遗传密码破译与核酸性质研究

遗传密码破译与核酸性质研究

968年，41岁的美国科学家尼伦伯格、46岁的美国科学家霍利和46岁的美籍印度科学家科拉纳，收到诺贝尔奖金委员会的通知，授予他们该年度的诺贝尔医学和生理学奖，表彰他们在遗传密码破译方面所做的杰出贡献。真正了解遗传密码及其在不同组织和不同细胞中的变动方式，其意义是极其久远的，一个世纪以来，生命科学里还没有哪件事比这个发现更令人振奋和激动。

经过整整100年的奋斗，历经从1869年瑞士生物化学家米歇尔发现核酸到1967年遗传密码破译成功，几代人的艰苦努力总算取得了最后的胜利。

DNA解旋和复制

蛋白质的合成

1869年，米歇尔在用胃蛋白酶分解蛋白质时，发现这种酶不能分解细胞核，经过化学分析发现，细胞核主要由一种含磷物质组成，性质与蛋白质相差很远，就把这种存在于细胞核中的物质叫核素。20年以后，人们发现这种物质具有很强的酸性，于是就称它为核酸。

德国生物化学家柯塞尔系统研究核酸的化学组成，他把核酸水解，分离出四种含氮化合物，分别命名为腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T），这就是脱氧核糖核酸的四种碱基。柯塞尔因此项发现荣获1910年度诺贝尔医学和生理学奖金。

1911年，柯塞尔的学生美籍俄国生物学家莱文发现，酵母核酸中含有核糖，胸腺核酸里也有一种类似核糖的物质，只是缺少一个氧原子，称为脱氧核糖。相应地，两种核酸分别称为核糖核酸RNA和脱氧核糖核酸DNA。1934年，莱文又把核酸分解成一些彼此相似的碎片核苷酸，他指出核酸分子由若干核苷酸组成，像蛋白质分子由许多氨基酸组成一样，也是一种生物大分子。

1944年，三位美国生物化学家艾弗里、麦克劳德和麦卡蒂，从光滑型肺炎球菌里分离出纯的DNA，加至粗糙型肺炎球菌中，结果使粗糙型肺炎球菌变成光滑型的了，由此证明了DNA起到基因作用。许多方面的研究都发现，从遗传的观点来看，与DNA结合在一起的蛋白质是多余的，不论是染色体里的DNA还是细胞浆小体中的DNA，其本身具有全部遗传功能，这项工作成果引起了科学家对DNA的重视。

1948～1950年，美国生物化学家查哥夫经过实验证明，核酸的组成相当复杂，在每个核酸分子中，嘌呤数和嘧啶数各不相同，但它们之间存在一个确定的规律，每个DNA分子的嘌呤数与嘧啶数之比为1∶1，而且腺嘌呤数与胸腺嘧啶数相等；鸟嘌呤数与胞嘧啶数相等。

1952年，英国生物化学家托德证明了，核苷酸片断之间由磷酸二酯键联结，形成糖—磷酸骨架把许多核苷酸连成长链大分子，其分子量达10⁹。托德因此项研究成果荣获1957年诺贝尔化学奖。

与此同时，移居美国的德国物理学家德尔布鲁克和意大利生物学家卢利亚、赫尔希领导的噬菌体小组，进行着细菌遗传学的重要实验，噬菌体进入宿主细菌大肠杆菌后，30分钟即可自我复制100次。赫尔希和他的学生蔡斯用磷、硫同位素分别标记噬菌体的蛋白质和DNA，结果发现，只是噬菌体的DNA进入大肠杆菌中，其蛋白质外壳留在外面，证明噬菌体DNA携带着自我复制的全部信息，这三位科学家因此项发现而荣获1969年诺贝尔医学和生理学奖金。

噬菌体感染细菌

噬菌体侵染

1953年，美国生物学家沃森、英国物理学家克里克和英国结晶学家威尔金斯、富兰克林进行的DNA分子结构模型研究取得突破，沃森和克里克发现了DNA双螺旋结构。沃森、克里克和威尔金斯因这项伟大成就而共同分享了1962年诺贝尔医学和生理学奖金。DNA分子的自我复制过程是，其双螺旋两条链彼此分开，各自按确定的碱基配对规律彼此配对，即：

腺嘌呤—胸腺嘧啶，用符号表示为A—T

鸟嘌呤—胞嘧啶，用符号表示为G—C

形成自己的互补键，结果产生两个新的DNA分子与原来的DNA分子完全相同，这便是遗传。

科学实验证明这种过程，如果让细菌在含氮—15的介质中生长，之后突然换成只含氮—14的介质，按双螺旋模型，一个DNA分子两条链彼此分开，并以此为模板进行自我复制，首次复制结束时得两个子一代DNA分子，每个分子的两条链分别含有氮—15和氮—14；第二次复制得四个子二代DNA分子，其中两个分子与子一代分子相同，另两个分子的两条链都只含有氮—14。总起来说，每半个分子都在形成它自己所缺少的那一半分子过程中起主导作用，并用氢键彼此固定起来，通过这种方式，它重新形成了完整的双螺旋DNA分子，原来一个DNA分子分成的两个半个分子，就形成了两个完整DNA分子。一个染色体上的全部DNA分子都完成这个过程，就制造出和原来那个染色体完全相同的两个染色体。这就是细胞分裂的本质，也是遗传的微观机制。

DNA分子的自我复制，只能使它存在下去，它是如何完成合成特定蛋白质分子的呢？1954年，沃森和克里克指出，DNA分子通过转录，以自己的核苷酸排列次序决定RNA分子中核苷酸排列次序；再通过翻译决定合成蛋白质分子中氨基酸的排列次序。

同年，美籍俄国天文学家伽莫夫提出，DNA分子核苷酸的不同组合，可能就是像莫尔斯电报电码那样的东西，形成传递各种信息的密码——遗传密码。但是DNA分子中只有四种不同的碱基，如果每次取四个排列，构成密码的总数为4⁴＝256，对20种氨基酸来说是太多了；如果每次取三个排列，则构成4³＝64个密码；如果每次取2个则只有16个密码。看来由三个碱基一组构成密码是比较适合的。

但是，由于DNA分子存在于细胞核内，这样遗传密码就像锁在细胞核里一样，如何将密码信息传达到细胞核外呢？法国生物化学家雅各布和莫诺首先想到RNA是起媒介作用的物质。RNA的分子结构与DNA很相似，并且既可以存在于细胞浆中，也可以存在于细胞核中。当DNA分子的两股螺旋脱开后，其中的一股链开始用形成RNA的核苷酸进行自我复制，原来DNA分子这一股链上的腺嘌呤不再连胸腺嘧啶，而是连尿嘧啶，形成的RNA分子带着印在其核苷酸顺序的遗传密码，从细胞核进到细胞浆中。这种RNA就像带着DNA信息的使者一样，被称为信使RNA，用mRNA表示。

DNA螺旋结构

1956年，美籍罗马尼亚生物化学家帕拉德，用电子显微镜发现，酶是在细胞浆里的细小颗粒中制造的，这些小颗粒中富含RNA，叫核糖体。带着遗传密码的mRNA到了核糖体，便自己铺展开来，这些小粒核糖体也叫细胞器，是合成蛋白质的场所。这一步研究工作是美国生物化学家霍格兰完成的，他发现脑浆里有一种很小的RNA分子，它可以自由溶解在细胞浆的液体里，称为可溶性RNA分子，每个这种RNA分子的一端都有一个特殊的核苷酸三联体，这个三联体和mRNA链上的一个三联体正好互补，这个RNA的另一端有一个点，这个点只能连上某种特定的氨基酸分子。在每一个这种RNA的分子上，一端三联体总是意味着另一端应该是哪一种特定的氨基酸。所以，mRNA上那个与它互补的三联体就意味着，附到它上面的一定是某种特定的带着特定氨基酸的RNA分子，一大群RNA分子会一个接一个按顺序附到mRNA的各个三联体上，而这些三联体都是用特定基因的DNA分子翻造出来的。所有的氨基酸排列好以后，很容易联在一起形成酶蛋白质分子。mRNA用这种方式将信息传递给蛋白质分子，完成这种职能的RNA就叫转移RNA，简写为tRNA。

1964年，美国生物化学家霍利领导一个研究小组，用适当的核酸内切酶，把丙氨酸mRNA分子分解成许多小片，然后分析这些小片，并推导出它们是如何装配到一起的。丙氨酸mRNA是第一种透彻研究的天然核酸，他们发现丙氨酸mRNA由77个核苷酸构成链。最初，人们曾推测mRNA分子单链可能像发夹一样，中间弯折，两端互相绞成双螺旋。丙氨酸mRNA的结构并不是这样，它看上去好像一株不匀称的三叶草，霍利由于这项研究成果，分享了1968年度诺贝尔医学和生理学奖金。

蛋白质的合成

但是，DNA并不是任何时候都以同样的速度组织酶和蛋白质的合成。有些时候工作效率很高，另一些时候则慢悠悠地工作，有时甚至一点也不工作。有的细胞以极高的速度合成蛋白质，最快时每个细胞1分钟能结合1500万个氨基酸成为蛋白质；有的细胞则制造的很慢；还有的细胞根本不制造蛋白质，机体的各种细胞的结构和功能都高度专一化了，然而DNA分子确是统一的。细胞通过对DNA分子进行封锁和解放，制造出不同的蛋白质组合，不同的时间里，也可以制造不同的蛋白质。细胞通过特定的物质达到这一目的，早在1961年，雅各布和莫诺就提出——每个基因都有自己的抑制物，它是一个调节基因编码，这种抑制物是很小的蛋白质，它的几何构型可因细胞内环境的轻微变化而改变，从而把DNA分子封闭，也可以把它释放，以此操纵蛋白质的合成，这就是操纵子概念。雅各布和莫诺因这项科学成果与勒夫共同分享了1965年度的诺贝尔医学生理学奖金。

信息不仅能从DNA向蛋白质方向传递，而且也能反馈。因此，当某种氨基酸浓度增高时，抑制物被激活，把这个能制造特定酶生产特定氨基酸的基因关闭起来；如果该种氨基酸浓度下降，相应的基因就被打开，制造特定酶生产这种氨基酸。细胞里的化学机器非常复杂，而且互相关联构成统一的机体单元。

那么，哪一个密码子代表哪一种氨基酸呢？这个问题，由于尼伦伯格和马太的工作，早在1961年就开始出现答案了。他们起初用合成只含尿嘧啶核苷酸的核酸，这个聚尿苷酸由UUUU……的长链构成，它只代有一种遗传密码子UUU。他们把这种长链放入一个含有多种氨基酸、酶、核糖体和合成蛋白质所需各种物质的系统中，从这种混合物里得出的一种蛋白质，只由一种苯丙氨酸构成。这表明密码子UUU和苯丙氨酸是相应的，于是，它就成了第一个破译的遗传密码了。接着是以尿嘧啶核苷酸为主加上一点腺嘌呤核苷酸来制造核苷酸链，这意味着，除UUU密码子外，还可能有少量UUA、AUU、UAU密码子，实验结果表明，此时生成的蛋白质主要成分是苯丙氨酸，同时也含有少量亮氨酸、异亮氨酸和酪氨酸。通过这类办法，慢慢破译密码子，最后破译了20种氨基酸的全部三联体密码子，并且把它们列成了密码表。从而在微观分子水平上解开了遗传之谜，完成了科学史上的一项伟大工作。

春蚕到死丝方尽，人至期颐亦不休。一息尚存须努力，留作青年好范畴。

——吴玉章