密码子的破译(选学讲)

遗传密码的破译一、遗传密码是三联体的推测1、遗传密码的前期猜想“生物学和物理学的主要问题是有机体的信息传递问题。基因由许多异构单位组成，这些单位的确切性和连续性决定着微型密码，微型密码是丝毫不差的对应于一个高度复杂的特定发育计划，并且包含了使密码发生作用的手段。这一点已经不是难以想象的了。”1944年奥地利物理学家薛定谔在《生命是什么》一书中指出：薛定谔为什么会出现密码问题？当用一种信息来决定（表达）另一种信息（一种信息由另一种信息决定）时，就产生了两种信息的对应问题，这种对应问题，就是密码问题当用DNA的结构来决定蛋白质的结构（蛋白质结构由DNA结构决定）时，就产生了遗传密码问题当用电信号（长短、次数）来决定英文字母（数字，标点符号）时，就产生了电报密码问题莫尔斯码一、遗传密码是三联体的推测2、遗传密码的定位（1）沃森的公式薛定谔引发的革命风暴的产物是DNA双螺旋结构的发现，在此之前，沃森已猜想到遗传密码的位置，写了一个公式：

DNARNA蛋白质提出DNA是RNA的模板，RNA是蛋白质的模板中最可能的候选者。（2）布伦纳的发现1961年，英国分子生物学家布伦纳等发现了mRNA，证实了mRNA是DNA上的遗传信息流向蛋白质的纽带，把遗传密码定位在mRNA上。rRNA数量多种类少，不可能是遗传密码的载体。tRNA种类少且分子小，也不可能是遗传密码的载体，后来人们发现mRNA，所以将遗传密码定位于mRNA上。布伦纳通过放射性标记证明核糖体上有不同的mRNA，猜想遗传密码在mRNA上。一、遗传密码是三联体的推测3、遗传密码是三联体的推测伽莫夫猜想1954年，美国理论物理学家伽莫夫在《自然》杂志上发表《脱氧核糖核酸与蛋白质之间的关系》论文，提出遗传密码的构想，认为在双螺旋结构中，四个碱基之间形成一个空穴，游离氨基酸进入空穴形成多肽链，四个碱基中由三个碱基决定一种氨基酸。因为氨基酸有20种，所以由3个碱基决定1种氨基酸。1个碱基决定1种氨基酸时，只能决定41=4种2个碱基决定1种氨基酸时，只能决定42=16种3个碱基决定1种氨基酸时，只能决定43=46种4个碱基决定1种氨基酸时，只能决定44=256种二、遗传密码是三联体及阅读方式的确认（一）克里克的实验证据——碱基三联体的确认1961年，克里克与布伦纳合作，利用大肠杆菌的T4噬菌体作实验。T4噬菌体r：能在大肠杆菌B菌株上生长，形成溶菌斑能在大肠杆菌菌株上生长，形成溶菌斑T4噬菌体r-：能在大肠杆菌B菌株上生长，形成溶菌斑不能在大肠杆菌菌株上生长，不形成溶菌斑用可以引起移码突变的丫啶药物处理野生型噬菌体r，使噬菌体缺失1个、2个、3个或插入1个、2个、3个碱基的各种突变类型。二、遗传密码是三联体及阅读方式的确认（一）克里克的实验证据——碱基三联体的确认①缺失1个碱基时在菌株上不能生长ABC ABC ABCABC ABC ABC ABC ……ABC ABA BCA BCA BCA BCA BC……②插入1个碱基时在菌株上不能生长（缺失点之后密码子全改变）ABC ABC ABC ABC ABC ABC ABCABC ABC CAB CAB CAB CAB CAB C（插入点之后密码子全改变）结论：缺失（插入）1个碱基不生长，说明密码不是碱基一联体，因为如果是一联体的话，只引起一个密码子的改变，T4能生长，事实上不生长。二、遗传密码是三联体及阅读方式的确认（一）克里克的实验证据——碱基三联体的确认③缺失2个碱基时在菌株上不能生长ABC ABC ABCABC ABC ABC ABC ……ABC ABB CAB CAB CAB CAB C……④插入2个碱基时在菌株上不能生长（缺失点之后密码子全改变）ABC ABC ABC ABC ABC ABC ABC ……ABC ABC CAB CAB CCA BCA BCA BC……（插入点之后密码子改变）结论：缺失（插入）2个碱基不生长，说明密码不是碱基二联体，因为如果是二联体的话，只引起一（几）个密码子改变，T4能生长，事实上不生长。二、遗传密码是三联体及阅读方式的确认（一）克里克的实验证据——碱基三联体的确认⑤缺失3个碱基时在菌株上能生长（拟野生型）ABC ABC ABC ABC ABC ABC ABC ……ABC ABA BAB ABC ABC ABC …… ⑥插入3个碱基时在菌株上能生长（拟野生型）（两个密码子改变）ABC ABC ABC ABC ABC ABC ABC ……ABC ABC CAB CAB CCA BCC ABC ABC ……（4个密码子改变）结论：缺失（插入）3个碱基能生长，说明密码是碱基三联体，因为缺失（插入）3个碱基只引起少数个别密码子改变，T4能生长。二、遗传密码是三联体及阅读方式的确认（一）克里克的实验证据——碱基三联体的确认⑦为四联体时，缺失三个碱基，在菌株上不能生长ABCD ABCDABCDABCDABCDABCDABCD……ABCD ABCDABCABCABCABCDABCD……⑧为四联体时，插入三个碱基，在菌株上不能生长ABCD ABCDABCDABCDABCDABCD……ABCD ABCDDABCDABCDDABCDDABCDABCD……（缺失点之后密码子全改变）（插入点之后密码子改变）（二）克里克的实验证据——阅读方式的确认二、遗传密码是三联体及阅读方式的确认①插入1个碱基时在K菌株上不能生长GGTXTCGCACGCT插入点之后氨基酸都改变，在K菌株不能生长GTTGTXTTCTXTTCGXTC原次序现次序插入点之后三个氨基酸改变，在K菌株上能生长不重叠阅读重叠阅读结论：不重叠阅读方式（二）克里克的实验证据——阅读方式的确认二、遗传密码是三联体及阅读方式的确认②插入2个碱基时在菌株上不能生长GGTYTCGCACGCT插入点之后氨基酸都改变，在菌株不能生长GTTGTXTTCTXYTCGXYT原次序现次序插入点之后四个氨基酸改变，在菌株上能生长不重叠阅读重叠阅读结论：不重叠阅读方式CGCYTC（二）克里克的实验证据——阅读方式的确认二、遗传密码是三联体及阅读方式的确认②插入3个碱基时在菌株上能生长GGTYTCGCACGCT插入点之后一个氨基改变，在菌株能生长GTTYYYTTC现次序插入点之后五个氨基酸改变，在菌株上能生长不重叠阅读重叠阅读结论：不重叠阅读方式三、遗传密码的破译1、初步破译尼仑伯格1961年春天，当克里克和布伦纳还在论证遗传密码为三联体时，美国两位年经生化学家尼仑伯格和马太就开始悄悄地进行遗传密码的破译工作了。UUUU……20种氨基酸tRNA酶UUUU……20种氨基酸tRNA酶UUUU……20种氨基酸tRNA酶UUUU……20种氨基酸tRNA酶标赖标苯丙标甘标苏多肽……12320苯丙氨酸的密码子是UUU1961年8月尼仑伯格在莫斯科召开的第五届国际生化会议上宣读了论文，与会代表异常兴奋，讨论热烈。尤其是克里克和沃森听完激动万分，意识到彻底破译遗传密码的时刻已经到来，分子生物学将迎来一次大的飞跃。三、遗传密码的破译1、初步破译但是，与会的前苏联科学家竟然听不懂他们的论文，在大会上打起了呼噜。三、遗传密码的破译1、初步破译遗传学的两大学派孟德尔-摩尔根学派基因学派米丘林-李森科学派环境学派米丘林和李森科前苏联园艺学家，1935年去世。他重视环境的作用。将南方果树逐渐北移获得成功，培育出多种蔬菜、花卉和果树，一个苹果可重达一斤多。他本人并没有提出任何遗传理论，但在苏联享有很高威望。米丘林前苏联科学院院士、院长，社会主义劳动英雄。1925年大学毕业后分配到边境一个育种站工作。1928年，他发现父亲把冬小麦放在春天播种仍然可以结种，提出“春化理论”。实际上当时苏联的植物生理学家马克西莫夫早已作过这方面研究。他为了宣传自己，极力宣扬春化理论，把科学研究中的学术之争演变成阶级斗争，以迎合国内形势，向国际遗传学发难。李森科三、遗传密码的破译1、初步破译1935年，在克里姆林宫召开全苏集体农庄突击队员会议，李森科作了题为《春化处理是增产的有力措施》的发言，结束时他说：“同志们，在春化处理问题上有阶级斗争，阶级敌人总是阶级敌人，不管他是不是科学家”。斯大林听后非常高兴，说：“好，李森科同志，好！”。三个月后，李森科成为苏联科学院院长。三、遗传密码的破译1、初步破译为了进一步抬高自己，打击对手，李森科把米丘林抬出来，拉大旗作虎皮，向批评过他的人和孟德尔-摩尔根学派展开全面进攻。诬蔑为伪科学、唯心主义，基因骑士。鼓吹资本主义不可能研究出社会主义用的东西，资产阶级的理论不能为无产阶级所用。他的理论得到苏联政府的全面支持。三、遗传密码的破译1、初步破译在各大学成立清算孟德尔-摩尔根学派委员会在各生物系成立孟德尔-摩尔根学派清算小组各科研机关、大学生物系都挂上了李森科画像把对李森科的崇拜编成歌曲：手拉起我的手风琴让我们唱一唱李森科院士的永恒光荣他带我们坚定地走社会主义道路使我们免受孟德尔-摩尔根学派的愚弄……三、遗传密码的破译1、初步破译逮捕、批判、枪决了大批有正义感的科学家和从事孟德尔-摩尔根遗传学研究的科学家，把这些科学家定为“人民公敌”。1936年12月，在国际上享有盛誉的瓦维洛夫驳斥了李森科的伪科学，他说：“我们将走向柴堆，我们将被烧死，但我们决不从我们确信的信念退却”。1940年被判死刑，关押在西伯利亚监狱地下室，不准上诉。1942年，英国皇家协会授予他最高荣誉，到西伯利亚监狱找到他时，已奄奄一息，1943年1月26日惨死狱中。三、遗传密码的破译1、初步破译1959年，赫鲁晓夫访问美国，据说在机场欢迎的是瘦小的抱着粗大玉米棒子的小孩，赫鲁晓夫问美国总统艾森豪威尔，为什么玉米比小孩还粗大，艾森豪威尔说这是我们用基因理论培育的新品种。1964年李森科下台，被贬到西伯利亚，1976年去世。1935—1964年，苏联遗传学界经历了30年磨难。三、遗传密码的破译1、初步破译李森科下台以北京农业大学乐天宇取消遗传学课程为导火索文化大革命中各大学生物系取消了遗传学课程许多搞遗传学研究的专家教授批判和斗争谈家桢教授（摩尔根的学生）受批斗，其夫人被折磨致死三、遗传密码的破译1、初步破译对中国的巨大影响中国现代遗传学奠基人——谈家桢1970年国内一本丛书《现代西方自然科学理论及其主要流派介绍》中仍然说：孟德尔-摩尔根遗传学是20世纪以来流毒很广的最反动的资产阶级自然科学理论体系之一。1977年还有人上书：继续开展对反动的、唯心的、资产阶级的遗传学和基因论、基因工程进行批判。说：“分子遗传学、所谓的基因工程，都是资本家的御用学者们为了抬棒起主子所建立的一套为其愚民政策服务的所谓理论体系。其实，这样的遗传学永远不会、也不能产生与生产实践的任何联系”。三、遗传密码的破译1、初步破译对中国的巨大影响三、遗传密码的破译1、初步破译对中国的巨大影响1982年，辽宁全国第一次遗传学大会：科学没有国界科学不分信仰科学不分阶级谈家桢教授在报告中痛哭流涕，会议结束后他自费宴请与会者共进晚餐。遗传学在中国的争论宣告结束三、遗传密码的破译2、进一步破译1961—1964年，尼仑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），建立了无细胞反应体系。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中每种碱基的比例取决于溶液中各种碱基的比例。三、遗传密码的破译2、进一步破译苯丙氨酸丝氨酸脯氨酸酪氨酸异亮氨酸缬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与C）U与C组成U与C组成U与A组成U与A组成U与GU与N组成U与G组成U与G组成U与G组成以U3为100%时三联体的相对几率相对碱基含量多核苷酸链碱基组成密码子推断三、遗传密码的破译3、完全破译1964年，尼仑伯格发现蛋白质翻译过程中有三个特点：每种氨基酸在酶的作用下只与自己对应的tRNA结合tRNA能识别自己所携带的氨基酸的三联体密码三联体密码都与核糖体在翻译起始后形成一个复合体AAAUUU赖三联体结合实验三、遗传密码的破译3、完全破译人工合成只含三个碱基的片段，如UUG、UGU、GUU等等第一步将三核苷酸片段与大肠杆菌的核糖体结合第二步配制含20种氨基酸和相应tRNA的溶液1-20号，每号溶液中只有一种用14C标记的氨基酸第三步在配制好的1-20号氨基酸-tRNA溶中分别加入含有一种核苷酸片段的核糖体，一段时间后，用硝酸纤维素膜过滤，测定过滤膜上核糖体的放射性第四步三联体结合实验三、遗传密码的破译3、完全破译核糖体UUGtRNA氨基酸色氨酸过滤膜上无放射性核糖体UUGtRNA氨基酸赖氨酸过滤膜上无放射性核糖体UUGtRNA氨基酸亮氨酸过滤膜上有放射性核糖体UUGtRNA氨基酸苯丙氨酸过滤膜上无放射性核糖体UUGtRNA氨基酸丙氨酸过滤膜上无放射性………………………………123420说明UUG是亮氨酸的编码无意义码的发现三、遗传密码的破译3、完全破译……核糖体UAAtRNA氨基酸色氨酸过滤膜上无放射性核糖体UAAtRNA氨基酸赖氨酸过滤膜上无放射性核糖体UAAtRNA氨基酸亮氨酸过滤膜上有放射性核糖体UAAtRNA氨基酸苯丙氨酸过滤膜上无放射性核糖体UAAtRNA氨基酸丙氨酸过滤膜上无放射性…………………………123420说明UAA是无意义码，用同样方法发现UAG、UGA也是无意义码对终止密码子的推测三、遗传密码的破译3、完全破译尼仑伯格的实验发现UAA、UAG和UGA三个密码子不编码任何氨基酸，1964年Yanol’sy发现为大肠杆菌编码trRNA还同时编码trpB、trpC、trpD、trpE四种多肽链。推测每条多肽链之间可能有终止密码子，将多肽链隔断。终止码终止码终止码终止码终止码trpEtrpDtrpCtrpBtrpA终止密码子的确定三、遗传密码的破译3、完全破译1965年，布伦纳发现大肠杆菌的一些无义突变型是在色氨酸位置上变化的，由UGG变成UGA。因此，把UGA定为终止密码子。另一些无义突变型在酪氨酸位置上变化，由UAC、UAU变成UAG、UAA，所以把UAG、UAA也定为终止密码子。起始密码子的确定三、遗传密码的破译3、完全破译1966年，等发现在体内进行合成的多肽链，其开头在细菌都为甲酰甲硫氨酸，在真核生物都为甲硫氨酸，且都是从AUG这个密码子开始，因此，将AUG定为起始密码。尼仑伯格的三联体实验是在体外进行的，合成时可以从任何一个密码子开始，可以合成从任一氨基酸开头的多肽链。分不清哪个是起始密码子。三、遗传密码的破译4、密码破译的另一种方法1965年，美国的科拉纳（horana）设计了更为巧妙的方法：合成每2个、3个或4个核苷酸为单位的重复mRNA片段，通过对比各片段翻译的氨基酸来进行密码子破译。科拉纳（horana）UCUCUCUCUCUCUCUCUCUCUCUC三、遗传密码的破译4、密码破译的另一种方法UCUCUCUCUCUCUCUCUCUCUCUC丝亮丝亮丝亮丝亮亮丝亮丝亮丝亮丝丝亮丝亮丝亮丝亮从第一个碱基读起：UCUCUC从第二个碱基读起：CUCUCU从第三个碱基读起：UCUCUC每次标记2种氨基酸共聚物2个重复注：3