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基因蓝图变现实_话说遗传和遗传工

时间:2020-02-09百科知识联系我们
基因蓝图变现实_话说遗传和遗传工

基因蓝图变现实

我们有时说,张三的皮肤颜色像他父亲,眼睛形状像他母亲,但如前面所说,他父亲的皮肤颜色和他母亲的眼睛形状并没传下来,传下来的却是其双亲的遗传物质——核酸(内储有遗传信息)。可见,子代接受的是信息,表现的却是性状(如皮肤颜色和眼睛形状等),那么,在遗传信息和性状表现之间有什么联系呢?

物理学家的预言

最先试图回答这一问题的是著名的物理学家、近代量子力学奠基者——薛定谔。他用观察微观世界慧眼观察着形形色色的生物,对生物的遗传现象产生了浓厚的兴趣:啊,原来生物体是在一代一代地“复制”出与自己雷同的个体,而这种“复制”,就像工人按照工程师绘制的机器蓝图在制造机器一样,又是那么精确;那么,“复制”生命个体的蓝图是什么,我们又如何“看懂”这张蓝图呢?

薛定谔想到了电报

1844年5月24日,在美国华盛顿国家大厦的联邦法院会议厅里,人们在等待着一个奇迹的出现。物理学家莫尔斯用手按动发报机的按键,把他发明的用“点、线”两种符号按不同组合构成的电码,发往64千米外的摩城。摩城的收报机收到了莫尔斯的电码,并按莫尔斯编制的电码本翻译出电文,这就是世界上的第一份电报。发报机发送的点、线两种符号转换成收报机收到的长、短两种声音而翻译成不同的语言,就可传递人们的各种思想和感情。

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图2—4 薛定谔的生命密码

那么,在生物中是否也是类似电码的一种密码,在绘制生命的蓝图呢?薛定谔在其《生命是什么》一书中是这样预言的:“遗传物质有如莫尔斯电码的点和线那样,可取几种不同的状态,像用莫尔斯电码翻译成所有的语言那样,状态的变化大概表示着生命密码的变化。生命的密码被复制,并像拷贝一样无误地传递给子代”(图2—4)。

后来的研究表明,薛定谔的预言是正确的,他为探讨生命现象的本质指明了正确的方向。

基因和白化病

从如下的基因和白化病的关系中,可使薛定谔的生命密码(遗传信息)和生命现象(性状)的关系,有一个具体的认识。

我们的皮肤在阳光下会产生色素,呈现褐色。我们已经知道,黑色素是一种氨基酸(酪氨酸),在一种酶(酪氨酸酶)的作用下,可发生以下的变化:

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此外,已知酪氨酸酶是在酪氨酸基因(含有合成酪氨酸的遗传信息)的控制下合成的:

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可见,酪氨酸酶基因(遗传信息)是以酪氨酸酶(一种蛋白质)为媒介,与黑色素(性状)拉上关系的。人们在阳光下,皮肤是否变成褐色,酪氨酸酶基因起着决定性的作用。如果该基因发生变化,不能控制酪氨酸酶的形成,从而不能形成黑色素,那么人的皮肤即使经常晒太阳,也不会变成褐色,这就是白化病患者,这种人怕见阳光。

因此,要了解基因和性状的关系,就必须研究核酸和蛋白质之间的关系,即核酸中遗传密码(相当发报机)和蛋白质(相当收报机)之间的关系。

遗传密码字典

我们知道,核酸是由4种单核苷酸组成的多核苷酸,蛋白质是由20种氨基酸组成的多肽,也就是说,核酸和蛋白质的基本单位分别是单核苷酸和氨基酸。

遗传密码问题,说到底是寻找核酸中的4种核苷酸(或简称碱基,因单核苷酸类型由碱基决定)和蛋白质中的20种氨基酸有什么对应关系。这个关系如果搞清楚了,核苷酸中有什么样的碱基顺序,我们就可知道蛋白质中含有什么样氨基酸顺序。或者说,有什么样的核酸就可合成什么样的蛋白质(酶),有什么样的酶(如前面讲的酪氨酸酶)就可产生一定的性状(如黑色素)。这样就填补了从开始的遗传信息到最终的性状表现之间这个神秘空白。

填补这个空白的过程大致如下:

美国天文学家盖莫夫,看到了沃森和克里克在英国《自然》杂志上发表的关于DNA双螺旋结构模型后,开始苦苦思索:我们如何破译或“读懂”DNA这张生命蓝图中的遗传信息呢?联系到十年前薛定谔的预言,他想,DNA分子长链的4种碱基(可理解成4种符号),应像电报中两种符号——点(·)和线(-)那样,在生命活动中起着遗传密码的作用。生物从父母传到子女的遗传信息用的是4个符号(4种单核苷酸或碱基A、G、C、T),这四种碱基在核酸中若干个不同顺序(遗传密码),可决定蛋白质中若干个不同的氨基178数据库酸,这些氨基酸通过肽键连接起来,就组成了一个多肽。(www.anred.net.cn)

电报由“··--,·-·-”等组成四联体密码翻译成人类各种语言,那么,核酸中的碱基顺序,要几个一组配成的编码才能决定或翻译成一种氨基酸呢?或者说,编码一种氨基酸要几个碱基呢?他进行了一些简单计算:

如果是一种碱基编码(决定)一种氨基酸,只能决定4种氨基酸。显然,在核酸的遗传密码中,不是一种碱基决定一种氨基酸,因为实际有20种氨基酸。

用两个碱基编码氨基酸也不行。因为,在4种碱基中,每次取两个的排列方式只有种。显然,16种排列方式(AA、AG……CC)不能编码20种氨基酸。

根据信息论,一个氨基酸的信息量为4.32比特,一个核苷酸的信息量为2比特,因此应有3个核苷酸才能决定1个氨基酸。如果3个碱基编码一种氨基酸,那么,4种碱基可有多种排列方式。这么多排列方式,对于编码20种氨基酸似乎又太多了,但实验研究表明,的确是3个碱基在一起(称三联体密码子)决定1种氨基酸:在有的情况下,是1种密码子决定一种氨基酸;而有的情况,几种密码子都可分别决定1种氨基酸。

可是,生物学家没有接受这一解释。为什么呢?这是因为:当时只发现1种核酸,即只存在于细胞核内的DNA,而蛋白质是在细胞质内合成的;已证明,DNA没有能力穿过核膜到达细胞质,从而谈不上指挥蛋白质的合成。在已知事实面前,天文学家盖莫夫失去了招架之力,他的假说在摇篮中奄奄一息。

但后来,美国生物学家奥列金在观察一种病毒在大肠杆菌内繁殖时,发现了一位“陌生客人”,这位“客人”神出鬼没,时而出现在蛋白质合成场所,时而又全然消失。科学家对这位“陌生客人”进行了跟踪追击,经过克利克和雅各布等人的不倦努力,终于知道了它的来历,原来它是受DNA指挥合成的另外一种核酸——核糖核酸(RNA)。这种RNA中所含的遗传信息与合成它的DNA中的完全相同,充当DNA的信使,特称信使RNA(mRNA),并且在真核细胞中,这种RNA还能从细胞核穿过核膜进入细胞质。也就是说,DNA中的三联体密码控制蛋白质的合成,是通过RNA具体实现的。

那么,哪种密码子决定哪种氨基酸呢?

有人合成一种RNA,叫多尿嘧啶核苷酸,它都是由尿嘧啶核苷酸(用U表示)组成的。用这种多核苷酸来合成蛋白质,测定的结果是一条只含苯丙氨酸(一种氨基酸)的多肽,它们的关系如下:

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由此推出,多核苷酸中的碱基排列顺序UUU编码苯丙氨酸,或者说,在多核苷酸中,3个尿嘧啶UUU是苯丙氨酸的密码子。

有人用其他一些RNA也合成了蛋白质。例如,下面图解中的那种R178数据库NA的碱基顺序与合成蛋白质的关系为:

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由此可推出核酸中的CUC顺序是亮氨酸的密码子,UCU顺序是丝氨酸的密码子。

其他氨基酸的遗传密码,原则上都可类似地得到。直到1967年,用RNA的碱基为氨基酸编码的一部完整的遗传密码词典终于完成了(表2—1)。

从表2—1可看出,遗传密码有两个特点:第一,除色氨酸和甲硫氨酸各有1种密码子(分别为UGG和AUG)外,其余的氨基酸都不止1种。例如,编码苯丙氨178数据库酸的有两种密码子UUU和UUC,编码丝氨酸的有4种密码子。也就是说,多种密码子可分别编码同一种氨基酸,在遗传学特称简并现象。第二,表中AUG不仅是甲硫氨酸的密码子,还是多肽开始合成的信号。UAA、UAG和UGA不编码任何氨基酸,是多肽终止合成的信号,在遗传语言中起着句号作用。

表2—1 mRNA上的遗传密码表

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现在研究表明,整个生物界从最低等的病毒直到最高等的人类,遗传密码的含义都是一样的,共用一部遗传密码字典。也就是说,病毒中核酸的碱基顺序UUU编码的是苯丙氨酸,我们人类细胞178数据库内核酸的密码子UUU也同样是编码这种氨基酸,而不会因为高等就出现新花样;或者说,整个生物界使用同一语言,真可谓“仅此一家,别无分店”。

生物界的语言为什么能彼此相通呢?从进化的角度看,遗传密码字典的普遍适用性,在分子水平上证明了生命的统一性,所有生物具有共同的祖先。

生命是一个极为复杂的系统,然而也隐含着其内在的简单性。这表现在,所有生物有普遍适用的核酸组成(4种单核苷酸)、普遍适用的蛋白质组成(20种氨基酸)和普遍适用的遗传密码(三联体密码)。生命的这种内在简单性,验证了伟大的科学家伽利略所说的富有哲理的话:“大自然做任何事情,都是采取最简单的形式。”

地球上所有生物通用的《遗传密码字典》(表2—1)的编制成功,标志着我们认识和改造生命已进入了一个崭新的阶段。在理论上,可用统一的理论,即基因的理论解释生物的遗传、发育和进化的关系;在实践中,可用基因工程的方法改造生物,以便更好地为人类服务。