第6課：DNA密碼

1、1DNA密碼2一個(gè)基因一個(gè)酶理論 1902年，伽羅德（Garrod）研究黑尿病，有人認(rèn)為是細(xì)菌引起的，但一些新生兒出生幾小時(shí)后即表現(xiàn)此病，而此時(shí)細(xì)菌系尚未建立，因此排除。此病是一種遺傳缺陷，通過家譜的研究，發(fā)現(xiàn)有遺傳傾向，其中60%是表兄妹結(jié)婚。 這種性狀是由隱性孟德爾因子（基因）控制的。只有當(dāng)基因純合時(shí)，才能表現(xiàn)出黑尿病癥狀。3 1908年，進(jìn)一步指出，這種隱性基因純合的個(gè)體不能產(chǎn)生一種特殊的蛋白質(zhì)即酶(尿黑酸氧化酶），因此尿黑酸不能分解，尿中積累，遇空氣被氧化成黑色“先天性代謝錯(cuò)誤”。 伽羅德關(guān)于基因功能的研究大大超前于他所處的時(shí)代，因此當(dāng)時(shí)沒有引起太多的注意。直到20世紀(jì)40年代初，由于

2、比德爾等人的工作，人們才對(duì)基因的生理功能有了突破性認(rèn)識(shí)。4比德爾的一個(gè)基因一個(gè)酶理論 1935年，摩爾根實(shí)驗(yàn)室的博士后比德爾比德爾與訪問學(xué)者伊佛路斯伊佛路斯對(duì)果蠅眼色性狀的遺傳機(jī)理進(jìn)行研究。 基因如何決定色素？基因如何決定色素？比德爾比德爾5 他倆采用移植技術(shù)，把突變型果蠅幼蟲的眼睛成功移植到正常的果蠅幼蟲中，發(fā)現(xiàn)果蠅都有正常的褐紅色。疑問：突變型果蠅的基因未變，為何眼褐紅色？6比德爾的結(jié)論：正常細(xì)胞含（色素）某種化學(xué)物質(zhì)，突變體缺乏，移植后，突變體得到了這種物質(zhì)，因此表型正常。 推測(cè)：基因?qū)е乱环N化學(xué)物質(zhì)的產(chǎn)生，該物質(zhì)又決定基因所表達(dá)的性狀?；虻淖饔门c特定化學(xué)物質(zhì)的產(chǎn)生有關(guān)。 7（三）（三

3、）“一個(gè)基因一個(gè)酶一個(gè)基因一個(gè)酶”的假說的假說 1941年比德爾比德爾和塔特姆塔特姆等提出的。紅色面包霉各種突變體的代謝功能異常往往是因?yàn)橐环N酶的缺陷，產(chǎn)主這種酶缺陷的原因是單個(gè)基因的突變，提出了“一個(gè)基因一個(gè)酶”的學(xué)說。說明基因是通過控制酶的合成決定代謝過程和性狀發(fā)育的。塔特姆塔特姆比德爾比德爾8紅色面包霉?fàn)I養(yǎng)缺陷型 突變體的篩選9 比德爾開辟了一個(gè)嶄新的思路性狀的表達(dá)方式都可歸納為某種生化性質(zhì)的表達(dá)，為遺傳學(xué)遺傳學(xué)與生物化學(xué)生物化學(xué)的結(jié)合構(gòu)筑了橋梁。也揭開了人類認(rèn)識(shí)基因功能的序幕。 10基因與蛋白質(zhì)的關(guān)系 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)都由基因編碼，基因里必須包含什么樣的信息才能決定一個(gè)特定的多肽或蛋白質(zhì)的

4、結(jié)構(gòu)呢？ 11 遺傳密碼遺傳密碼是是2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代闡明的。年代闡明的。 蓋莫夫蓋莫夫(G.Gamov)最先對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行了挑戰(zhàn)。他以著最先對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行了挑戰(zhàn)。他以著有有奇異王國(guó)的湯姆金斯奇異王國(guó)的湯姆金斯等優(yōu)秀的科學(xué)讀物而著稱。等優(yōu)秀的科學(xué)讀物而著稱。由于他不是實(shí)驗(yàn)生物學(xué)家，所以，他專門從由于他不是實(shí)驗(yàn)生物學(xué)家，所以，他專門從理論上理論上嘗試嘗試密碼的解讀。密碼的解讀。 他設(shè)想如果每種堿基與一種氨基酸相對(duì)應(yīng)，那么只能產(chǎn)他設(shè)想如果每種堿基與一種氨基酸相對(duì)應(yīng)，那么只能產(chǎn)生生4種氨基酸。實(shí)際上，氨基酸有種氨基酸。實(shí)際上，氨基酸有20種種，不可能一個(gè)字，不可能一個(gè)字母母(堿基堿基)與一

5、種氨基酸相對(duì)應(yīng)。與一種氨基酸相對(duì)應(yīng)。 那么，那么，2個(gè)堿基與個(gè)堿基與1種氨基酸對(duì)應(yīng)又如何呢種氨基酸對(duì)應(yīng)又如何呢? 44=16，只能產(chǎn)生只能產(chǎn)生16種氨基酸，還不夠數(shù)。種氨基酸，還不夠數(shù)。 因此，蓋奠夫認(rèn)為因此，蓋奠夫認(rèn)為3個(gè)堿基與一種氨基酸相對(duì)應(yīng)個(gè)堿基與一種氨基酸相對(duì)應(yīng)就好了，就好了，也就是說，也就是說，444=64，產(chǎn)生，產(chǎn)生64種氨基酸。種氨基酸。 遺傳密碼的發(fā)現(xiàn)遺傳密碼的發(fā)現(xiàn)12 雖然雖然6464這個(gè)數(shù)字比這個(gè)數(shù)字比20(20(種氨基酸種氨基酸) )大兩倍以上，但后來的研究證大兩倍以上，但后來的研究證實(shí)這一建議是正確的。實(shí)這一建議是正確的。 也就是說，后來查明，遺傳信息的主要特征之一，就

6、是連續(xù)的也就是說，后來查明，遺傳信息的主要特征之一，就是連續(xù)的3 3個(gè)堿基與個(gè)堿基與1 1種氨基酸相對(duì)應(yīng)。這種連續(xù)的種氨基酸相對(duì)應(yīng)。這種連續(xù)的3 3個(gè)堿基稱為三聯(lián)體個(gè)堿基稱為三聯(lián)體(triplet)(triplet)。伽莫夫的推理直到這一步還是正確的，但他也伽莫夫的推理直到這一步還是正確的，但他也犯了錯(cuò)誤犯了錯(cuò)誤。問題出在問題出在三聯(lián)體中的每個(gè)堿基三聯(lián)體中的每個(gè)堿基作為信息只作為信息只讀一次讀一次還是還是重復(fù)讀重復(fù)讀多次。多次。也許考慮到效率的問題，蓋莫夫認(rèn)定一個(gè)堿基可能被重復(fù)讀多也許考慮到效率的問題，蓋莫夫認(rèn)定一個(gè)堿基可能被重復(fù)讀多次。次。13 DNA密碼是不是三聯(lián)體、閱讀方式是哪種、有沒有

7、分隔符？ 1961年，克里克克里克和布倫納布倫納利用化學(xué)誘變劑來刪除或插入DNA堿基對(duì)，發(fā)現(xiàn)相關(guān)堿基序列中增加或刪除1個(gè)堿基，無法產(chǎn)生正常的蛋白質(zhì)，增加或刪除2個(gè)堿基，也無法產(chǎn)生正常的蛋白質(zhì)。但增加或刪除3個(gè)堿基，卻可以產(chǎn)生正常的蛋白質(zhì)。這是為什么？14 JIM ATE THE FAT CAT JIM AET HEF ATC AT JIM ATE THE FAT CAT JIM ATH EFA TCA T JIM ATE THE FAT CAT JIM THE FAT CAT JIM ATE THE FAT CAT JIM AHE FAT CAT1516無細(xì)胞系統(tǒng)無細(xì)胞系統(tǒng)尼倫伯格（尼倫伯格（

8、NirenbergNirenberg）在）在19611961年前年前開創(chuàng)了開創(chuàng)了蛋白質(zhì)的無細(xì)胞合成蛋白質(zhì)的無細(xì)胞合成。這方。這方法對(duì)了解法對(duì)了解mRNAmRNA如何翻譯為功能性蛋如何翻譯為功能性蛋白質(zhì)，作出了重要貢獻(xiàn)。白質(zhì)，作出了重要貢獻(xiàn)。蛋白質(zhì)無細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)蛋白質(zhì)無細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)（去掉了（去掉了DNADNA、RNARNA）蛋白質(zhì)生物合成的蛋白質(zhì)生物合成的機(jī)器是核糖體機(jī)器是核糖體，如果存在有如果存在有tRNAtRNA，以及，以及必要的酶必要的酶和和各種因子各種因子，只要提供，只要提供外援的外援的RNARNA模版模版、氨基酸氨基酸和和能量能量，無需其他的細(xì)胞組，無需其他的細(xì)胞組分（包括細(xì)胞核），分

9、（包括細(xì)胞核），蛋白質(zhì)也能順蛋白質(zhì)也能順利地合成利地合成。也就是說，轉(zhuǎn)錄和翻譯。也就是說，轉(zhuǎn)錄和翻譯是可以彼此獨(dú)立，不需偶合。而在是可以彼此獨(dú)立，不需偶合。而在各種各種細(xì)胞的裂解液中幾乎都含有蛋細(xì)胞的裂解液中幾乎都含有蛋白質(zhì)生物合成所需的核糖體以及各白質(zhì)生物合成所需的核糖體以及各種酶和因子種酶和因子。尼倫伯格 Nirenberg17尼倫伯格尼倫伯格首先把多首先把多( (聚聚) )尿苷酸尿苷酸 許多含許多含U U的核苷酸組成的多的核苷酸組成的多( (聚聚) ) 核苷酸，稱為核苷酸，稱為Po1yPo1y（U U） 作為密碼加入作為密碼加入體系體系之中，結(jié)果合成了之中，結(jié)果合成了只由一種叫做只由一種

10、叫做苯丙氨酸苯丙氨酸的氨基酸連接起來的多的氨基酸連接起來的多( (聚聚) )苯丙氨酸。苯丙氨酸。由此可見，遺傳密碼由此可見，遺傳密碼UUUUUU對(duì)應(yīng)的是苯丙氨酸。對(duì)應(yīng)的是苯丙氨酸。18核糖體結(jié)合技術(shù)保溫 分析留在濾膜上的-AA-tRNA 確定與核糖體結(jié)合的AA特定特定+ + + 20 + 20 種種AA-tRNAAA-tRNA19 1966年科學(xué)家霍拉納霍拉納發(fā)明了一種新的RNA合成方法，通過這種方法合成的RNA可以是2個(gè)、3個(gè)或4個(gè)堿基為單位的重復(fù)序列，例如:將A、C兩種核苷酸縮合為ACACACACAC長(zhǎng)鏈，以它作人工信使進(jìn)行蛋白質(zhì)合成，結(jié)果發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物是蘇氨酸蘇氨酸和組氨酸組氨酸的多聚體，說明

11、蘇氨酸的密碼子可能是ACA，也可能是CAC；同樣，組氨酸的密碼子可能是CAC，也可能是ACA。 另一組實(shí)驗(yàn)，以（CAA）n為人工mRNA，蛋白質(zhì)合成產(chǎn)物為谷氨酰胺、天冬酰胺和蘇氨酸蘇氨酸的多聚體。三者密碼子都可能是CAA、AAC、ACA。 兩組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)ACA是蘇氨酸的密碼子，CAC必定就是組氨酸的密碼子。20遺傳密碼字典遺傳密碼字典2122遺傳密碼的性質(zhì)遺傳密碼的性質(zhì)簡(jiǎn)并性簡(jiǎn)并性 指一個(gè)氨基酸具有兩個(gè)或兩個(gè)以上的密碼子。指一個(gè)氨基酸具有兩個(gè)或兩個(gè)以上的密碼子。密碼子的第三位堿基改變往往不影響氨基酸密碼子的第三位堿基改變往往不影響氨基酸翻翻譯譯。 擺動(dòng)性擺動(dòng)性 mRNAmRNA上的

12、密碼子與轉(zhuǎn)移上的密碼子與轉(zhuǎn)移RNA(RNA(tRNAtRNA) )上的反密碼上的反密碼子配對(duì)辨認(rèn)時(shí)，大多數(shù)情況遵守子配對(duì)辨認(rèn)時(shí)，大多數(shù)情況遵守堿基互補(bǔ)配對(duì)堿基互補(bǔ)配對(duì)原則原則，但也可出現(xiàn)不嚴(yán)格配對(duì)，尤其是密碼子，但也可出現(xiàn)不嚴(yán)格配對(duì)，尤其是密碼子的第三位堿基與反密碼子的第一位堿基配對(duì)時(shí)的第三位堿基與反密碼子的第一位堿基配對(duì)時(shí)常出現(xiàn)不嚴(yán)格堿基互補(bǔ)，這種現(xiàn)象稱為擺動(dòng)配常出現(xiàn)不嚴(yán)格堿基互補(bǔ)，這種現(xiàn)象稱為擺動(dòng)配對(duì)。對(duì)。 通用性通用性 蛋白質(zhì)生物合成蛋白質(zhì)生物合成的整套密碼，從的整套密碼，從原核生物原核生物到人到人類都通用。但已發(fā)現(xiàn)少數(shù)例外，如動(dòng)物細(xì)胞的類都通用。但已發(fā)現(xiàn)少數(shù)例外，如動(dòng)物細(xì)胞的線粒體線粒

13、體、植物細(xì)胞的、植物細(xì)胞的葉綠體葉綠體。 23乳糖操縱子學(xué)說是關(guān)于原核生物基因結(jié)構(gòu)及其表達(dá)調(diào)控乳糖操縱子學(xué)說是關(guān)于原核生物基因結(jié)構(gòu)及其表達(dá)調(diào)控學(xué)說。由法國(guó)巴斯德研究所著名的科學(xué)家學(xué)說。由法國(guó)巴斯德研究所著名的科學(xué)家Jacob和和Monod在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上于在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上于1961年年 首先提出的。首先提出的。Franois Jacob Jacques Monod 乳糖操縱子乳糖操縱子24-半乳糖苷酶催化的水解和異構(gòu)化反應(yīng)半乳糖苷酶催化的水解和異構(gòu)化反應(yīng)25如果供大腸桿菌生長(zhǎng)的培養(yǎng)基中沒有乳糖，那么細(xì)胞內(nèi)參與乳糖分解代謝的三種酶，即-半乳糖苷酶、乳糖透過酶半乳糖苷酶、乳糖透過酶和巰基半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰

14、酶巰基半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶很少，如每個(gè)細(xì)胞的-半乳糖苷酶的平均含量只有0.5個(gè)5個(gè)?？墒且坏┰谂囵B(yǎng)基中加入乳糖或某些乳糖的類似物，則在幾分鐘內(nèi)，每個(gè)細(xì)胞中的-半乳糖苷酶分子數(shù)量驟增，可高達(dá)5 000個(gè)，有時(shí)甚至可占細(xì)菌可溶性蛋白的 510。與此同時(shí)，其它兩種酶的分子數(shù)也迅速提高。由此可見，新合成的-半乳糖苷酶、透過酶和乙?；赣傻孜锶樘腔蚱漕愃莆镏苯诱T導(dǎo)產(chǎn)生，乳糖及其相關(guān)類似物被稱為誘導(dǎo)物。 葡萄糖效應(yīng)和乳糖誘導(dǎo)葡萄糖效應(yīng)和乳糖誘導(dǎo)26大腸桿菌乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)大腸桿菌乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)1個(gè)調(diào)節(jié)基因（lacI）位于Plac附近，有其自身的啟動(dòng)子和終止子，轉(zhuǎn)錄方向和結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄方向相反，呈低水平的組成

15、型表達(dá)，編碼阻遏蛋白阻遏蛋白1個(gè)操縱基因（lacO） 位于Plac和lacZ基因之間，為阻遏蛋白結(jié)合的位點(diǎn)1個(gè)啟動(dòng)子（Plac）3個(gè)結(jié)構(gòu)基因（lacZ、lacY和lacA）組成。lacZ編碼-半乳糖苷酶半乳糖苷酶，催化很少一部分乳糖異構(gòu)化為別乳糖，絕大多數(shù)乳糖水解為半乳糖和葡萄糖；lacY基因編碼半乳糖透過酶透過酶，其功能是使環(huán)境中的-半乳糖苷能透過細(xì)胞壁和細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)；lacA基因編碼轉(zhuǎn)乙?；皋D(zhuǎn)乙?；?。轉(zhuǎn)錄時(shí)，RNA聚合酶首先與Plac結(jié)合，通過lacO向右，按lacZlacYlacA方向進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，每次轉(zhuǎn)錄出來的一條mRNA上都帶有這3個(gè)基因。27乳糖操縱子三個(gè)阻遏蛋白結(jié)合位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)

16、特征及其作用乳糖操縱子三個(gè)阻遏蛋白結(jié)合位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)特征及其作用葡萄糖效應(yīng)在有葡萄糖存在時(shí)，細(xì)菌優(yōu)先利用環(huán)境中的葡萄糖，即使有誘導(dǎo)物乳糖的存在，乳糖操縱子也處于被抑制的狀態(tài)，直到葡萄糖被消耗完后才能解除抑制，這時(shí)細(xì)菌才開始利用乳糖進(jìn)行生長(zhǎng)。這說明乳糖的存在僅僅是乳糖操縱子開放的必要條件，但還不是充要條件。同時(shí)有乳糖和葡萄糖的情況下，乳糖操縱子也不能正常開放的原因是乳糖操縱子的開放還需要一種稱為cAMP受體蛋白（CAP）的激活蛋白的正調(diào)控。只有在負(fù)調(diào)控不起作用、正調(diào)控起作用的條件下，乳糖操縱子才能開放。 CAP的正調(diào)控作用的正調(diào)控作用乳糖操縱子的操縱基因和乳糖操縱子的操縱基因和CAP-cAMP結(jié)合位

17、點(diǎn)序列結(jié)合位點(diǎn)序列CAP-cAMP在在CAP位點(diǎn)上與位點(diǎn)上與RNA pol的相互作用的相互作用 CAP-cAMP與其結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合以后導(dǎo)致與其結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合以后導(dǎo)致DNA發(fā)生的彎曲發(fā)生的彎曲為什么乳糖操縱子既要受到負(fù)為什么乳糖操縱子既要受到負(fù)調(diào)控，又要受到正調(diào)控？調(diào)控，又要受到正調(diào)控？ 一是使細(xì)胞能夠優(yōu)先利用葡萄糖，而優(yōu)先利用葡萄糖對(duì)細(xì)胞來說是有益的，因?yàn)閰⑴c葡萄糖分解的基因均是管家基因，這樣葡萄糖可以迅速地被分解，為細(xì)胞提供能量； 二是lac啟動(dòng)子序列是一個(gè)弱啟動(dòng)子，而CAP-cAMP的激活就彌補(bǔ)了其啟動(dòng)子活性的“先天不足”。33發(fā)現(xiàn)乳糖操縱子的意義 使得人們對(duì)DNA和蛋白質(zhì)之間的關(guān)系了解的更加

18、全面。一方面，DNA決定著蛋白質(zhì)，它的堿基序列決定蛋白質(zhì)氨基酸的序列；另外，蛋白質(zhì)也對(duì)DNA起著反作用，它可以通過和DNA結(jié)合，直接和DNA發(fā)生交互作用，進(jìn)而控制基因的活動(dòng)。34 19681968年年Francis CrickFrancis Crick在他的論文在他的論文“基因密碼的起源基因密碼的起源”一文中提到一文中提到“可能第一個(gè)酶是具有復(fù)制能力的可能第一個(gè)酶是具有復(fù)制能力的RNARNA”時(shí)，時(shí)，沒有人予以注意。沒有人予以注意。 2020年后，在年后，在19871987年第年第5252屆冷泉港定量生物學(xué)國(guó)際討論會(huì)屆冷泉港定量生物學(xué)國(guó)際討論會(huì)上上Alan WeinerAlan Weiner做

19、會(huì)議總結(jié)時(shí)又重復(fù)了做會(huì)議總結(jié)時(shí)又重復(fù)了2020年前年前Francis Francis CrickCrick的話，會(huì)議注意力已集中到最近發(fā)現(xiàn)的具有酶活的話，會(huì)議注意力已集中到最近發(fā)現(xiàn)的具有酶活性的性的RNARNA分子上。分子上。核酶的發(fā)現(xiàn)核酶的發(fā)現(xiàn)35 19811981年，年，CechCech發(fā)現(xiàn)四膜蟲發(fā)現(xiàn)四膜蟲rRNArRNA的前體在沒有蛋白質(zhì)的情況下的前體在沒有蛋白質(zhì)的情況下能專一地催化寡聚核苷酸底物能專一地催化寡聚核苷酸底物的切割與連接，具有分子內(nèi)催的切割與連接，具有分子內(nèi)催化的活性。化的活性。 四膜蟲四膜蟲36 19831983年，年，AltmanAltman等發(fā)現(xiàn)大腸桿菌等發(fā)現(xiàn)大腸桿菌RNasePRNaseP的蛋白質(zhì)部分除去的蛋白質(zhì)部分除去后，在體外高濃度后，在體外高濃度MgMg2+2+存在下，與留下的存在下，與留下的RNARNA部分部分(M1 RNA)(M1 RNA)具有與全酶相同的催化活性。具有與全酶相同的催化活性。 19861986年，年，CechCech又證實(shí)又證實(shí)rRNArRNA前體的內(nèi)含子能催化分子前體的內(nèi)含子能催化分子間反應(yīng)。間反應(yīng)。37切赫切赫(Thomas