補充遺傳密碼的破譯

1、第三節(jié) 遺傳密碼的破譯1第一套密碼子的誕生1954年，物理學(xué)家George Gamov根據(jù)在DNA中存在四種核苷酸，在蛋白質(zhì)中存在二十種氨基酸的對應(yīng)關(guān)系，做出如下數(shù)學(xué)推理:如果每一個核苷酸為一個氨基酸編碼，只能決定四種氨基酸(41=4);如果每二個核苷酸為一個氨基酸編碼，可決定16種氨基酸(42=16)。上述二種情況編碼的氨基酸數(shù)小于20種氨基酸，顯然是不可能的。那么如果三個核苷酸為一個氨基酸編碼的，可編64種氨基酸(43=64);若四個核苷酸編碼一個氨基酸，可編碼256種氨基酸(44=256)，以此類推。Gamov認為只有43=64這種關(guān)系是理想的，因為在有四種核苷酸條件下，64是能滿足于2

2、0種氨基酸編碼的最小數(shù)。而44=256以上。雖能保證20種氨基酸編碼，但不符合生物體在億萬年進化過程中形成的和遵循的經(jīng)濟原則，因此認為四個以上核苷酸決定一個氨基酸也是不可能的。 21961年，Brenner和Grick根據(jù)DNA鏈與蛋白質(zhì)鏈的共線性(colinearity)，首先肯定了三個核苷酸的推理。隨后的實驗研究證明上述假想是正確的。 3破譯密碼的研究先后由三個實驗逐步發(fā)展了四種破譯方法，于1965年完成。 1)在體外無細胞蛋白質(zhì)合成體系中加入人工合成的poly 開創(chuàng)了破譯遺傳密碼的先河。 1961年，美國NIH的Nirenberg和Mathaei，設(shè)想:即然mRNA有刺激無細胞系統(tǒng)中的蛋

3、白質(zhì)合成作用，加入人工合成的多聚核苷酸亦將會有這種促進作用。按此設(shè)想，他們合成了polyU作為模板，以觀察無細胞系統(tǒng)中蛋白質(zhì)合成速率。結(jié)果出乎意料，合成的肽鏈中的氨基酸殘基全部是苯丙氨酸，即polyPhe。于是第一次確認了UUU是Phe的密碼子。這樣，就在一個偶然的機會開創(chuàng)了破譯密碼的工作。 隨后，他們又以polyA和polyC為模板，證明了分別可指導(dǎo)合成polyLys和polyPro，即確定了AAA是Lys的密碼子，CCC是pro的密碼子。但是類似的實驗不能證明GGG是何種氨基酸的密碼子，因為polyG產(chǎn)生牢固的氫鍵結(jié)合，形成三股螺旋，而不與核糖體結(jié)合。 42)混合共聚物(mixed cop

4、olymers)實驗對密碼子中堿基組成的測定： 1963年，Speyer和Ochoa等發(fā)展了用兩個堿基的共聚物破譯密碼的方法。例如，以A和C原料，合成polyAC。polyAC含有8種不同的密碼子:CCC、CCA、CAA、AAA、AAC、ACC、ACA和CAC。各種密碼子占的比例隨著A和C的不同而不同， 實驗顯示AC共聚物作模板翻譯出的肽鏈由六種氨基酸組成，它們是Asp，His，Thr，Pro，和Lys，其中Pro和Lys的密碼子早先已證明分別是CCC和AAA。 根據(jù)共聚物成份不同的比例和翻譯產(chǎn)物中氨基酸比例亦不同的關(guān)系，Speyer等確定了Asp、Glu和Thr的密碼子含2AlC;His的密

5、碼子含1A2C;Thr的密碼子也可以含1A2C;Pro為3C或1A2C;Lys為3A。 但上述方法不能確定A和C的排列方式，而只能顯示密碼子中堿基組成及組成比例。 53)aa-tRNA與確定的三核苷酸序列(密碼子)結(jié)合： Nirenberg和Leder于1964年建立了破譯密碼的新方法，即tRNA與確定密碼子結(jié)合實驗。該方法利用了如下事實:在缺乏蛋白質(zhì)合成所需的因子的條件下，特異氨基酸-tRNA(aa-tRNA)也能與核糖體-mRNA復(fù)合物結(jié)合。最重要的是這種結(jié)合并不一定需要長的mRNA分子，而三核苷酸實際上就可以與核糖體結(jié)合。 例如，當(dāng)polyU與核糖體混合時，僅有Phe-tRNA(苯丙氨酰

6、-tRNA)與之結(jié)合;相應(yīng)地Pro-tRNA(脯氨酰-tRNA)特異地與polyC結(jié)合。還有GUU可促進Val-tRNA(纈氨酰-tRNA)結(jié)合，UUG促進Leu-tRNA(亮氨酰-tRNA)結(jié)合等。 雖然所有64個三核苷酸(密碼子)都可按設(shè)想的序列合成，但并不是全部密碼子均能以這種方法決定因為有一些三核苷酸序列與核糖體結(jié)合并不象UUU或GUU等那樣有效，以致不能確定它們是否能為特異的氨基酸編碼。 64)用重復(fù)共聚物(repeating copolymers)破譯密碼： Nishimura，Jones，和Khorana等人應(yīng)用有機化學(xué)和酶學(xué)技術(shù)，制備了已知的核苷酸重復(fù)序列。蛋白質(zhì)在核糖體上的合

7、成可以在這些有規(guī)律的共聚物的任一點開始，并把特異的氨基酸參入肽鏈。 使用共聚物構(gòu)成三核苷酸為單位的重復(fù)順序，如(AAG)n，它可合成三種類型的多肽:polyLys、polyArg和polyGlu，即AAG是Lys的密碼子，AGA是Arg的密碼子，GAA是Glu的密碼子。又如（AUC)n序列是polyIle、polySer和polyHis的模板。如此至1965年破譯了所有氨基酸的密碼子。78第二套密碼子的破譯 第二套密碼系統(tǒng)的實驗證據(jù)tRNA分子上某些（個）堿基對能決定tRNA的特異性。 1984年，Prather等發(fā)現(xiàn)突變的賴氨酸t(yī)RNA(tRNALys)不僅保留對Lys的特異性，而且也能攜帶丙氨酸(Ala)或甘氨酸(Gly)。這個突變的誤義抑制子tRNALys是在氨基酸接受柄螺旋區(qū)的G3 C70被G3 U70堿基對所取代。 更為直接的證據(jù)是二年前