遺傳密碼破譯的歷程探析

葉梓

摘 要：早先人類一直不知道DNA中的遺傳信息是如何轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)的，這種情況即使持續(xù)到雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)和中心法則提出也沒有得到改觀。直到美國分子生物學(xué)家尼倫伯格首先破譯出了第一個遺傳密碼，才籍此揭開了遺傳密碼的神秘面紗。

關(guān)鍵詞：遺傳密碼；氨基酸序列；馬歇爾·尼倫伯格；美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）；萊德-尼倫伯格實(shí)驗(yàn)

1 前言

尼倫伯格在1927年4月1日出生，自小就對生物學(xué)有著非同尋常的熱愛，能經(jīng)常從自然中觀察并且發(fā)現(xiàn)問題。在密歇根大學(xué)獲得博士學(xué)位后，他因?qū)z傳密碼這一方面的濃厚興趣便一直在美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）研究蛋白質(zhì)合成的相關(guān)問題。1953年，DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)被英國的克里克和美國的沃森所發(fā)現(xiàn)，這奠定了DNA分子生物學(xué)研究的基礎(chǔ)，卻仍舊解釋不了人類對DNA發(fā)揮功能的機(jī)制的疑問。1958年，中心法則被克里克提出，闡述了 DNA的遺傳信息轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息的思想。在當(dāng)時，人們已知DNA的遺傳信息蘊(yùn)藏在4種堿基A、T、G、C的排列順序之中，而蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)信息則在20種氨基酸的排列順序中，這種對應(yīng)關(guān)系被稱為遺傳密碼，但其具體的對應(yīng)關(guān)系仍然是未知的，這是1950年代末分子生物學(xué)領(lǐng)域急需解決的重大問題之一。

2 遺傳密碼破譯及其在蛋白質(zhì)合成中的作用發(fā)現(xiàn)歷程

1959年，三聯(lián)體密碼在理論上被克里克和布倫納確立，他們提出信使核糖核酸（mRNA）傳輸信息的理論，此理論又在 1961被一個實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。但是這64個密碼子分別蘊(yùn)含著怎樣的意義？哪些對應(yīng)著相應(yīng)的氮基酸？應(yīng)該如何破解？諸多問題仍然困擾著當(dāng)時的人類。

同樣是在1959年，尼倫伯格對遺傳密碼這個問題產(chǎn)生了濃厚的興趣。他想知道RNA是否是DNA與蛋白質(zhì)之間的信使，但他未受過正規(guī)的分子遺傳學(xué)訓(xùn)練，只是業(yè)余時間學(xué)習(xí)了少許相關(guān)知識。因此，他開始請教周圍有相關(guān)研究背景的同事。但同事們卻都勸他放棄，他們認(rèn)為尼倫伯格從事一個全新領(lǐng)域是一種十分不智的行為，相當(dāng)于是 “學(xué)術(shù)自殺”。但尼倫伯格沒有放棄他的研究，尤其是1960年擅長研究的馬特伊的到來更是加速了他的研究進(jìn)程。

1961年5月的某天晚上，按照尼倫伯格的想法，馬特伊利用放射性進(jìn)行了著名的尼倫伯格-馬特伊實(shí)驗(yàn)，并通過這個實(shí)驗(yàn)確定了UUU代表苯丙氨酸的遺傳密碼。他們也因此確定了信使RNA（mRNA）的存在并破解出了首個遺傳密碼。此外，同年8月的國際生物化學(xué)大會，他的論文在科學(xué)界以及大眾媒體上引發(fā)的轟動更讓尼倫伯格堅(jiān)定了全面破譯遺傳密碼的決心。

1963年，醫(yī)學(xué)博士萊德加入了尼倫伯格的團(tuán)隊(duì)，他根據(jù)當(dāng)時已發(fā)現(xiàn)了的三種RNA，及它們在蛋白質(zhì)翻譯過程中的作用開發(fā)出了萊德-尼倫伯格實(shí)驗(yàn)即三聯(lián)體-核糖體結(jié)合實(shí)驗(yàn)。利用這種實(shí)驗(yàn)，尼倫伯格的研究小組迅速破譯了所有20種氨基酸的遺傳密碼，與此同時威斯康星大學(xué)生物化學(xué)家哈爾·柯拉納也用其他方法獲得了和尼倫伯格一致的結(jié)果，進(jìn)一步證明了結(jié)果的可靠性。到了1966年，人們用破譯出的64種遺傳密碼建立了第一張遺傳密碼表，同時密碼的通用性也被尼倫伯格團(tuán)隊(duì)所發(fā)現(xiàn)。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)具有十分重要的哲學(xué)意義，它意味著地球上所有生命形式都使用相同的語言，隨后對其廣泛的研究更是進(jìn)一步證實(shí)了這個結(jié)論。

3 遺傳密碼之父尼倫伯格在遺傳密碼研究的貢獻(xiàn)

1968年，尼倫伯格因?yàn)閷z傳密碼及其在蛋白質(zhì)合成過程方面做出的突出貢獻(xiàn)與霍利、科拉納獲得了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎，他多年研究遺傳密碼的努力自此也終于得到了認(rèn)可。之后，遺傳密碼破譯項(xiàng)目的完成也使得尼倫伯格去選擇了更有挑戰(zhàn)性的神經(jīng)生物學(xué)。就在他最初撰寫諾貝爾獎頒獎典禮的演講稿時，也曾考慮將遺傳密碼和神經(jīng)密碼類比的內(nèi)容寫入，雖然后來考慮到嚴(yán)謹(jǐn)性刪除了這些材料。但他對神經(jīng)細(xì)胞瘤十幾年的研究，也為他自己在生物化學(xué)和分子生物學(xué)方面積累了更多的寶貴經(jīng)驗(yàn)。

尼倫伯格先后獲得過哈佛大學(xué)、密歇根大學(xué)和芝加哥大學(xué)等多所大學(xué)的榮譽(yù)博士學(xué)位，同時還是美國科學(xué)院院士以及美國藝術(shù)與科學(xué)院院士，除諾貝爾獎外，他還獲得過許多重大的科學(xué)獎項(xiàng)，如美國科學(xué)院分子生物學(xué)獎（1962年）、美國國家科學(xué)獎?wù)拢?965年）、蓋爾德納基金會國際獎（1967年）、富蘭克林獎?wù)拢?968年）、霍維茨獎（1968年）和拉斯克基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)獎（1968年）等。尼倫伯格還意識到自己科研工作的廣泛社會影響力，他認(rèn)為公眾需要知道并理解這些科學(xué)進(jìn)展，以更好地決定如何正確運(yùn)用知識，因此他也一直致力于宣傳科學(xué)。由于他的知名度并不高，他也總被稱為被遺忘的“遺傳密碼之父”，這與他淡泊名利性格以及他所研究的方向太過深奧是不無關(guān)系的。但是他本身就是一個不在乎榮譽(yù)的人，NIH主任科林斯稱尼倫伯格為“科學(xué)巨人之一”。萊德說他“對科研總是充滿激情和熱情，每兩到三分鐘就會出現(xiàn)一個新思想”。2010年1月15日，對生物學(xué)的發(fā)展和人類社會的進(jìn)步做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)的尼倫伯格由于一種罕見的神經(jīng)內(nèi)分泌腫瘤而在曼哈頓家中去世了，享年82歲。

4 結(jié)語

當(dāng)前，遺傳密碼子的起源進(jìn)化及擴(kuò)張領(lǐng)域已經(jīng)成為了遺傳密碼子新的研究重心并且成為當(dāng)今基因組學(xué)研究的熱點(diǎn)命題之一。此外，無義密碼子的再定義及遺傳密碼的擴(kuò)張等研究也使遺傳密碼子的科學(xué)內(nèi)涵更加豐富，使得生命學(xué)研究得到了進(jìn)一步的發(fā)展。相信隨著遺傳密碼研究信息的不斷積累，其在基因組學(xué)、醫(yī)學(xué)等研究領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值將會越來越明朗。

參考文獻(xiàn)

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[3]劉慶坡.遺傳密碼子及其應(yīng)用[J].中國生物化學(xué)與分子生物學(xué)報(bào)，2006，（11）：851-855.

（作者單位：河南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院）