DNA、RNA與蛋白質(zhì)到底是什么關(guān)系？

南方周末特約撰稿　湯波

遺傳密碼與氨基酸的對應(yīng)關(guān)系，每三個核苷酸組合對應(yīng)一個氨基酸。

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。

★在RNA病毒以及mRNA疫苗備受關(guān)注的今天，了解一下那個時代的頂尖科學(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，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，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。后來美國兩位年輕的工程師阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜觀測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。遺憾的是，此時伽莫夫已過世10年。

不過，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部都是科普圖書，包括《物理世界奇遇記》和《從一到無窮大》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“遺傳密碼本”這個概念，但是包括薛定諤本人，當(dāng)時很少有科學(xué)家關(guān)注DNA與蛋白質(zhì)的對應(yīng)關(guān)系。讀過沃森和克里克發(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)家化繁為簡的直覺，大膽斷定組成蛋白質(zhì)的氨基酸只有20種，并推測DNA鏈相連的3個核苷酸（三聯(lián)體）編碼一種氨基酸，因為如果是1個核苷酸對應(yīng)一種氨基酸，則只能編碼4種氨基酸，如果相連的2個核苷酸對應(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個核苷酸組合對應(yīng)一種氨基酸，則會出現(xiàn)44個四聯(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個核苷酸對應(yīng)一種氨基酸，則只有64個三聯(lián)體組合，更接近20種氨基酸。1954年10月，伽莫夫?qū)⒆约旱囊娊獍l(fā)表在《自然》雜志上，在文章中他提出每4個核苷酸形成一個空穴，氨基酸鑲嵌其中，就像“鑰匙和鎖”一樣。同時，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，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RNA領(lǐng)帶俱樂部，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。在這個俱樂部里，科學(xué)家們經(jīng)常就各自尚未公開發(fā)表的觀點或研究內(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年向俱樂部提交了一篇論文手稿。克里克肯定了伽莫夫關(guān)于三聯(lián)體密碼子和多個密碼子編碼同一種氨基酸等理論貢獻(xiàn)，同時指出DNA的密碼子并非與蛋白質(zhì)的氨基酸直接對應(yīng)，而是需要有中間物質(zhì)RNA的幫助。

中心法則

沃森這時早已認(rèn)識到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)向他博士后時的研究對象——病毒RNA。沃森在1953年就提出，DNA必須先將信息傳遞給RNA，通過RNA才能指導(dǎo)合成蛋白質(zhì)，因為DNA在細(xì)胞核中，而蛋白質(zhì)合成的場所是細(xì)胞質(zhì)中的核糖體。沃森和克里克都意識到這種RNA就像“信使”，專門用來傳遞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，每個核糖體以rRNA為模板合成一種蛋白質(zhì)，但是這與當(dāng)時的一些科學(xué)發(fā)現(xiàn)相矛盾，因為不管是什么細(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，來自法國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）通過乳糖操縱子實驗，推測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，大腸桿菌需要在體內(nèi)合成β-半乳糖苷酶來分解乳糖，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，因為缺乏β-半乳糖苷酶而無法分解乳糖，這種突變體無法在含有乳糖的培養(yǎng)基中生長，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。帕迪等人推測，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，但是他們還說不清這種信使分子是什么。

在英國劍橋大學(xué)國王學(xué)院舉行的一次小型研討會上，當(dāng)克里克看到帕迪等人的研究報告時，興奮不已，馬上意識到信使RNA并非核糖體RNA?？死锟说耐录婧献骰锇椤⒛戏巧飳W(xué)家悉尼·布倫納（Sydney Brenner）也參加了這次會議，決定分離出這種信使RNA。1961年，布倫納與雅各布及來自加州理工學(xué)院的馬修·梅塞爾森（Matthew Meselson）合作，經(jīng)過反復(fù)實驗，最終捕獲到了這種稍瞬即逝的信使分子，原來是一條與DNA互補的RNA分子，被稱為信使RNA。

這時候，克里克意識到，細(xì)胞核中的DNA遺傳信息有兩個流向，一個是DNA的自我復(fù)制，即細(xì)胞在一分為二的分裂過程中，會將雙鏈DNA打開形成單鏈DNA，再以每條DNA單鏈為模板，復(fù)制另一條互補的DNA單鏈，形成兩條新的雙鏈DNA，各自隨機(jī)進(jìn)入一個子代細(xì)胞，每條雙鏈DNA都含有一條原有的DNA單鏈。另一個流向則是DNA指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的過程，即信使RNA將DNA的遺傳信息刻錄下來，從細(xì)胞核轉(zhuǎn)運至細(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鏈，最終形成獨特的空間結(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），再從RNA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，后來其他科學(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)帶俱樂部提交的論文中，提出了一種連接體假說，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，一端可以識別信使RNA上的遺傳密碼，另一端則用來結(jié)合對應(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，每個三聯(lián)體依次排列、不重疊，遺傳密碼是從固定起始位點開始讀取，而且多個三聯(lián)體可以對應(yīng)同一種氨基酸。這時，克里克無疑已經(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猶太家庭，從小就對生物學(xué)感興趣，1952年在佛羅里達(dá)大學(xué)獲得動物學(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)入美國國立衛(wèi)生研究院從事博士后研究，并于1959年正式進(jìn)入美國國立衛(wèi)生研究院工作，直到2010年1月過世。

1959年之前，尼倫伯格主要研究糖分子如何在體內(nèi)運輸和代謝，以及酶的純化等工作，基本沒有基因調(diào)控和蛋白合成方面的經(jīng)驗，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，突然對分子遺傳學(xué)產(chǎn)生極大興趣，經(jīng)過一番深思熟慮之后，決定加入到破解遺傳密碼的研究隊伍中，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，有同事告誡他說，一個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，這是非常冒險的一個決定，面臨世界各國優(yōu)秀科學(xué)家的激烈競爭，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，尼倫伯格偶然注意到哈佛大學(xué)兩位科學(xué)家發(fā)明了一種無細(xì)胞蛋白合成系統(tǒng)，這讓他喜出望外。無細(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。

尼倫伯格計劃用兩年時間建立這一系統(tǒng)，因為這一實驗過程非常繁瑣，需要開展大量實驗摸索條件，而且只有他一個人，什么都需要從頭學(xué)起。大約經(jīng)過一年半的努力，尼倫伯格終于將這一系統(tǒng)初步建立起來，這時候來自德國的博士后海因里?！ゑR特伊（Heinrich Mat-thaei）加入到尼倫伯格的實驗室。馬特伊原本主要從事植物學(xué)研究，有同位素研究經(jīng)驗，也對在試管內(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…）加入到無細(xì)胞蛋白合成系統(tǒng)的20個試管中，同時向每個試管中加入所有的20種氨基酸，每個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，是因為尿苷酸是RNA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)只有一個試管中合成了多肽鏈，而這個試管中加入了標(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，見證了這一重要時刻。師徒二人發(fā)現(xiàn)，要合成這個苯丙氨酸多肽鏈，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，尼倫伯格和馬特伊似乎并沒有意識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、名不見經(jīng)傳的雜志《生物化學(xué)和生物物理研究通訊》上，沒有引起太多關(guān)注，而且他們也沒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個月后，尼倫伯格參加了在莫斯科舉辦的第五屆國際生物化學(xué)大會，在一個分會場向大約35位參會的科學(xué)家報告了他們師徒的研究成果，他幾乎不認(rèn)識參會的這些科學(xué)家，其他人也大多不認(rèn)識他。幸運的是，這個會場的主持人正是弗朗西斯·克里克。聽完尼倫伯格的報告，克里克難掩激動，他邀請尼倫伯格第二天在更大型的研討會上重復(fù)他的報告，這次引起了轟動。尼倫伯格對這一場景記憶深刻，他后來回憶說，“真是難以置信！　大家都為我起立鼓掌，之后5年，大家簡直把我當(dāng)成了科學(xué)搖滾巨星”。同月，他的這項研究成果重新發(fā)表在影響力更大的雜志《美國科學(xué)院院刊》上。的確，尼倫伯格憑借自己的膽識和努力，從一名蛋白質(zhì)合成領(lǐng)域的門外漢，變成了萬眾矚目的偉大科學(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，得到與會者的贊同。就這樣，第一個密碼子正式誕生了。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有這么容易，不過通過不斷的技術(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，出生于英屬印度旁遮普省（現(xiàn)今巴基斯坦）的美國生物學(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有效的途徑。后來這一方法也被用于合成第一個人工基因，并首次在大腸桿菌中實現(xiàn)了表達(dá)，從而開啟了基因工程技術(shù)的新時代。

1965年，美國生化學(xué)家羅伯特·霍利（Robert Holley）解析了轉(zhuǎn)運RNA的一級結(jié)構(gòu)和二級結(jié)構(gòu)，證明克里克所推測的“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、霍拉納和霍利因為“破解遺傳密碼及其在蛋白質(zhì)合成上的作用”，一起分享了當(dāng)年的諾貝爾獎生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。

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。