高中生物科学家小故事生物化学家遗传密码之父尼伦伯格

生物化学家、遗传密码之父尼伦伯格尼伦伯格（Nirenberg,MarshallWarren，1927-2010），美国生物化学家，美国科学院院士和美国艺术与科学院院士，遗传密码之父，阐明白遗传密码及其在蛋白质合成中的作用，曾获获诺贝尔生理学或医学奖、美国科学院分子生物学奖、美国国家科学奖章、盖尔德纳基金会国际奖、富兰克林奖章、霍维茨奖、拉斯克基础医学奖等。1927年4月10日，尼伦伯格诞生于美国纽约市的布鲁克林，十几岁时，尼伦伯格就对自然界充溢了科学上和美学上的观赏，很擅长视察四周的生命世界，如植物、昆虫和鸟等，并将视察结果具体记录下来。在奥兰多他还特别喜爱探究沼泽和洞窟地带，以收集大量蜘蛛来探讨。1945年，尼伦伯格考入佛罗里达高校读动物学专业，并于1948年获得学士学位。此后，尼伦伯格先后作为生物学教学助理和养分试验室探讨助理工作了两年，于1950年回到佛罗里达高校进行探讨生学习，1952年获得动物学硕士学位，论文是《果蝇的解剖学和分类学探讨》。除动物学外，尼伦伯格还对生物化学产生了爱好，因此进入密歇根高校生物化学系跟随霍格进行博士阶段的学习，主要探讨腹水肿瘤细胞摄取己糖的机制，于1957年获得生物化学博士学位。由于在肿瘤方面的探讨，博士毕业的尼伦伯格获得了美国癌症学会授予的博士后奖学金，得以进入美国卫生探讨院的关节炎、代谢和消化疾病探讨所进行博士后探讨，并先后在小斯特腾试验室和雅各比试验室工作，进一步驾驭了生物化学的基础学问和试验方法。1959年，尼伦伯格转入NIH的代谢酶探讨所工作并于翌年正式加入NIH，在NIH始终工作到退休。1959年，克里克和布伦纳在理论上确立了遗传密码由三个连续核苷酸构成，即三联体密码，并于1961年用一个设计精致的试验证明白这种推想，但却无法进一步供应证据说明具体的遗传密码。就在1959年，尼伦伯格也对遗传密码产生了巨大爱好，部分缘由在于这个问题充溢了挑战，极大地吸引了他的求知欲。尼伦伯格想知道RNA是否是遗传物质DNA与功能物质蛋白质之间的信使或者说中介分子，但是尼伦伯格未受过正规的分子遗传学训练，只是业余时间学习了少许相关学问。因此，他起先向四周有相关探讨背景的同事请教。当同事获知尼伦伯格的探讨安排时，都纷纷劝他放弃，他们认为对于缺乏分子遗传学背景的生物化学家而言，起先一个全新领域显得特别无趣，其中一个同事甚至认为尼伦伯格的确定无异于“学术自杀”。尼伦伯格仍坚持着自己的想法，着手进行遗传密码方面的探讨工作，特殊是1960年马特伊的到来更是加速了遗传密码的探讨。马特伊来自德国波恩高校，当时正在康奈尔高校进行博士后探讨，他特别擅长试验探讨，娴熟的操作对尼伦伯格的胜利是一个极大保障。为了破译遗传密码，尼伦伯格首先须要建立一个稳定的试验体系，而对于生物化学探讨背景的他而言，无细胞体系最为志向。在尝试了几种生物后，尼伦伯格最终选定大肠杆菌无细胞体系作为探讨对象。他首先想搞清晰的是DNA还是RNA干脆指导了蛋白质的合成。尼伦伯格先制备了大肠杆菌无细胞体系，经过一段时间保温后可破坏细胞原有DNA和RNA（为保证没有DNA还添加了DNA酶），此时蛋白质合成基本停止，随后分别加入DNA和RNA，结果发觉只有RNA而不是DNA可加快蛋白质的合成，这个结果清晰地说明RNA干脆指导了蛋白质合成。在此基础上，尼伦伯格设想，假如可将已知序列的RNA加入到无细胞体系，将合成由特定氨基酸构成的蛋白质，进一步依据氨基酸的类型就可确定相应的遗传密码。当时NIH其他科学家已合成一系列线性多聚重复核苷酸，如多聚A、多聚T等，尼伦伯格获得肯定量由多聚U（即…UUUUU…）构成的RNA（之所以选择U是因为这是RNA区分于DNA的碱基，进一步保证是RNA指导了蛋白质的合成），随后制定了一个破解遗传密码的试验程序让马特伊来实施、完成。1961年5月的某天晚上，马特伊将多聚U加入到包含核糖体和其他蛋白质合成所需细胞元件的无细胞蛋白质合成体系中，同时将该体系分为20份，每份添加1种氨基酸，共20种，其中只有一种为放射性标记，结果在添加了放射性标记的苯丙氨酸体系中检测到合成的蛋白质也拥有放射性，而其他氨基酸均没有这种效应，考虑到多聚U只有一种三联体组合，即UUU，因此这个结果就意味着UUU代表苯丙氨酸的遗传密码。这个经典试验又被称为尼伦伯格-马特伊试验，它一方面鉴定出第一个遗传密码，另一方面为存在信使RNA（mRNA）供应了第一个证明，试验结果最终发表在当年的《美国科学院院刊》。现在已知道，蛋白质翻译时须要核糖体首先识别mRNA的起始密码才可进行随后的翻译，但多聚U不具备这种特征，因此应无法完成翻译，这个事实尼伦伯格在当时并不知情。但巧合的是，尼伦伯格和马特伊应用的无细胞蛋白质合成体系中加入了正常数量两倍的镁离子，后来发觉正是这个失误弥补了翻译时核糖体对起始密码的需求，从而使多聚U也可完成翻译、生成多聚苯丙氨酸。1961年8月，在莫斯科召开的国际生物化学大会上，尼伦伯格为大会供应了一篇论文，并被邀请在一个小的分会场做报告，在空空如也的报告厅，只有不超过30位科学家在倾听，幸运的是其中一位科学家对这项进展很感爱好，并将报告内容告知了大会组织者之一克里克。克里克更是对这个结果感爱好，因此邀请尼伦伯格其次天在一个可容纳千人的大报告厅重复了头天的报告，马上引起了科学界极大的轰动，更多的同行对此赐予关注，甚至一些媒体也起先报道遗传密码破译的事情，不仅科学界就连大众媒体都认为UUU对应苯丙氨酸是遗传密码探讨的最重大突破。尼伦伯格的胜利具有特别重要的意义。一方面当时他年仅34岁，另一方面他还不属于新形成的分子生物学圈子里面的成员，因此更加引人关注。多所高校为尼伦伯格供应了教授职位，甚至法国巴斯德探讨所的雅各布（F.Jacob，1965年诺贝尔生理学或医学奖获得者）也邀请他加入探讨团队。然而，尼伦伯格回绝了全部邀请，而是选择接着呆在NIH，因为他信任稳定的年度探讨资助能使他全身心投入科学探讨，而不必花费太多时间来申请基金资助。1962年，尼伦伯格成为NIH生化遗传学小组的主任。尽管此时马特伊离开了试验室，但是更多博士后和技术人员加入了进一步破译遗传密码的行列。遗传密码破译的初步胜利也掀起了该领域激烈的科学竞赛，更多探讨者加入这个行列，年轻的尼伦伯格突然发觉四周一下子涌现出很多优秀且资金雄厚的分子遗传学家，他们也起先加速探讨遗传密码，其中最为闻名的是1959年诺贝尔生理学与医学奖获得者、纽约高校医学院生物化学家奥乔亚（S.Ochoa）。NIH的领导者和尼伦伯格的同事也意识到遗传密码的重要性，面对第一位可能荣获诺贝尔奖的NIH科学家，很多NIH探讨人员短暂放弃自己的工作来帮助尼伦伯格，从而构成了一个约20人的小组，起先了全面破译遗传密码的探讨。尼伦伯格应用破译UUU密码的方法原理破译了AAA（编码赖氨酸）和CCC（编码脯氨酸），但在探讨GGG时，却遇到巨大困难。无细胞体系中检测不到任何放射性蛋白质的合成，这说明该方法还有缺陷，尤其是针对64个三联体密码中的非重复密码，须要新的探讨方法来破解。尼伦伯格尝试了多种方法，但始终收效不大，进展缓慢，只破译了少数几个密码，直到1963年，另一位博士后莱德加入试验室后才使探讨出现重大突破。莱德原本是位医学博士，在获知尼伦伯格胜利破解第一个遗传密码后也特别兴奋，因此申请加入尼伦伯格试验室。当时已发觉了三种RNA，并对它们在蛋白质翻译过程中的作用有了初步了解。mRNA为蛋白质翻译的模板；核糖体RNA（rRNA）构成核糖体为蛋白质供应翻译场所；而转运RNA（tRNA）一方面负责运输氨基酸，另一方面通过自身的反密码与密码碱基配对而识别核糖体上的mRNA。莱德发觉人工合成的三核苷酸也有与mRNA类似的功能，在无细胞体系中也可与携带相应氨基酸的tRNA结合，并最终在核糖体上形成大的复合物。该复合物无法有效通过特定孔径的滤膜，依据这种特性，莱德开发了三联体-核糖体结合试验来探讨遗传密码。三联体-核糖体结合试验是分子生物学史上的经典试验之一，也被称为莱德-尼伦伯格试验。

图1莱德——尼伦伯格试验模式图（首先合成不同碱基构成的三核苷酸，如AGC，将其加入无细胞体系。同时加入1种放射性标记的氨基酸，如丝氨酸或苯丙氨酸，和19种未标记的氨基酸。待反应一段时间后，将反应体系用滤膜过滤，假如为非对应氨基酸。如苯丙氨酸，则与tRNA结合的氨基酸通过滤膜，无法在滤膜上检测到强的放射性（右）；假如为对应氨基酸．如丝氨酸。则形成的复合物无法通过滤膜，因此在滤膜上检测到放射性（左），从而确定遗传密码所对应的氨基酸（AGC为丝氨酸的遗传密码）。）利用新开发的方法，尼伦伯格探讨小组很快就破译了全部20种氨基酸的遗传密码，与此同时，威斯康星高校生物化学家霍拉纳用其他方法获得了和尼伦伯格一样的结果，进一步证明白结果的牢靠性。1966年，64种遗传密码全部被破译，并有了第一张遗传密码表，其中61种密码编码20种氨基酸，另外3种（UAA、UAG、UGA）不编码任何氨基酸，仅供应终止信号。尼伦伯格和同事还比较了大肠杆菌和爪蟾及仓鼠的遗传密码，结果发觉它们都运用相同的遗传密码，这称为密码的通用性。这项发觉具有特别重要的哲学意义，它意味着地球上全部生命形式都运用相同的语言，随后更广泛的探讨进一步证明白这个结论。1968年，尼伦伯格由于“对遗传密码及其在蛋白质合成过程方面作用的说明”而与霍拉纳及霍利（R.Holley）共享了诺贝尔生理学或医学奖。遗传密码的破译在分子生物学史上具有特别重要的意义，该项目的完成在当时使科学家认为分子生物学领域的基本问题已解决，因此很多闻名分子生物学家纷纷离开，而选择其他更有挑战性的探讨领域，其中神经生物学是最多的一个探讨方向，尼伦伯格也选择了神经生物学。之所以选择该领域，是因为尼伦伯格认为神经生物学是遗传密码外另一个涉及信息加工和处理的生物学系统。神经生物学领域充溢了太多未解的新问题和新谜团，喜爱挑战自我的尼伦伯格再一次转换了探讨领域。1967年，神经生物学领域的一大空白是关于神经密码的特征。当时，神经生物学家认为，与遗传信息类似，神经信息加工也可能通过某种神经密码来完成。尼伦伯格利用破解遗传密码时所熟识的理论和试验方法来探讨神经密码，努力找寻着神经密码的一般特征、神经系统运用信息的基本单位和神经系统所包含的内部逻辑等。他花费了一年多时间考虑了神经密码的方方面面，但最终这些想法都被否定，从未发表任何相关论文。尼伦伯格在最初撰写诺贝尔奖颁奖典礼的演讲稿时，曾考虑将遗传密码和神经密码类比的内容写入，但考虑到严谨性，最终删除了这些材料。虽然尼伦伯格关于神经密码的探讨仅停留在理论阶段，但这些想法极大激发了他对大脑和神经系统形成机制的新奇心。神经细胞瘤是一种由发育中的神经元构成的肿瘤，1960年头主要用作探讨抑制癌细胞生长的试验模型，而尼伦伯格另辟捷径，将这些细胞用于神经发育的探讨。发育完全的神经元已分化成执行特定功能的特化细胞，无法用于神经发育过程的探究，而尼伦伯格认为肿瘤神经元仍保持分裂神经元的特性，是一个较志向的探讨模式。尼伦伯格首先须要完成神经细胞瘤的组织培育，但他以前根本没有受过相应训练，因此再一次向四周同事请教。他的同事尼尔森是一位神经生理学家，两人确定合作探讨。一方面尼尔森教给尼伦伯格神经细胞瘤的培育方法，另一方面尼伦伯格教给尼尔森分子生物学的相关学问，最终实现了用分子生物学方法来探讨体外组织培育的神经细胞瘤，这项进展可允许神经生物学家在离体条件下用显微镜及其他仪器视察和探讨神经细胞的发育。尼伦伯格制备了不同类型的肿瘤细胞系，为此还建立了储存多种细胞系的细胞库，供应应世界各地的科学家进行探讨。肿瘤细胞系的建立为尼伦伯格进一步探讨神经发育供应了极大便利，他用这些细胞系追踪神经元的快速生长，视察神经元对吗啡的感知实力，探讨特定神经递质的合成等。他还依据神经递质的合成实力开发出一种区分神经元的新方法，从而使神经元分类更加精细。尼伦伯格对神经细胞瘤进行了十几年的探讨，用多种试验方法探究神经细胞内部精妙的调整过程，将自己在生物化学和分子生物学方面的阅历应用到了一个全新领域。1970年头中期，尼伦伯格还确定探讨鸡视网膜神经突触的形成机制。他发觉视网膜细胞在体外分别后仍可重新结合，并产生突触，而分别神经元不再形成突触，于是将视网膜细胞开发为突触形成机制探讨的重要模式。尼伦伯格在神经生物学方面探讨了20多年，共发表论文70多篇，取得了一系列重要进展。当然，这些成就无法与对破译遗传密码的贡献相媲美。尼伦伯格充分利用自己的声望主动参加社会事务。他始终想通过科研献身社会，因此主动呼吁科学家应当担负起肯定的社会责任。1998年2月，尼伦伯格签署了美国细胞生物学学会给美国时任总统克林顿和国会反对人类克隆的信。尼伦伯格还意识到自己科研工作的广泛社会影响力