密碼子的破譯(選學(xué)講)

遺傳密碼的破譯一、遺傳密碼是三聯(lián)體的推測1、遺傳密碼的前期猜想“生物學(xué)和物理學(xué)的主要問題是有機(jī)體的信息傳遞問題?；蛴稍S多異構(gòu)單位組成，這些單位的確切性和連續(xù)性決定著微型密碼，微型密碼是絲毫不差的對應(yīng)于一個高度復(fù)雜的特定發(fā)育計劃，并且包含了使密碼發(fā)生作用的手段。這一點(diǎn)已經(jīng)不是難以想象的了。”1944年奧地利物理學(xué)家薛定諤在《生命是什么》一書中指出：薛定諤為什么會出現(xiàn)密碼問題？當(dāng)用一種信息來決定（表達(dá)）另一種信息（一種信息由另一種信息決定）時，就產(chǎn)生了兩種信息的對應(yīng)問題，這種對應(yīng)問題，就是密碼問題當(dāng)用DNA的結(jié)構(gòu)來決定蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)（蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)由DNA結(jié)構(gòu)決定）時，就產(chǎn)生了遺傳密碼問題當(dāng)用電信號（長短、次數(shù)）來決定英文字母（數(shù)字，標(biāo)點(diǎn)符號）時，就產(chǎn)生了電報密碼問題莫爾斯碼一、遺傳密碼是三聯(lián)體的推測2、遺傳密碼的定位（1）沃森的公式薛定諤引發(fā)的革命風(fēng)暴的產(chǎn)物是DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，在此之前，沃森已猜想到遺傳密碼的位置，寫了一個公式：

DNARNA蛋白質(zhì)提出DNA是RNA的模板，RNA是蛋白質(zhì)的模板中最可能的候選者。（2）布倫納的發(fā)現(xiàn)1961年，英國分子生物學(xué)家布倫納等發(fā)現(xiàn)了mRNA，證實了mRNA是DNA上的遺傳信息流向蛋白質(zhì)的紐帶，把遺傳密碼定位在mRNA上。rRNA數(shù)量多種類少，不可能是遺傳密碼的載體。tRNA種類少且分子小，也不可能是遺傳密碼的載體，后來人們發(fā)現(xiàn)mRNA，所以將遺傳密碼定位于mRNA上。布倫納通過放射性標(biāo)記證明核糖體上有不同的mRNA，猜想遺傳密碼在mRNA上。一、遺傳密碼是三聯(lián)體的推測3、遺傳密碼是三聯(lián)體的推測伽莫夫猜想1954年，美國理論物理學(xué)家伽莫夫在《自然》雜志上發(fā)表《脫氧核糖核酸與蛋白質(zhì)之間的關(guān)系》論文，提出遺傳密碼的構(gòu)想，認(rèn)為在雙螺旋結(jié)構(gòu)中，四個堿基之間形成一個空穴，游離氨基酸進(jìn)入空穴形成多肽鏈，四個堿基中由三個堿基決定一種氨基酸。因為氨基酸有20種，所以由3個堿基決定1種氨基酸。1個堿基決定1種氨基酸時，只能決定41=4種2個堿基決定1種氨基酸時，只能決定42=16種3個堿基決定1種氨基酸時，只能決定43=46種4個堿基決定1種氨基酸時，只能決定44=256種二、遺傳密碼是三聯(lián)體及閱讀方式的確認(rèn)（一）克里克的實驗證據(jù)——堿基三聯(lián)體的確認(rèn)1961年，克里克與布倫納合作，利用大腸桿菌的T4噬菌體作實驗。T4噬菌體r：能在大腸桿菌B菌株上生長，形成溶菌斑能在大腸桿菌菌株上生長，形成溶菌斑T4噬菌體r-：能在大腸桿菌B菌株上生長，形成溶菌斑不能在大腸桿菌菌株上生長，不形成溶菌斑用可以引起移碼突變的丫啶藥物處理野生型噬菌體r，使噬菌體缺失1個、2個、3個或插入1個、2個、3個堿基的各種突變類型。二、遺傳密碼是三聯(lián)體及閱讀方式的確認(rèn)（一）克里克的實驗證據(jù)——堿基三聯(lián)體的確認(rèn)①缺失1個堿基時在菌株上不能生長ABC ABC ABCABC ABC ABC ABC ……ABC ABA BCA BCA BCA BCA BC……②插入1個堿基時在菌株上不能生長（缺失點(diǎn)之后密碼子全改變）ABC ABC ABC ABC ABC ABC ABCABC ABC CAB CAB CAB CAB CAB C（插入點(diǎn)之后密碼子全改變）結(jié)論：缺失（插入）1個堿基不生長，說明密碼不是堿基一聯(lián)體，因為如果是一聯(lián)體的話，只引起一個密碼子的改變，T4能生長，事實上不生長。二、遺傳密碼是三聯(lián)體及閱讀方式的確認(rèn)（一）克里克的實驗證據(jù)——堿基三聯(lián)體的確認(rèn)③缺失2個堿基時在菌株上不能生長ABC ABC ABCABC ABC ABC ABC ……ABC ABB CAB CAB CAB CAB C……④插入2個堿基時在菌株上不能生長（缺失點(diǎn)之后密碼子全改變）ABC ABC ABC ABC ABC ABC ABC ……ABC ABC CAB CAB CCA BCA BCA BC……（插入點(diǎn)之后密碼子改變）結(jié)論：缺失（插入）2個堿基不生長，說明密碼不是堿基二聯(lián)體，因為如果是二聯(lián)體的話，只引起一（幾）個密碼子改變，T4能生長，事實上不生長。二、遺傳密碼是三聯(lián)體及閱讀方式的確認(rèn)（一）克里克的實驗證據(jù)——堿基三聯(lián)體的確認(rèn)⑤缺失3個堿基時在菌株上能生長（擬野生型）ABC ABC ABC ABC ABC ABC ABC ……ABC ABA BAB ABC ABC ABC …… ⑥插入3個堿基時在菌株上能生長（擬野生型）（兩個密碼子改變）ABC ABC ABC ABC ABC ABC ABC ……ABC ABC CAB CAB CCA BCC ABC ABC ……（4個密碼子改變）結(jié)論：缺失（插入）3個堿基能生長，說明密碼是堿基三聯(lián)體，因為缺失（插入）3個堿基只引起少數(shù)個別密碼子改變，T4能生長。二、遺傳密碼是三聯(lián)體及閱讀方式的確認(rèn)（一）克里克的實驗證據(jù)——堿基三聯(lián)體的確認(rèn)⑦為四聯(lián)體時，缺失三個堿基，在菌株上不能生長ABCD ABCDABCDABCDABCDABCDABCD……ABCD ABCDABCABCABCABCDABCD……⑧為四聯(lián)體時，插入三個堿基，在菌株上不能生長ABCD ABCDABCDABCDABCDABCD……ABCD ABCDDABCDABCDDABCDDABCDABCD……（缺失點(diǎn)之后密碼子全改變）（插入點(diǎn)之后密碼子改變）（二）克里克的實驗證據(jù)——閱讀方式的確認(rèn)二、遺傳密碼是三聯(lián)體及閱讀方式的確認(rèn)①插入1個堿基時在K菌株上不能生長GGTXTCGCACGCT插入點(diǎn)之后氨基酸都改變，在K菌株不能生長GTTGTXTTCTXTTCGXTC原次序現(xiàn)次序插入點(diǎn)之后三個氨基酸改變，在K菌株上能生長不重疊閱讀重疊閱讀結(jié)論：不重疊閱讀方式（二）克里克的實驗證據(jù)——閱讀方式的確認(rèn)二、遺傳密碼是三聯(lián)體及閱讀方式的確認(rèn)②插入2個堿基時在菌株上不能生長GGTYTCGCACGCT插入點(diǎn)之后氨基酸都改變，在菌株不能生長GTTGTXTTCTXYTCGXYT原次序現(xiàn)次序插入點(diǎn)之后四個氨基酸改變，在菌株上能生長不重疊閱讀重疊閱讀結(jié)論：不重疊閱讀方式CGCYTC（二）克里克的實驗證據(jù)——閱讀方式的確認(rèn)二、遺傳密碼是三聯(lián)體及閱讀方式的確認(rèn)②插入3個堿基時在菌株上能生長GGTYTCGCACGCT插入點(diǎn)之后一個氨基改變，在菌株能生長GTTYYYTTC現(xiàn)次序插入點(diǎn)之后五個氨基酸改變，在菌株上能生長不重疊閱讀重疊閱讀結(jié)論：不重疊閱讀方式三、遺傳密碼的破譯1、初步破譯尼侖伯格1961年春天，當(dāng)克里克和布倫納還在論證遺傳密碼為三聯(lián)體時，美國兩位年經(jīng)生化學(xué)家尼侖伯格和馬太就開始悄悄地進(jìn)行遺傳密碼的破譯工作了。UUUU……20種氨基酸t(yī)RNA酶UUUU……20種氨基酸t(yī)RNA酶UUUU……20種氨基酸t(yī)RNA酶UUUU……20種氨基酸t(yī)RNA酶標(biāo)賴標(biāo)苯丙標(biāo)甘標(biāo)蘇多肽……12320苯丙氨酸的密碼子是UUU1961年8月尼侖伯格在莫斯科召開的第五屆國際生化會議上宣讀了論文，與會代表異常興奮，討論熱烈。尤其是克里克和沃森聽完激動萬分，意識到徹底破譯遺傳密碼的時刻已經(jīng)到來，分子生物學(xué)將迎來一次大的飛躍。三、遺傳密碼的破譯1、初步破譯但是，與會的前蘇聯(lián)科學(xué)家竟然聽不懂他們的論文，在大會上打起了呼嚕。三、遺傳密碼的破譯1、初步破譯遺傳學(xué)的兩大學(xué)派孟德爾-摩爾根學(xué)派基因?qū)W派米丘林-李森科學(xué)派環(huán)境學(xué)派米丘林和李森科前蘇聯(lián)園藝學(xué)家，1935年去世。他重視環(huán)境的作用。將南方果樹逐漸北移獲得成功，培育出多種蔬菜、花卉和果樹，一個蘋果可重達(dá)一斤多。他本人并沒有提出任何遺傳理論，但在蘇聯(lián)享有很高威望。米丘林前蘇聯(lián)科學(xué)院院士、院長，社會主義勞動英雄。1925年大學(xué)畢業(yè)后分配到邊境一個育種站工作。1928年，他發(fā)現(xiàn)父親把冬小麥放在春天播種仍然可以結(jié)種，提出“春化理論”。實際上當(dāng)時蘇聯(lián)的植物生理學(xué)家馬克西莫夫早已作過這方面研究。他為了宣傳自己，極力宣揚(yáng)春化理論，把科學(xué)研究中的學(xué)術(shù)之爭演變成階級斗爭，以迎合國內(nèi)形勢，向國際遺傳學(xué)發(fā)難。李森科三、遺傳密碼的破譯1、初步破譯1935年，在克里姆林宮召開全蘇集體農(nóng)莊突擊隊員會議，李森科作了題為《春化處理是增產(chǎn)的有力措施》的發(fā)言，結(jié)束時他說：“同志們，在春化處理問題上有階級斗爭，階級敵人總是階級敵人，不管他是不是科學(xué)家”。斯大林聽后非常高興，說：“好，李森科同志，好！”。三個月后，李森科成為蘇聯(lián)科學(xué)院院長。三、遺傳密碼的破譯1、初步破譯為了進(jìn)一步抬高自己，打擊對手，李森科把米丘林抬出來，拉大旗作虎皮，向批評過他的人和孟德爾-摩爾根學(xué)派展開全面進(jìn)攻。誣蔑為偽科學(xué)、唯心主義，基因騎士。鼓吹資本主義不可能研究出社會主義用的東西，資產(chǎn)階級的理論不能為無產(chǎn)階級所用。他的理論得到蘇聯(lián)政府的全面支持。三、遺傳密碼的破譯1、初步破譯在各大學(xué)成立清算孟德爾-摩爾根學(xué)派委員會在各生物系成立孟德爾-摩爾根學(xué)派清算小組各科研機(jī)關(guān)、大學(xué)生物系都掛上了李森科畫像把對李森科的崇拜編成歌曲：手拉起我的手風(fēng)琴讓我們唱一唱李森科院士的永恒光榮他帶我們堅定地走社會主義道路使我們免受孟德爾-摩爾根學(xué)派的愚弄……三、遺傳密碼的破譯1、初步破譯逮捕、批判、槍決了大批有正義感的科學(xué)家和從事孟德爾-摩爾根遺傳學(xué)研究的科學(xué)家，把這些科學(xué)家定為“人民公敵”。1936年12月，在國際上享有盛譽(yù)的瓦維洛夫駁斥了李森科的偽科學(xué)，他說：“我們將走向柴堆，我們將被燒死，但我們決不從我們確信的信念退卻”。1940年被判死刑，關(guān)押在西伯利亞監(jiān)獄地下室，不準(zhǔn)上訴。1942年，英國皇家協(xié)會授予他最高榮譽(yù)，到西伯利亞監(jiān)獄找到他時，已奄奄一息，1943年1月26日慘死獄中。三、遺傳密碼的破譯1、初步破譯1959年，赫魯曉夫訪問美國，據(jù)說在機(jī)場歡迎的是瘦小的抱著粗大玉米棒子的小孩，赫魯曉夫問美國總統(tǒng)艾森豪威爾，為什么玉米比小孩還粗大，艾森豪威爾說這是我們用基因理論培育的新品種。1964年李森科下臺，被貶到西伯利亞，1976年去世。1935—1964年，蘇聯(lián)遺傳學(xué)界經(jīng)歷了30年磨難。三、遺傳密碼的破譯1、初步破譯李森科下臺以北京農(nóng)業(yè)大學(xué)樂天宇取消遺傳學(xué)課程為導(dǎo)火索文化大革命中各大學(xué)生物系取消了遺傳學(xué)課程許多搞遺傳學(xué)研究的專家教授批判和斗爭談家楨教授（摩爾根的學(xué)生）受批斗，其夫人被折磨致死三、遺傳密碼的破譯1、初步破譯對中國的巨大影響中國現(xiàn)代遺傳學(xué)奠基人——談家楨1970年國內(nèi)一本叢書《現(xiàn)代西方自然科學(xué)理論及其主要流派介紹》中仍然說：孟德爾-摩爾根遺傳學(xué)是20世紀(jì)以來流毒很廣的最反動的資產(chǎn)階級自然科學(xué)理論體系之一。1977年還有人上書：繼續(xù)開展對反動的、唯心的、資產(chǎn)階級的遺傳學(xué)和基因論、基因工程進(jìn)行批判。說：“分子遺傳學(xué)、所謂的基因工程，都是資本家的御用學(xué)者們?yōu)榱颂О羝鹬髯铀⒌囊惶诪槠溆廾裾叻?wù)的所謂理論體系。其實，這樣的遺傳學(xué)永遠(yuǎn)不會、也不能產(chǎn)生與生產(chǎn)實踐的任何聯(lián)系”。三、遺傳密碼的破譯1、初步破譯對中國的巨大影響三、遺傳密碼的破譯1、初步破譯對中國的巨大影響1982年，遼寧全國第一次遺傳學(xué)大會：科學(xué)沒有國界科學(xué)不分信仰科學(xué)不分階級談家楨教授在報告中痛哭流涕，會議結(jié)束后他自費(fèi)宴請與會者共進(jìn)晚餐。遺傳學(xué)在中國的爭論宣告結(jié)束三、遺傳密碼的破譯2、進(jìn)一步破譯1961—1964年，尼侖伯格用多核苷酸磷酸化酶（PP）（不需DNA作模板即可聚合成多核苷酸），建立了無細(xì)胞反應(yīng)體系。U=0.87A=0.13PPU=0.39C=0.61PPU=0.76G=0.24PP含UA的RNA含UC的RNA含UG的RNARNA中每種堿基的比例取決于溶液中各種堿基的比例。三、遺傳密碼的破譯2、進(jìn)一步破譯苯丙氨酸絲氨酸脯氨酸酪氨酸異亮氨酸纈氨酸亮氨酸半胱氨酸色氨酸甘氨酸UAU=0.87A=0.13U3=100U2A=44.8UA2=6.7A3=0.3100001314024000UCU=0.39C=0.61U3=100U2C=469UC2=734C3=283100427610000220000UGU=0.76G=0.24U3=100U2G=94.7UG2=29.9G3=3.110000004522351113U3（U與C）U與C組成U與C組成U與A組成U與A組成U與GU與N組成U與G組成U與G組成U與G組成以U3為100%時三聯(lián)體的相對幾率相對堿基含量多核苷酸鏈堿基組成密碼子推斷三、遺傳密碼的破譯3、完全破譯1964年，尼侖伯格發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)翻譯過程中有三個特點(diǎn)：每種氨基酸在酶的作用下只與自己對應(yīng)的tRNA結(jié)合tRNA能識別自己所攜帶的氨基酸的三聯(lián)體密碼三聯(lián)體密碼都與核糖體在翻譯起始后形成一個復(fù)合體AAAUUU賴三聯(lián)體結(jié)合實驗三、遺傳密碼的破譯3、完全破譯人工合成只含三個堿基的片段，如UUG、UGU、GUU等等第一步將三核苷酸片段與大腸桿菌的核糖體結(jié)合第二步配制含20種氨基酸和相應(yīng)tRNA的溶液1-20號，每號溶液中只有一種用14C標(biāo)記的氨基酸第三步在配制好的1-20號氨基酸-tRNA溶中分別加入含有一種核苷酸片段的核糖體，一段時間后，用硝酸纖維素膜過濾，測定過濾膜上核糖體的放射性第四步三聯(lián)體結(jié)合實驗三、遺傳密碼的破譯3、完全破譯核糖體UUGtRNA氨基酸色氨酸過濾膜上無放射性核糖體UUGtRNA氨基酸賴氨酸過濾膜上無放射性核糖體UUGtRNA氨基酸亮氨酸過濾膜上有放射性核糖體UUGtRNA氨基酸苯丙氨酸過濾膜上無放射性核糖體UUGtRNA氨基酸丙氨酸過濾膜上無放射性………………………………123420說明UUG是亮氨酸的編碼無意義碼的發(fā)現(xiàn)三、遺傳密碼的破譯3、完全破譯……核糖體UAAtRNA氨基酸色氨酸過濾膜上無放射性核糖體UAAtRNA氨基酸賴氨酸過濾膜上無放射性核糖體UAAtRNA氨基酸亮氨酸過濾膜上有放射性核糖體UAAtRNA氨基酸苯丙氨酸過濾膜上無放射性核糖體UAAtRNA氨基酸丙氨酸過濾膜上無放射性…………………………123420說明UAA是無意義碼，用同樣方法發(fā)現(xiàn)UAG、UGA也是無意義碼對終止密碼子的推測三、遺傳密碼的破譯3、完全破譯尼侖伯格的實驗發(fā)現(xiàn)UAA、UAG和UGA三個密碼子不編碼任何氨基酸，1964年Yanol’sy發(fā)現(xiàn)為大腸桿菌編碼trRNA還同時編碼trpB、trpC、trpD、trpE四種多肽鏈。推測每條多肽鏈之間可能有終止密碼子，將多肽鏈隔斷。終止碼終止碼終止碼終止碼終止碼trpEtrpDtrpCtrpBtrpA終止密碼子的確定三、遺傳密碼的破譯3、完全破譯1965年，布倫納發(fā)現(xiàn)大腸桿菌的一些無義突變型是在色氨酸位置上變化的，由UGG變成UGA。因此，把UGA定為終止密碼子。另一些無義突變型在酪氨酸位置上變化，由UAC、UAU變成UAG、UAA，所以把UAG、UAA也定為終止密碼子。起始密碼子的確定三、遺傳密碼的破譯3、完全破譯1966年，等發(fā)現(xiàn)在體內(nèi)進(jìn)行合成的多肽鏈，其開頭在細(xì)菌都為甲酰甲硫氨酸，在真核生物都為甲硫氨酸，且都是從AUG這個密碼子開始，因此，將AUG定為起始密碼。尼侖伯格的三聯(lián)體實驗是在體外進(jìn)行的，合成時可以從任何一個密碼子開始，可以合成從任一氨基酸開頭的多肽鏈。分不清哪個是起始密碼子。三、遺傳密碼的破譯4、密碼破譯的另一種方法1965年，美國的科拉納（horana）設(shè)計了更為巧妙的方法：合成每2個、3個或4個核苷酸為單位的重復(fù)mRNA片段，通過對比各片段翻譯的氨基酸來進(jìn)行密碼子破譯?？评{（horana）UCUCUCUCUCUCUCUCUCUCUCUC三、遺傳密碼的破譯4、密碼破譯的另一種方法UCUCUCUCUCUCUCUCUCUCUCUC絲亮絲亮絲亮絲亮亮絲亮絲亮絲亮絲絲亮絲亮絲亮絲亮從第一個堿基讀起：UCUCUC從第二個堿基讀起：CUCUCU從第三個堿基讀起：UCUCUC每次標(biāo)記2種氨基酸共聚物2個重復(fù)注：3