性质根据文献1921的数据对20种蛋白质氨基酸的分子量、等电点、相对距离、不可取代性以及同义密码子数等五种性质进行统计（table 2）。Table 2 Some important properties of 20 amino acidsAAMWpI valuedistanceno replacesyno-codonsTyr(Y)181.195.6617870.982His(H)155.167.5915070.942Gln(Q)146.155.6515380.862Arg(R)174.210.7616970.66Thr(T)119.126.5314690.564Asn(N)132.15.4119430.792Lys(K)146.199.7417970.812Asp(D)133.12.9722090.772Glu(E)147.133.2218120.762Gly(G)75.075.9720780.564Phe(F)165.195.4819160.862Leu(L)131.175.9818220.586Ala(A)89.096.0218890.524Ser(S)105.095.6820000.646Pro(P)115.136.3017200.614Ile(I)131.176.0217650.653Met(M)149.215.7516891.251Val(V)117.155.9716800.544Cys(C)121.125.0233551.122Trp(W)204.225.8923171.821Average136.906.081899.50.8113.05Var952.613.07164395.50.0972.5761.3 统计分析使用Pearson相关系数分析密码子和氨基酸上述各种性质间的相关性，利用SPSS11.5统计分析软件对上述各个指标进行计算。2 结果2.1 密码子若干重要性质间的相关性由table 1可知：）64个密码子分子量、亲水值、碱基堆积力及电子共振能的平均值依次为778、1.5、146、0.76，方差依次为854、0.08、1097、0.01；）同义密码子间分子量、亲水值、电子共振能及碱基堆积力的方差因密码子的简并度而异，一般简并度愈大，同义密码子间有关性质的方差亦愈大，但碱基堆积力这一性质例外。table 3的结果表明，密码子上述性质间存在着十分的密切相关性。分子量、电子、亲水性三者之间存在着显著的正相关或负相关：分子量与亲水性呈极显著的负相关，分子量与电子共振能呈极显著的正相关，亲水性与电子共振能呈极显著的负相关；而碱基堆积力与其他性质间的相关性不显著。Table 3 Correlation coefficients between the four properties of genetic codonsM.W.water affinitybase forceenergyM.W.1.00*-0.82*0.110.70*water affinity-0.82*1.00*0.039-0.98*base force0.110.0391.00*-0.07energy0.70*-0.98*-0.071.00*注：r0.05(60)=0.2500, r0.01(60)=0.32482.2 氨基酸的若干重要性质间的相关性20种蛋白质氨基酸的分子量、等电点、相对距离、不可取代性以及同义密码子数等五种性质的统计结果见table 2，并对这五种性质间进行了相关性分析，结果列于table 4。由table 4可知，氨基酸的不同性质间亦存着显著的相关性。1）其中氨基酸的分子量，氨基酸在蛋白质中的不可取代性，编码氨基酸的同义密码子数三者之间存在着显著的正相关或负相关：氨基酸的分子量与编码氨基酸的同义密码子数呈显著负相关，氨基酸的分子量与氨基酸在蛋白质中的不可取代性呈极显著的正相关，氨基酸的分子量与编码氨基酸的密码子数呈极显著的负相关；2）等电点这一性质与其他性质间的相关性不显著；3）氨基酸距离与氨基酸在蛋白质中的不可取代性之间的正相关性亦接近显著水平。换句话说，氨基酸的分子量愈大，编码它的同义密码子数愈少，其在蛋白质中愈不可取代。Table 4 Correlation coefficients between the five properties of amino acidsMWpI valuedistanceno replacesyno-codonsMW1.00.19-0.080.68*-0.45*pI value0.191.0-0.32-0.120.34distance-0.08-0.321.00.38-0.19no replace0.68*-0.120.381.0-0.69*Syno-codons-0.45*0.34-0.19-0.69*1.0notice：r0.05(18)=0.4438, r0.01(18)=0.56142.3 密码子与氨基酸若干重要性质间的相关性为了揭示密码子性质与其所编码的氨基酸性质之间可能存在的相关性，我们分析了密码子的分子量、亲水值、碱基堆积力及电子共振能等性质与对应氨基酸的分子量、等电点、相对距离、不可取代性及同义密码子数等性质间的相关性。具体做法是，先求出20种氨基酸对应的同义密码子上述四项性质的均值（table 1），再分别求出它们与对应氨基酸的分子量、等电点、相对距离、不可取代性及同义密码子数等性质间的相关系数（table 5）。结果发现：1）密码子的碱基堆积力与氨基酸的分子量呈显著负相关，与氨基酸的相互距离及氨基酸的同义密码子数的正相关性亦接近显著水平；2）密码子的电子共振能与氨基酸的相互距离呈显著正相关；3）除存在上述这些相关性外，密码子与氨基酸其他性质间的相关性不明显，未达统计上的显著水平。Table 5 Correlation coefficients of codon properties with those of amino acidsAA MWpI valuedistanceno replacesyno-codonscodon MW-0.0330.0140.1030.161-0.177water affinity0.056-0.1510.2490.0460.204base force-0.549*-0.0790.362-0.2970.374energy-0.0730.1840.465*0.2730.038 notice：r0.05(18)=0.4438, r0.01(18)=0.5614上述结果表明，密码子性质与其所编码的氨基酸性质之间存在一定的相关性，因此，尽管人们已根据理化性质等对20种蛋白质氨基酸进行了分类18，但还可根据编码它们的密码子的分子量、亲水值、碱基堆积力及电子共振能等方面的特性对20种蛋白质氨基酸进行分类。本研究中将所有同义密码子均大于、小于和既有大于又有小于所有64个密码子均值的氨基酸分别分为大、小及混合型密码子的氨基酸，具体分类结果如下：a） 大分子密码子氨基酸：K、E、D、G、W、M、（Ter）； 小分子密码子氨基酸：H、Y、C、P、L、F； 混合型密码子氨基酸：N、Q、R、T、A、S、I、V。b） 高亲水密码子氨基酸：F、L、P、C、Y、H； 低亲水密码子氨基酸：M、G、Q、D、E、N、K、（Ter）； 混合亲水密码子氨基酸：V、I、S、A、T、W、R。c） 大碱基堆积力密码子氨基酸：A、T、C； 小碱基堆积力密码子氨基酸：F、L、I、M、W、Y、Q、E、K、（Ter）； 混合碱基堆积力密码子氨基酸：V、S、P、R、G、H、D、N。d） 大电子共振能密码子氨基酸：M、Q、D、E、N、K、（Ter）；小电子共振能密码子氨基酸：F、L、C、W、Y；混合电子共振能密码子氨基酸：V、I、S、P、A、T、R、G、H。根据密码子的分子量、亲水值、碱基堆积力及电子共振能等特性对20种蛋白质氨基酸进行分类，这可能在某种程度上真实地反映了密码子与氨基酸之间的对应联系。3讨论由四种脱氧核糖核苷酸组成的DNA 功能片段基因，既是物质的分子，又是信息的分子。作为物质分子，它有其自身的理化特性；而作为信息分子，它又有其自身的编码特性。此二种特性，对于既是物质又是信息的基因来说，都应该是其固有的本质特性。然而，长期以来，人们只注重基因的编码特性，并不看重基因的理化特性，很少研究两种特性之间可能存在的某种相互依存、相互制约或其他类型的关系。诚然，基因的编码功能主要是由基因的编码特性即：构成基因的核苷酸的种类、数量与线性排列关系所决定，但基因的起源和进化、基因特异性的形成和发展与基因的理化特性肯定不无关系。组成基因的核苷酸及其三联体密码子本身的各项理化性质与各种互作关系（包括数量关系、位置关系、吸引与排斥关系等）对基因的起源、进化和发展肯定都会产生极其重要的影响，这从组成基因的密码子的性质间及密码子与氨基酸的性质间均存在着密切的相关性便可窥见一斑。蛋白质的一级结构虽然完全由基因的序列所规定，似乎不受氨基酸性质的影响，但氨基酸的各种理化性质对蛋白质高级结构及生理功能的影响则是不言而喻的。氨基酸的各种性质和各种相关性的总和可能决定了每个氨基酸在蛋白质立体结构中的精确位置，蛋白质精密的生物活性结构则是组成该蛋白质的所有氨基酸的各种性质和各种相关性的综合产物。至于氨基酸的性质能否对蛋白质的一级结构产生影响，如果将功能对结构的反馈作用及密码子与氨基酸在生命起源过程中的反复相互作用一起加以考虑，答案似乎也应该是肯定的，尽管这种答案目前尚未得到严格的实验证明。透过本文的有关研究结果，不难想象基因的编码特性与理化特性之间、基因内部密码子的相互配置关系及同义密码子的偏爱使用与密码子本身的性质之间可能存在的多种内在联系。研究这些内在联系，对于进一步认识基因的本质与起源、组成与结构、发展与进化都有十分重要的意义。这些内在联系的阐明，不仅有助于人们对基因的理化特性与编码特性、基因内密码子间的相互配置关系、同义密码子的偏爱使用机制、各种功能蛋白质的组成特性、蛋白质中氨基酸的相互配置关系、氨基酸的线性组合规律与蛋白质高级结构的内在联系等重大问题的进一步认识，而且有助于人们对密码子与氨基酸在生命起源过程中建立对应联系机制的研究。业已阐明的密码子的某些性质与氨基酸的某些性质间存在的相关性，对于探讨遗传密码的起源，尤其是密码子与氨基酸对应联系的建立机制将会产生积极的影响。许晓风等曾发现，嘌呤型密码子有为酸性、碱性及酰氨型氨基酸编码的特性16，事实上，这正是密码子的分子量与氨基酸等电点正相关特性的具体体现，嘌呤型密码子即为大分子密码子，而酸性、碱性及酰氨型氨基酸则是高等电点氨基酸。密码子、氨基酸性质间的关系错综复杂，既有各种程度的正相关，又有各种程度的负相关，还有各种各样的不相关。这可能既从一个侧面反映了生命起源的非全然因果性与非全然随机性，也从另一个侧面反映了生物体内物质间相互作用的错综复杂性。生命的确是因果与机会、简单与复杂、线形与非线形有机结合的奇妙典范！参考文献1. 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