南方周末特約撰稿 湯波
遺傳密碼與氨基酸的對(duì)應(yīng)關(guān)系,每三個(gè)核苷酸組合對(duì)應(yīng)一個(gè)氨基酸。
1968年,羅伯特·霍利(Robert?Holley)、馬歇爾·尼倫伯格(Marshall?Niren-berg)和哈爾·葛賓·霍拉納(Har?Gobind?Khorana)獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。
★在RNA病毒以及mRNA疫苗備受關(guān)注的今天,了解一下那個(gè)時(shí)代的頂尖科學(xué)家是如何厘清DNA與RNA以及蛋白質(zhì)之間的復(fù)雜關(guān)系是很有必要的。
1953年DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)公布不久,著名的俄羅斯裔美國(guó)物理學(xué)家喬治·伽莫夫(George Gamow)將一份手稿交到DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)之一的弗朗西斯·克里克(Fran-cis Crick)的手中,他在手稿中首次提出了DNA的A、T、C、G這4種堿基與蛋白質(zhì)的20種氨基酸的對(duì)應(yīng)關(guān)系,給了克里克很大的啟發(fā)。
物理學(xué)家加盟
喬治·伽莫夫1904年出生于俄國(guó),畢業(yè)于列寧格勒大學(xué),28歲就入選了蘇聯(lián)科學(xué)院院士,成為最年輕的院士。1934年伽莫夫移居美國(guó),在喬治·華盛頓大學(xué)等學(xué)校擔(dān)任物理學(xué)教授。伽莫夫的研究領(lǐng)域極廣,包括原子衰變、宇宙起源和遺傳密碼等,在這些領(lǐng)域提出了一系列開創(chuàng)性的理論,如倡導(dǎo)和發(fā)展了宇宙大爆炸理論,并預(yù)言了宇宙微波背景輻射。后來(lái)美國(guó)兩位年輕的工程師阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜觀測(cè)到這種源自宇宙起源之初的輻射,1978年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。遺憾的是,此時(shí)伽莫夫已過(guò)世10年。
不過(guò),伽莫夫最為世人所熟知的,是他在科普領(lǐng)域的成就。伽莫夫一生共出版了25部著作,其中18部都是科普?qǐng)D書,包括《物理世界奇遇記》和《從一到無(wú)窮大》等。至今,這些通俗易懂、風(fēng)趣幽默的科普名著仍然在全世界范圍內(nèi)暢銷,影響了一代又一代的年輕人。
雖然1944年薛定諤在《生命是什么》一書中提到過(guò)“遺傳密碼本”這個(gè)概念,但是包括薛定諤本人,當(dāng)時(shí)很少有科學(xué)家關(guān)注DNA與蛋白質(zhì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。讀過(guò)沃森和克里克發(fā)表在《自然》雜志的文章之后,伽莫夫?qū)⒛抗鈴淖约荷瞄L(zhǎng)的量子力學(xué)和宇宙學(xué)研究領(lǐng)域轉(zhuǎn)向生命的遺傳密碼,開始思考DNA與蛋白質(zhì)到底有什么關(guān)系。
伽莫夫以一名理論物理學(xué)家化繁為簡(jiǎn)的直覺(jué),大膽斷定組成蛋白質(zhì)的氨基酸只有20種,并推測(cè)DNA鏈相連的3個(gè)核苷酸(三聯(lián)體)編碼一種氨基酸,因?yàn)槿绻?個(gè)核苷酸對(duì)應(yīng)一種氨基酸,則只能編碼4種氨基酸,如果相連的2個(gè)核苷酸對(duì)應(yīng)一種氨基酸,也只能編碼16種氨基酸,都少于組成蛋白質(zhì)的20種氨基酸,如果相連的4個(gè)核苷酸組合對(duì)應(yīng)一種氨基酸,則會(huì)出現(xiàn)44個(gè)四聯(lián)體核苷酸組合,即編碼256種氨基酸,又遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于已知的氨基酸數(shù),只有當(dāng)相連的3個(gè)核苷酸對(duì)應(yīng)一種氨基酸,則只有64個(gè)三聯(lián)體組合,更接近20種氨基酸。1954年10月,伽莫夫?qū)⒆约旱囊?jiàn)解發(fā)表在《自然》雜志上,在文章中他提出每4個(gè)核苷酸形成一個(gè)空穴,氨基酸鑲嵌其中,就像“鑰匙和鎖”一樣。同時(shí),他將文章副本給了克里克,激起了克里克研究遺傳密碼的興趣。
此時(shí),伽莫夫和另一位DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)者之一的詹姆斯·沃森(James Watson)發(fā)起成立了一個(gè)RNA領(lǐng)帶俱樂(lè)部,成員包括20位著名的科學(xué)家,每人代表一種氨基酸,并佩戴一個(gè)專屬領(lǐng)帶。其中伽莫夫代表丙氨酸,沃森代表脯氨酸,克拉克代表酪氨酸,發(fā)現(xiàn)DNA堿基組成的歐文·查伽夫代表賴氨酸。在這個(gè)俱樂(lè)部里,科學(xué)家們經(jīng)常就各自尚未公開發(fā)表的觀點(diǎn)或研究?jī)?nèi)容進(jìn)行討論。受到伽莫夫的啟發(fā),克里克開始認(rèn)真研究遺傳密碼,并在1955年向俱樂(lè)部提交了一篇論文手稿??死锟丝隙速つ蜿P(guān)于三聯(lián)體密碼子和多個(gè)密碼子編碼同一種氨基酸等理論貢獻(xiàn),同時(shí)指出DNA的密碼子并非與蛋白質(zhì)的氨基酸直接對(duì)應(yīng),而是需要有中間物質(zhì)RNA的幫助。
中心法則
沃森這時(shí)早已認(rèn)識(shí)到RNA在蛋白質(zhì)合成中所起的重要作用,并將研究重心重新轉(zhuǎn)向他博士后時(shí)的研究對(duì)象——病毒RNA。沃森在1953年就提出,DNA必須先將信息傳遞給RNA,通過(guò)RNA才能指導(dǎo)合成蛋白質(zhì),因?yàn)镈NA在細(xì)胞核中,而蛋白質(zhì)合成的場(chǎng)所是細(xì)胞質(zhì)中的核糖體。沃森和克里克都意識(shí)到這種RNA就像“信使”,專門用來(lái)傳遞DNA上的遺傳信息,這種信使具體是什么樣的RNA呢?
剛開始,克里克并不確定信使RNA是什么,他還一度認(rèn)為核糖體RNA(rRNA)就是信使RNA,每個(gè)核糖體以rRNA為模板合成一種蛋白質(zhì),但是這與當(dāng)時(shí)的一些科學(xué)發(fā)現(xiàn)相矛盾,因?yàn)椴还苁鞘裁醇?xì)胞,rRNA的序列基本都是一樣的,卻能合成氨基酸序列完全不同的蛋白質(zhì)。
1959年,來(lái)自法國(guó)巴斯德研究所的亞瑟·帕迪(Arthur Pardee)、弗朗索瓦·雅各布(Francois Jacob)和雅克·莫諾(Jacques Monod)通過(guò)乳糖操縱子實(shí)驗(yàn),推測(cè)可能存在一種容易降解、不穩(wěn)定的信使分子。一般情況下,大腸桿菌需要在含有乳糖的培養(yǎng)基中生長(zhǎng),大腸桿菌需要在體內(nèi)合成β-半乳糖苷酶來(lái)分解乳糖,以獲得能量。帕迪等人發(fā)現(xiàn)了一種β-半乳糖苷酶基因突變的大腸桿菌,因?yàn)槿狈Ζ?半乳糖苷酶而無(wú)法分解乳糖,這種突變體無(wú)法在含有乳糖的培養(yǎng)基中生長(zhǎng),但是如果將正常的β-半乳糖苷酶基因加入到培養(yǎng)基中,這些突變的大腸桿菌幾分鐘內(nèi)又能合成大量的β-半乳糖苷酶,并在乳糖培養(yǎng)基中開始生長(zhǎng)。帕迪等人推測(cè),正常的β-半乳糖苷酶基因的加入并不能產(chǎn)生新的核糖體RNA,必然存在一種可以迅速分解的信使分子,β-半乳糖苷酶才得以合成,但是他們還說(shuō)不清這種信使分子是什么。
在英國(guó)劍橋大學(xué)國(guó)王學(xué)院舉行的一次小型研討會(huì)上,當(dāng)克里克看到帕迪等人的研究報(bào)告時(shí),興奮不已,馬上意識(shí)到信使RNA并非核糖體RNA??死锟说耐录婧献骰锇?、南非生物學(xué)家悉尼·布倫納(Sydney Brenner)也參加了這次會(huì)議,決定分離出這種信使RNA。1961年,布倫納與雅各布及來(lái)自加州理工學(xué)院的馬修·梅塞爾森(Matthew Meselson)合作,經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn),最終捕獲到了這種稍瞬即逝的信使分子,原來(lái)是一條與DNA互補(bǔ)的RNA分子,被稱為信使RNA。
這時(shí)候,克里克意識(shí)到,細(xì)胞核中的DNA遺傳信息有兩個(gè)流向,一個(gè)是DNA的自我復(fù)制,即細(xì)胞在一分為二的分裂過(guò)程中,會(huì)將雙鏈DNA打開形成單鏈DNA,再以每條DNA單鏈為模板,復(fù)制另一條互補(bǔ)的DNA單鏈,形成兩條新的雙鏈DNA,各自隨機(jī)進(jìn)入一個(gè)子代細(xì)胞,每條雙鏈DNA都含有一條原有的DNA單鏈。另一個(gè)流向則是DNA指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的過(guò)程,即信使RNA將DNA的遺傳信息刻錄下來(lái),從細(xì)胞核轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞質(zhì)中的核糖體,核糖體再以信使RNA為模板,將各種氨基酸按順序組裝成長(zhǎng)鏈,最終形成獨(dú)特的空間結(jié)構(gòu),即蛋白質(zhì)。
這正是克里克1958年提出的一項(xiàng)影響深遠(yuǎn)的遺傳信息傳遞規(guī)律——中心法則的主要內(nèi)容,即遺傳信息從DNA傳遞給RNA(轉(zhuǎn)錄),再?gòu)腞NA傳遞給蛋白質(zhì)(翻譯),還包括DNA的自我復(fù)制,并指出“信息一旦傳遞給了蛋白質(zhì)就不能再傳出”。不過(guò),后來(lái)其他科學(xué)家又相繼發(fā)現(xiàn),不僅DNA可以自我復(fù)制,有些RNA也可以自我復(fù)制,而且在逆轉(zhuǎn)錄酶的作用下,RNA還可以逆向轉(zhuǎn)錄成DNA。1970年,克里克根據(jù)這些新的發(fā)現(xiàn),對(duì)中心法則進(jìn)行了修正,之后一直沿用至今。
但是,游蕩在細(xì)胞質(zhì)中的各種氨基酸如何有序地集中到核糖體進(jìn)行組裝的呢?
早在1955年,克里克在他向RNA領(lǐng)帶俱樂(lè)部提交的論文中,提出了一種連接體假說(shuō),即細(xì)胞質(zhì)中存在一種連接氨基酸和RNA模板的連接體,主要功能是在細(xì)胞質(zhì)中尋找并抓取氨基酸,并將這些氨基酸運(yùn)送到核糖體進(jìn)行組裝。不久,其他科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的確存在一種具有連接體功能的RNA,即轉(zhuǎn)運(yùn)RNA,以十字“發(fā)卡”結(jié)構(gòu)形式在細(xì)胞質(zhì)中游弋,一端可以識(shí)別信使RNA上的遺傳密碼,另一端則用來(lái)結(jié)合對(duì)應(yīng)的氨基酸,這一發(fā)現(xiàn)反映出克里克超人的智慧和洞察力。
在1961年12月發(fā)表于《自然》雜志上的一篇論文中,克里克總結(jié)道:遺傳密碼是由三聯(lián)體堿基構(gòu)成,每個(gè)三聯(lián)體依次排列、不重疊,遺傳密碼是從固定起始位點(diǎn)開始讀取,而且多個(gè)三聯(lián)體可以對(duì)應(yīng)同一種氨基酸。這時(shí),克里克無(wú)疑已經(jīng)成為遺傳密碼研究領(lǐng)域最活躍的科學(xué)家,他的研究熱情也感召了很多年輕科學(xué)家投身到遺傳密碼的破譯工作中,馬歇爾·尼倫伯格(Marshall Nirenberg)正是其中的佼佼者。
破解遺傳密碼
尼倫伯格1927年4月出生于紐約市的一個(gè)猶太家庭,從小就對(duì)生物學(xué)感興趣,1952年在佛羅里達(dá)大學(xué)獲得動(dòng)物學(xué)碩士學(xué)位,之后轉(zhuǎn)到生物化學(xué)專業(yè),于1957年獲得密歇根大學(xué)的博士學(xué)位。同一年,尼倫伯格進(jìn)入美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院從事博士后研究,并于1959年正式進(jìn)入美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院工作,直到2010年1月過(guò)世。
1959年之前,尼倫伯格主要研究糖分子如何在體內(nèi)運(yùn)輸和代謝,以及酶的純化等工作,基本沒(méi)有基因調(diào)控和蛋白合成方面的經(jīng)驗(yàn),但是當(dāng)他看到帕迪、雅各布和莫諾的乳糖操縱子研究成果之后,突然對(duì)分子遺傳學(xué)產(chǎn)生極大興趣,經(jīng)過(guò)一番深思熟慮之后,決定加入到破解遺傳密碼的研究隊(duì)伍中,他認(rèn)為這是“生物化學(xué)最令人興奮的研究領(lǐng)域之一”。當(dāng)他把這一決定告訴同事時(shí),有同事告誡他說(shuō),一個(gè)新入職的研究人員需要盡快做出研究成果,以保住飯碗,貿(mào)然進(jìn)入自己不熟悉的領(lǐng)域,一旦不能有所建樹,有可能很快被研究所解聘,要找到新的研究職位,那就更難了。尼倫伯格自己也清楚,這是非常冒險(xiǎn)的一個(gè)決定,面臨世界各國(guó)優(yōu)秀科學(xué)家的激烈競(jìng)爭(zhēng),自己也害怕失敗,但是探索未知世界、取得非凡突破的愿望占了上風(fēng)。
很快,尼倫伯格單槍匹馬地投入到了研究工作中。他首先試圖重復(fù)帕迪、雅各布和莫諾的方法,但是效果并不理想。這時(shí),尼倫伯格偶然注意到哈佛大學(xué)兩位科學(xué)家發(fā)明了一種無(wú)細(xì)胞蛋白合成系統(tǒng),這讓他喜出望外。無(wú)細(xì)胞蛋白合成系統(tǒng)是用酶將細(xì)菌的細(xì)胞壁破壞,保留細(xì)菌的其他成分,通過(guò)添加有碳-14同位素標(biāo)記的氨基酸,可以在體外觀察蛋白質(zhì)是如何合成的。尼倫伯格敏銳地意識(shí)到這種方法在遺傳密碼研究中的重要用途,他設(shè)想,如果將內(nèi)源的DNA或RNA破壞掉,再加入一些已知序列的外源DNA或RNA片段,就可能觀察到這些DNA和RNA在蛋白質(zhì)合成中的作用。
尼倫伯格計(jì)劃用兩年時(shí)間建立這一系統(tǒng),因?yàn)檫@一實(shí)驗(yàn)過(guò)程非常繁瑣,需要開展大量實(shí)驗(yàn)摸索條件,而且只有他一個(gè)人,什么都需要從頭學(xué)起。大約經(jīng)過(guò)一年半的努力,尼倫伯格終于將這一系統(tǒng)初步建立起來(lái),這時(shí)候來(lái)自德國(guó)的博士后海因里?!ゑR特伊(Heinrich Mat-thaei)加入到尼倫伯格的實(shí)驗(yàn)室。馬特伊原本主要從事植物學(xué)研究,有同位素研究經(jīng)驗(yàn),也對(duì)在試管內(nèi)進(jìn)行蛋白質(zhì)合成的研究非常感興趣,于是找到尼倫伯格。孤軍奮戰(zhàn)的尼倫伯格當(dāng)然非常樂(lè)意,很快組建了師徒二人組。
1961年初,尼倫伯格讓馬特伊將一段多聚尿苷酸(…UUUUUU…)加入到無(wú)細(xì)胞蛋白合成系統(tǒng)的20個(gè)試管中,同時(shí)向每個(gè)試管中加入所有的20種氨基酸,每個(gè)試管中分別有一種氨基酸用碳-14同位素標(biāo)記。他們要看看到底能合成什么樣的多肽鏈。之所以選擇尿苷酸,是因?yàn)槟蜍账崾荝NA特有的核苷酸,這樣可以區(qū)別到底是DNA還是RNA直接指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成。
有一天,馬特伊興奮地給正在外地出差的尼倫伯格打電話,他發(fā)現(xiàn)只有一個(gè)試管中合成了多肽鏈,而這個(gè)試管中加入了標(biāo)記有碳-14同位素的苯丙氨酸。尼倫伯格聽完馬特伊的電話后喜出望外,提前趕了回來(lái),見(jiàn)證了這一重要時(shí)刻。師徒二人發(fā)現(xiàn),要合成這個(gè)苯丙氨酸多肽鏈,多聚尿苷酸RNA鏈和核糖體RNA缺一不可,DNA酶不能影響這一系統(tǒng)中多肽鏈的合成,加入RNA酶后,蛋白合成即告終止,這進(jìn)一步證明信使RNA的存在。不過(guò),尼倫伯格和馬特伊似乎并沒(méi)有意識(shí)到自己研究成果的重大意義。1961年5月,他們將主要研究成果提前發(fā)表在一本剛剛創(chuàng)刊不久、名不見(jiàn)經(jīng)傳的雜志《生物化學(xué)和生物物理研究通訊》上,沒(méi)有引起太多關(guān)注,而且他們也沒(méi)有在論文中提及該研究最關(guān)鍵的發(fā)現(xiàn)——多聚尿苷酸RNA鏈可能攜帶編碼苯丙氨酸的遺傳密碼。
3個(gè)月后,尼倫伯格參加了在莫斯科舉辦的第五屆國(guó)際生物化學(xué)大會(huì),在一個(gè)分會(huì)場(chǎng)向大約35位參會(huì)的科學(xué)家報(bào)告了他們師徒的研究成果,他幾乎不認(rèn)識(shí)參會(huì)的這些科學(xué)家,其他人也大多不認(rèn)識(shí)他。幸運(yùn)的是,這個(gè)會(huì)場(chǎng)的主持人正是弗朗西斯·克里克。聽完尼倫伯格的報(bào)告,克里克難掩激動(dòng),他邀請(qǐng)尼倫伯格第二天在更大型的研討會(huì)上重復(fù)他的報(bào)告,這次引起了轟動(dòng)。尼倫伯格對(duì)這一場(chǎng)景記憶深刻,他后來(lái)回憶說(shuō),“真是難以置信! 大家都為我起立鼓掌,之后5年,大家簡(jiǎn)直把我當(dāng)成了科學(xué)搖滾巨星”。同月,他的這項(xiàng)研究成果重新發(fā)表在影響力更大的雜志《美國(guó)科學(xué)院院刊》上。的確,尼倫伯格憑借自己的膽識(shí)和努力,從一名蛋白質(zhì)合成領(lǐng)域的門外漢,變成了萬(wàn)眾矚目的偉大科學(xué)家,在基因世界里留下了濃墨重彩的一筆。
克里克結(jié)合尼倫伯格和自己的研究,推斷三聯(lián)體“UUU”就是編碼苯丙氨酸的密碼子,得到與會(huì)者的贊同。就這樣,第一個(gè)密碼子正式誕生了。在克里克的啟發(fā)下,尼倫伯格希望破解其他63種氨基酸的密碼子,吸引一大批年輕人參加其中,最多時(shí)有20人。很快,尼倫伯格按照之前的方法,破譯了三聯(lián)體“AAA”“CCC”和“GGG”分別編碼賴氨酸、脯氨酸和甘氨酸。其他氨基酸的破譯則沒(méi)有這么容易,不過(guò)通過(guò)不斷的技術(shù)改進(jìn),到1966年,其他氨基酸的密碼子也相繼被破解,包括3個(gè)不編碼任何氨基酸的終止密碼子。
值得一提的是,受到尼倫伯格研究的激勵(lì),出生于英屬印度旁遮普?。ìF(xiàn)今巴基斯坦)的美國(guó)生物學(xué)家哈爾·葛賓·霍拉納(Har Gobind Khorana)發(fā)明了一種化學(xué)合成的方法,為破解遺傳密碼提供另一個(gè)有效的途徑。后來(lái)這一方法也被用于合成第一個(gè)人工基因,并首次在大腸桿菌中實(shí)現(xiàn)了表達(dá),從而開啟了基因工程技術(shù)的新時(shí)代。
1965年,美國(guó)生化學(xué)家羅伯特·霍利(Robert Holley)解析了轉(zhuǎn)運(yùn)RNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)和二級(jí)結(jié)構(gòu),證明克里克所推測(cè)的“連接體”在蛋白質(zhì)合成中發(fā)揮著重要作用。3年后,尼倫伯格、霍拉納和霍利因?yàn)椤捌平膺z傳密碼及其在蛋白質(zhì)合成上的作用”,一起分享了當(dāng)年的諾貝爾獎(jiǎng)生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。
至此,信使RNA的遺傳密碼已被全部破解,但是生命密碼的破解還只是剛剛開始。生命如何從結(jié)構(gòu)單一的、呈線性排列的DNA開始,借助信使RNA和其他RNA的幫助,合成出結(jié)構(gòu)和功能各異的蛋白質(zhì),演化出繽紛復(fù)雜的生命世界? 我們能否改變這些生命密碼,修正人類的遺傳病基因,甚至創(chuàng)造出新的生命?這些問(wèn)題的答案已初現(xiàn)端倪,但是未解的生命之謎仍然很多,吸引著一批又一批的科學(xué)家前仆后繼。