克里克和尼倫伯格對(duì)遺傳密碼領(lǐng)域的研究貢獻(xiàn)

李仲毅

【摘 要】本文作為人教版高中生物必修二中第四章《基因的表達(dá)》的選學(xué)內(nèi)容第3節(jié)《遺傳密碼的破譯》的背景、擴(kuò)充和延申內(nèi)容，從人文色彩和科學(xué)發(fā)現(xiàn)兩方面對(duì)科學(xué)家克里克和尼倫伯格及他們?cè)谶z傳密碼方面的發(fā)現(xiàn)和成就做出介紹，把學(xué)習(xí)課堂引向課外，拓寬師生的視野，提高學(xué)生學(xué)習(xí)和探究的綜合能力。

【關(guān)鍵詞】克里克;尼倫伯格;遺傳密碼;DNA;氨基酸

【中圖分類號(hào)】N 09【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1002-8714（2019）11-0298-01

在遺傳的中心法則中，遺傳物質(zhì)是以復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯的過(guò)程進(jìn)行傳遞的。DNA的信息轉(zhuǎn)錄至RNA后，RNA上的四種堿基U（尿嘧啶）、C（胞嘧啶）、A（腺嘌呤）、G（鳥(niǎo)嘌呤）以一定的規(guī)律翻譯成不同的氨基酸。不同堿基的不同排列，對(duì)應(yīng)著特定的氨基酸，這種對(duì)應(yīng)的規(guī)則即遺傳密碼[1]。

遺傳密碼由三個(gè)堿基為一組三聯(lián)體，成為一個(gè)密碼子，從特定的起始位置開(kāi)始，到終止密碼結(jié)束。三聯(lián)體上的每一個(gè)堿基都有四種可能性，那么一組三聯(lián)體堿基的組合就有4×4×4=64種組合方式。64種組合方式并不對(duì)應(yīng)著64種氨基酸，而是對(duì)應(yīng)著20種氨基酸[2]，即，密碼子和氨基酸是多對(duì)一的映射關(guān)系：不同的密碼子可能會(huì)翻譯成同一種氨基酸，比如，CGU、CGC、CGA、CGG四種密碼子都對(duì)應(yīng)著精氨酸（Arginine）。

本文主要介紹了兩位在遺傳密碼的確定和破譯方面做出了巨大貢獻(xiàn)的人物：克里克和尼倫伯格。

1 克里克

弗朗西斯·克里克于1916年出生于英國(guó)，在21歲時(shí)獲得倫敦大學(xué)的物理學(xué)學(xué)位。在學(xué)習(xí)物理的同時(shí)，克里克從未停止對(duì)生命本質(zhì)的思考，迫切希望探索生物與非生物的區(qū)別。1951年，開(kāi)始與美國(guó)科學(xué)家詹姆斯·沃森合作，在研究蛋白質(zhì)晶體的同時(shí)，始終沒(méi)有停止探尋基因的物理本質(zhì)的腳步[3]。

1952年，美國(guó)化學(xué)家提出DNA為三鏈結(jié)構(gòu)的模型。而克里克與沃森根據(jù)羅莎琳德·富蘭克林拍攝的DNA的X射線衍射圖，判斷出DNA應(yīng)該是雙螺旋結(jié)構(gòu)，由此搭建了雙螺旋模型，并在1953年發(fā)表論文于Nature，自此確定了DNA的結(jié)構(gòu)。該成果于1962年獲得諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

1958年，弗朗西斯·克里克提出了遺傳信息傳遞的中心法則，指出遺傳信息是由DNA傳遞至RNA，再翻譯成為蛋白質(zhì)的。

1961年，克里克在T4噬菌體上實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，增加或刪除一個(gè)堿基，或者增加或刪除兩個(gè)堿基，都不能產(chǎn)生功能正常的蛋白質(zhì)，但是增加或刪除三個(gè)堿基時(shí)卻能夠合成功能正常的蛋白質(zhì)，由此，成為世界上首位用實(shí)驗(yàn)證明遺傳密碼中堿基編碼氨基酸的比例為3：1的人。這就是我們中學(xué)生生物課本中對(duì)遺傳密碼破譯的主要內(nèi)容。

1966年，弗朗西斯·克里克發(fā)表由基于大腸桿菌的研究得出的遺傳密碼表，并猜想在所有生物中遺傳信息對(duì)應(yīng)蛋白質(zhì)的編碼關(guān)系應(yīng)該是相同的。這一猜想也被后人證實(shí)。克里克還假定了無(wú)義密碼子具有中止信號(hào)的作用[4]。

在克里克的研究論述中，認(rèn)為遺傳密碼有如下特點(diǎn)：遺傳密碼子是三個(gè)一組，從一個(gè)特定的起始點(diǎn)開(kāi)始每三個(gè)、每三個(gè)進(jìn)行讀取，密碼子之間沒(méi)有重疊;不同的密碼子可能對(duì)應(yīng)同一種氨基酸，具有簡(jiǎn)并性;密碼子的排列決定了氨基酸的某些性質(zhì)，如親疏水、酸堿性等等，既存在著偶然性，又存在著必然性。

克里克認(rèn)為遺傳密碼法則適用于幾乎所有生物，是基于進(jìn)化論中生物是從低等到高等進(jìn)化的順序得來(lái)的。如果在進(jìn)化的過(guò)程中，遺傳密碼出現(xiàn)改變，那么整個(gè)進(jìn)化的過(guò)程將出現(xiàn)不利因素，進(jìn)化會(huì)向著不穩(wěn)定的方向進(jìn)行。所以，為了能夠正常、正確進(jìn)化，生物應(yīng)當(dāng)沿襲同一套遺傳密碼。這就是克里克的凍結(jié)偶然性

理論。

1967年，克里克闡述了他認(rèn)為的遺傳密碼起源與進(jìn)化的三個(gè)階段：在古密碼時(shí)期，少數(shù)的嘌呤和嘧啶被識(shí)別，只能編碼成形態(tài)簡(jiǎn)單的少數(shù)氨基酸;在中期密碼時(shí)期，更多的密碼子能夠被翻譯成氨基酸，不再是無(wú)義密碼子，氨基酸的種類增加;當(dāng)代的現(xiàn)存密碼子已經(jīng)固定，并在物種間通用。

中學(xué)生在學(xué)習(xí)遺傳密碼子的時(shí)候，經(jīng)常有疑問(wèn)：為什么密碼子是三個(gè)堿基一組，而非兩個(gè)、四個(gè)或更多？克里克在構(gòu)建的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型以及X ray圖片中計(jì)算得知，雙螺旋結(jié)構(gòu)的直徑和角度決定密碼子只能是三個(gè)堿基一組。

克里克破譯遺傳密碼的閱讀方式的方法是具有極大教學(xué)借鑒意義的。在《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·生物必修二》中提到，克里克還在伽莫夫提出了“三個(gè)堿基編碼一個(gè)氨基酸”的設(shè)想的基礎(chǔ)上展開(kāi)的實(shí)驗(yàn)。設(shè)想引出了兩種可能的閱讀方式，即“非重疊的閱讀方式”和“重疊的閱讀方式”。高中生物教科書(shū)中引用了“摩爾斯電碼”作為類比。與遺傳密碼相似的是，二者都是借由“基本單位”構(gòu)成的有序的“次級(jí)單位”來(lái)傳遞信息?！澳査姑艽a”以“點(diǎn)和橫杠”作為“基本單位”構(gòu)成了“字母”，而遺傳密碼以堿基作為“基本單位”構(gòu)成了“密碼子”。重點(diǎn)在于，單個(gè)無(wú)序的“基本單位”是不具備傳遞信息的能力的，信息儲(chǔ)存在由“基本單位”構(gòu)成“次級(jí)單位”的“排列方式”中。

克里克和他的團(tuán)隊(duì)所面臨的難題便是：他們對(duì)于堿基構(gòu)成密碼子的排列方式幾乎全然不知。但他們并未放棄，相反，他們找到了一條全新的思路，便是“次級(jí)單位”之間的“共性”。盡管每個(gè)密碼子的組成是不同的，但按照伽莫夫的猜想，每個(gè)密碼子的共性便是“由三個(gè)堿基組成”。而在這種共性下，由次級(jí)單位組成的“高級(jí)單位”，即由密碼子編碼形成的肽鏈才會(huì)具有正確的信息。若是破壞或抽離一個(gè)“基本單位”，那么不僅該單位所在的次級(jí)單位會(huì)失效，而且由于“共性”的特點(diǎn)，該單位以后的所有“次級(jí)單位”多半會(huì)失效，因?yàn)榘凑铡肮残浴钡慕庾x方式，在錯(cuò)位后的“基本單位”解讀出來(lái)的大概率是“亂碼”，因而“高級(jí)單位”所表達(dá)的含義也因此消失，這體現(xiàn)在“無(wú)法產(chǎn)生正常功能的蛋白質(zhì)”上。但若是刪去一個(gè)完整的“次級(jí)單位”，便不會(huì)引起“錯(cuò)位”，從而可以讓剩余的信息完整地翻譯

出來(lái)。

以上正是克里克團(tuán)隊(duì)找到，或者說(shuō)驗(yàn)證了遺傳密碼閱讀方式的手段，即在“不清楚具體的組合方式”的情況下找到組合方式的“共性”，這種“共性”即是閱讀方式。這對(duì)于高中生的科研啟蒙教育是具有極大意義的。首先，它告訴我們要抓住主要問(wèn)題;對(duì)于當(dāng)時(shí)的克里克團(tuán)隊(duì)而言，找到具體的某個(gè)密碼子并非首要任務(wù)，因?yàn)樵诿艽a子的“共性”，即“三聯(lián)體”都還未驗(yàn)證之前，想要破譯密碼子是不可能的。故而克里克團(tuán)隊(duì)先將目光投向了“遺傳密碼的閱讀方式”，才有了后來(lái)尼倫伯格完成的對(duì)第一個(gè)密碼子的破譯。其次，這也說(shuō)明，找到個(gè)體間的普遍規(guī)律是定義或解讀這一類個(gè)體的最優(yōu)途徑。

克里克的一生中，對(duì)分子生物學(xué)的奠基起到巨大作用。他以物理學(xué)家慣有的嚴(yán)謹(jǐn)，加上生物學(xué)家需要有的一定的“腦洞”，不斷地提出假設(shè)、層層推論、不斷探索、反省錯(cuò)誤，同時(shí)又能堅(jiān)持目標(biāo)。這種科學(xué)的精神值得我們學(xué)習(xí)。

2 尼倫伯格

即使是在克里克和布倫納于理論上推導(dǎo)出三聯(lián)體密碼的1959年，人類對(duì)遺傳密碼的認(rèn)知仍存在極大的空白，即不同密碼子與氨基酸之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系是完全未知的，這也是1950年代末分子生物學(xué)領(lǐng)域的首要難題[5];而攻克這一難題的卻是并未接受過(guò)正規(guī)的分子生物學(xué)訓(xùn)練，主要研究領(lǐng)域?yàn)閯?dòng)物學(xué)和生物化學(xué)的尼倫伯格。

尼倫伯格于1927年4月10日出生于美國(guó)紐約市。他的本科以及研究生學(xué)習(xí)的方向是動(dòng)物學(xué)，而博士時(shí)期的研究領(lǐng)域又轉(zhuǎn)移到了生物化學(xué)。1959年，尼倫伯格加入NIH，對(duì)遺傳密碼產(chǎn)生巨大興趣，著手研究。同事紛紛勸他不要這樣做，對(duì)于一個(gè)缺乏分子遺傳學(xué)知識(shí)背景的生物化學(xué)家來(lái)說(shuō)，“轉(zhuǎn)行”分子生物學(xué)相當(dāng)于“學(xué)術(shù)自殺”。但是，尼倫伯格堅(jiān)定了自己的想法，曾經(jīng)在生物化學(xué)領(lǐng)域的研究也對(duì)他日后破譯遺傳密碼帶來(lái)了積極的影響：在選定研究對(duì)象時(shí)，尼倫伯格沿用生物化學(xué)的思路選定了大腸桿菌無(wú)細(xì)胞體系[5]。

信使核苷酸（mRNA）傳輸遺傳信息的理論是由克里克和布倫納提出的[6]，但卻是由尼倫伯格設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)而證明：在上述大腸桿菌無(wú)細(xì)胞體系中，通過(guò)一定方式破壞了細(xì)胞原有的DNA和RNA，在蛋白質(zhì)的合成基本停止后，再分別加入DNA和RNA，結(jié)果RNA可加快（或重啟）該體系中的蛋白蛋合成，而DNA卻不行。趁此實(shí)驗(yàn)充分證實(shí)了RNA直接指導(dǎo)了蛋白質(zhì)的合成，一定程度上也驗(yàn)證了克里克的狂想[5]。對(duì)于中學(xué)生而言，該實(shí)驗(yàn)也可使學(xué)生對(duì)控制變量法的理解更加深入：清空原有的DNA和RNA是排除無(wú)關(guān)變量，而分別加入DNA和RNA則是引入單一變量。此實(shí)驗(yàn)也為后來(lái)他與馬特伊破譯對(duì)應(yīng)苯丙氨酸的UUU密碼子提供了一個(gè)良好的思路開(kāi)端。

這一次，尼倫伯格和馬特伊不再采用T4噬菌體或大腸桿菌，而是創(chuàng)新性地運(yùn)用了蛋白質(zhì)的體外合成技術(shù)。他們?cè)谠嚬苤蟹謩e加入一種氨基酸，再加入去除了DNA和mRNA的細(xì)胞提取液來(lái)構(gòu)建氨基酸合成的環(huán)境，保證能量。在加入了不同氨基酸的試管中分別加入尿嘧啶核苷酸，發(fā)現(xiàn)在加入了苯丙氨酸的試管中出現(xiàn)了新生成了苯丙氨酸肽鏈，說(shuō)明了苯丙氨酸是由尿嘧啶堿基翻譯而來(lái)，從而破譯了第一個(gè)密碼子——苯丙氨酸的密碼子UUU。依次思路，全部密碼子依次被科學(xué)家所破譯[6]。

1968年，尼倫伯格因其在遺傳密碼及蛋白質(zhì)合成過(guò)程方面做出的貢獻(xiàn)，獲得了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。隨后，他選擇了去研究更有挑戰(zhàn)性的神經(jīng)生物學(xué)。2010年，尼倫伯格因神經(jīng)內(nèi)分泌腫瘤去世。他對(duì)分子生物學(xué)的顛覆性創(chuàng)造貢獻(xiàn)推動(dòng)了人類社會(huì)的進(jìn)步。他對(duì)科研極具創(chuàng)新的激情和熱情值得我們學(xué)習(xí)。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫詠萍.分子生物學(xué)中“遺傳密碼”概念在中國(guó)的傳播.內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報(bào)[J]，2017，46（4）：594-597.

[2] 劉亞光，方正之，姚文兵.遺傳密碼擴(kuò)充技術(shù)在蛋白質(zhì)研究中的應(yīng)用進(jìn)展.中國(guó)生化藥物雜志[J]，2011，32（4）328-331.

[3] 孫詠萍，郭世榮.克里克對(duì)遺傳密碼領(lǐng)域之貢獻(xiàn)的研究進(jìn)展.內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報(bào)[J]，2011，40（6）：637-642.

[4] 孫詠萍，郭世榮.重述克里克的密碼起源理論.內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報(bào)[J]，2015，44（5）：685-691.

[5] 郭曉強(qiáng).遺傳密碼之父——尼倫伯格.科學(xué)[J]，2011，63（3）：50-53.

[6] 葉梓.遺傳密碼破譯的歷程探析--兼評(píng)尼倫伯格對(duì)遺傳密碼研究的貢獻(xiàn).科技尚品[J]，2016，8（95）：222.