三联体密码子的确认历程

 

作者：朱冬娟 徐宏伟

摘要：通过查阅原文文献、科学史书籍等,对遗传密码子的探究过程进行梳理,以期使学生明了三联体密码子的探究过程是众多科学家共同协作、不断证伪的过程,理解科学探究历程的艰辛与曲折,明确团队协作在科学探究中的重要性,以此发展学生的科学思维、社会责任等生物学学科核心素养。

作者简介：徐宏伟(1983—),男,大学本科学历,高级教师,E-mail:85989964@qq.com;

三联体密码子是《普通高中生物学课程标准(2017年版2020年修订)》(以下简称“课程标准”)必修模块大概念3下的次位概念3.1.4:“概述DNA分子上的遗传信息通过RNA指导蛋白质的合成……”中的一个基本概念。依据课程标准实施建议(一)教学与评价建议对科学史的要求,笔者通过查阅原文文献、科学史书籍等,对三联体密码子的确认过程进行梳理,帮助学生了解相关科学结论的得出过程,感受科学探究历程的艰辛与曲折,理解团队协作、研究思路与方法等在科学探究过程中的重要性,培养科学思维、社会责任等生物学学科核心素养。

1953年4月25日,沃森(Watson J D,1928—)与克里克(Crick F H C,1916—2004)在Nature上发表了《脱氧核糖核酸的结构》,提出了DNA双螺旋结构模型。5月31日,他们发表了第二篇文章《脱氧核糖核酸结构的遗传含义》,文中提出了碱基的精确序列就是携带遗传信息的密码,至此拉开了遗传密码的探究历程。

1 钻石密码模型

1953年,理论和天体物理学家伽莫夫(Gamow G,1904—1968)阅读了沃森和克里克的第二篇文章,结合桑格(Sanger F,1918—2013)发表的关于胰岛素氨基酸序列的文章,提出了钻石密码模型。该模型认为DNA上的碱基序列直接编码蛋白质的氨基酸序列:DNA双螺旋每一个碱基对与上下各1个碱基围成钻石形状,每个钻石决定一种氨基酸,中间的碱基对遵循碱基配对原则,上下的碱基可以是4种碱基中的任何一种,钻石的总类数就是四元素的不同三组合数,组合得到的数字刚好是20种(图1)。

图1 钻石密码模型(仿伽莫夫)

伽莫夫在文中提到邻近的钻石共享同一个碱基对,说明相邻氨基酸必然受到一定的限制。

同年7月,伽莫夫将钻石密码模型写信告知沃森和克里克。沃森和克里克觉得伽莫夫的生物学知识是不完整的,他既不知道蛋白质在细胞质中合成,也不清楚RNA参与蛋白质的合成,并且克里克认为伽莫夫的氨基酸名单有错误,据此他们整理出正确的氨基酸名单(表1)。

表1 天然蛋白质合成所需的氨基酸

虽然钻石密码模型是错误的,但伽莫夫开创了一条崭新的解码路线,即从纯理论的角度来解决DNA上的4种碱基编码20种氨基酸的问题。这种不必做实验的纯理论路线,吸引了大量物理学家和数学家加入了破解遗传密码的队伍。

2 三角密码等模型

4种碱基对应20种氨基酸,从最简原则出发,至少需要3个碱基决定1个氨基酸,因为1个碱基编码1种氨基酸,只能编码4种氨基酸;两个碱基编码1个氨基酸,最多只能编码4×4=16种氨基酸;3个碱基编码1个氨基酸,有4×4×4=64种密码,大于20种氨基酸种类数。因此,3个碱基决定一个氨基酸就被大多数解码人员认为是最可能的。

钻石密码失败后,伽莫夫和里奇(Rich A,1925—2015)等提出了一个改良的三角密码,编码的是单链RNA,每3个碱基编码1种氨基酸。理论物理学家费曼(Feynman R,1918—1988)和理论化学家奥格尔(Orgel L E,1927—2007)提出一个三角密码的变形——主次密码,三联体中间的碱基是“主”,两旁的碱基是“次”,两者以不同的方式决定氨基酸的顺序。核物理学家泰勒(Teller E,1908—2003)提出顺序密码,氨基酸取决于两个碱基以及前一个氨基酸。这些模型都同钻石密码模型一样属于重叠密码。

3 无逗号密码模型

1956年春,克里克、奥格尔与理论物理学家格里菲斯(Griffith J S,1928—1972)提出了无逗号密码模型。该模型认为3个核苷酸没有重叠地专一于1个氨基酸,相邻氨基酸没有限制。他们的模型解决了蛋白质在合成过程中如何避免阅读错误,即任何有意义的两个三联体能排列在一起,而所形成的重叠三联体一定是没有意义的(图2)。

图2 无逗号密码模型示意图(仿克里克等)

根据模型,他们推导出存在20个有意义的三联体。首先,他们排除了AAA、UUU、CCC和GGG,因为类似AAAAAA……这种序列,从不同位置阅读三联体是一样的,不可能同时有意义又无意义。根据阅读规则,剩余的60个三联体中的每一个三联体和通过自身循环排列的其他两个属于一组,如AUC与UCA和CAU,或是GCA与CAG和AGC,这些组中任何一个是有意义的,另两个则没有意义,恰好具有20个有意义的三联体。

4 重叠密码的不可能性

1956年9月,布伦纳(Brenner S,1927—2019)通过推理和统计,推翻了所有重叠三联体密码模型。在重叠的三联体密码阅读时,连续的三联体就会共享两个核苷酸,任何已知的三联体一边最多有4个不同的邻居,另一边也最多有4个不同的邻居,即任何一个三联体XYZ前面可能是AXY,UXY,GXY和CXY中的任一个,后面可能是YZA,YZU,YZG或YZC中的任一个(A、U、C、G为RNA的4种基本碱基)。利用已知多肽链的序列,统计每种氨基酸两侧各有多少不同的邻居,邻居数除以4向上取整得到的数为该氨基酸不同三联体同义密码数。布伦纳统计了已知多肽链序列中的20种氨基酸的邻居数,并把编码它们所需要的不同三联体同义密码最小数目相加,得出至少需要70种同义密码(表2),大于三联体密码子总数64,因此所有重叠三联体密码都是不可能的。

因当时不具备核酸测序技术,无逗号密码模型无法检验。

5 三联体密码的确认

1961年,克里克等人根据当时学者使用吖啶类物质(原黄素等)诱导碱基插入或删除导致基因突变的原理,设计实验检验密码子是由几个核苷酸决定的。他们的思路是:在一个基因的某区段插入一个核苷酸,那么插入位置下游的阅读框就都往前移一个核苷酸,导致绝大部分氨基酸序列都出现错误,蛋白质就失去活性,删除一个核苷酸亦然,但同时插入一个,再删除一个,仅导致个别氨基酸的改变,绝大部分氨基酸序列是正确的,蛋白质恢复活性(图3)。据此,他们认为如果确是三联体密码,在某区段插入或删除一个或两个核苷酸会破坏蛋白质活性;插入或删除三个核苷酸蛋白质会恢复活性。

表2 已知多肽链序列统计表

图3 单碱基突变示意图(仿克里克等)

克里克同助手巴尼特(Barnett L,1920—2002)选用噬菌体T4 rⅡ突变株进行实验,实验结果显示+1、-1、+2、-2突变株(尾纤维蛋白无活性)都不能侵染大肠杆菌,而+3、-3突变株能正常侵染大肠杆菌。该实验结果表明了三联体密码的正确性。

6 密码子的简并性

同年,尼伦伯格(Nirenberg M W,1927—2010)和马太(Matthaei J H,1929—)将人工合成的poly(U)(多聚尿嘧啶核糖核苷酸)加入源自大肠杆菌的无细胞翻译体系中,再分别加入20种放射性标记的氨基酸,发现加苯丙氨酸的试管中合成了多肽链,破译了第一个密码子UUU。之后尼伦伯格、奥乔亚(Ochoa S,1905—1993)、科拉纳(Khorana H G,1922—2011)等团队相继破译了64个密码子中的61个。1965—1966年,布伦纳、克里克等人破译了最后3个终止密码。克里克把多个密码子编码相同氨基酸的现象称作密码子的简并性。

来源：朱冬娟,徐宏伟.三联体密码子的确认历程[J].中学生物教学,2025,(17):38-41.