遗传密码的发现

遗传密码的发现——从DNA到蛋白质，冲破思想的牢笼

如果对于同一现象有两种不同的假说，我们应该采取比较简单的那一种。

——奥卡姆剃刀理论

1． 沃森和克里克的诺贝尔颁奖典礼-不是DNA，而是RNA

《On the Genetic Code》

„„

At the present time, therefore, the genetic code appears to have the following general properties:

(1) Most if not all codons consist of three (adjacent) bases.

(2) Adjacent codons do not overlap.

(3) The message is read in the correct groups of three by starting at some fixed point.

(4) The code sequence in the gene is co-linear with the amino acid sequence, the polypeptide chain being synthesized sequentially from the amino end.

(5) In general more than one triplet codes each amino acid.

(6) It is not certain that some triplets may not code more than one amino acid, i.e. they may be ambiguous.

(7) Triplets which code for the same amino acid are probably rather similar.

(8) It is not known whether there is any general rule which groups such codons together, or whether the grouping is mainly the result of historical accident.

(9) The number of triplets which do not code an amino acid is probably small.

(10) Certain codes proposed earlier, such as comma-less codes, two- or three-letter codes, the combination code, and various transposable codes are all unlikely to be correct.

(11) The code in different organisms is probably similar. It may be the same in all organisms but this is not yet known.

Finally one should add that in spite of the great complexity of protein synthesis and in spite of the considerable technical difficulties in synthesizing polynucleotides with defined sequences it is not unreasonable to hope that all these points will be clarified in the near future, and that the genetic code will be completely established on a sound experimental basis within a few years.

——Francis Crick在1962年诺贝尔生理与医学奖颁奖典礼上的致辞

沃森和克里克在五十年代发现DNA双螺旋结构普遍被认为是现代生物学的开端，可以说是20世纪最伟大的生命科学发现。然而此时，分子生物学只是刚刚起步，虽然关于遗传物质为何物的争论暂告一个段落，然而作为生物学重要大分子的蛋白质怎样合成，如果DNA就是基因它是如何复制的，它与蛋白质合成有什么关系„„种种问题，包围在传统的生物化学的酶学研究、名噪一时的噬菌体研究和大举进入的物理化学研究中的新兴分子生物学怎样既取长补短，又摒弃既有的陈旧的观念和无知的偏见，真正建立分子生物学的大厦、破解生命的密码还是一个令一大批科学家头疼而又迫切需要解决的问题。

沃森和克里克在1962年的颁奖典礼上，都不约而同的报告了他们研究RNA与遗传密码的最新进展，上面一段即是克里克的获奖致辞中的最后总结部分，虽然当时遗传密码的研究还只是初步阶段，但我们看到克里克的结论基本上都是对的。尽管这些结论在今天看来十分简单，可是我们看到，在这个过程中，充满了科学家的艰辛探索、反复求证，也得益于几个新的科学发现的及时出现，其中不乏伟大科学家的错误，更多的是闪光的思考和科学方法的应用，回顾从DNA双螺旋结构的发现到遗传密码的最终破译这段历史，不禁对科学发现的历程和方法唏嘘不已。

2． 控制论与信息论的影响

20世纪50年代以后，信息理论得到了飞速的发展。1948年Norbert Wiener的《控制论》引起了广泛的讨论，其基本理论是反馈控制的思想。1949年Claude Shannon发表了一篇关于密码编码问题的文章，但是这篇文章没有提及任何生物学的应用，而与此相反的是Wiener对控制论的生物应用十分感兴趣。同一年，伟大的数学家，计算机科学的先驱之一冯-诺伊曼作了“复杂制动装置”的五个讲座，认为最复杂的自动装置不仅能导向，还具有自我复制的能力。当时信息科学如果涉足生物学的话，往往与神经系统或者生态学相关，如果生物学家们能够关注信息论与控制论的发展，他们肯定会发现，上面提到的三个系统，与他们苦苦找寻的生命的编码机器是多么的吻合。

其实，最早提及编码问题的是量子物理学家薛定谔的《生命是什么》，虽然很多生物学家，包括克里克都读过这本书，但对其理解不同甚至对其中的术语没什么概念，更难说把抽象的物理“术语”与他们研究的实体——DNA、RNA和蛋白质对应起来了，所以，很长时间里，生物学家对新兴的控制论和信息论的反应是：集体沉默，直到1960年后。

3． 伽莫夫的宝石-你必须用外行的眼光来看待这个问题

实际上分子生物学早期的很多科学家来自物理领域，包括50年代到80年代很多获得诺贝尔生理学或医学奖的科学家，而伽莫夫则是其中独特的一个。作为宇宙大爆炸理论的作者之一，他在得知了沃森和克里克的双螺旋理论后，立刻变得失去了控制。当时的情况是，经典遗传学还没有意识到他们苦苦寻找的基因就在DNA上，虽然很多科学家已经暗示了有这种可能性，而蛋白质合成方面人们还是宁愿相信经典的酶学理论，很难想象蛋白质的合成只受几种核苷酸的编码，而更倾向于从自由氨基酸到有活性的蛋白的通路上有几个步骤，蛋白质的合成只是一种代谢分支。当时的科学家已经基本认可了DNA更可能是遗传物质，但他们不愿意相信有遗传密码控制蛋白质的合成，他们对三个核苷酸编写一个氨基酸这样的想法有抵触而千方百计的想绕开它，觉得不可能这样简单。而沃森和克里克为代表的一批最早的“分子生物学家”则坚持蛋白质合成有一种模板，并且这个模板可能与他们发现的DNA有关系，但在这个模型上他们遇到了很多困难。这时，外行的伽莫夫把克里克引上了正确的道路。

伽莫夫很快接受了DNA双螺旋模型并在此基础上提出了思考，他提出了一个最直接的物理模型：碱基的排列形成了不同形状的宝石型的洞用来与不同形状的氨基酸结合，由于碱基的配对的方式只能是AT配对和GC配对，所以这种碱基形成的宝石形状只能有20个。尽管沃森和克里克一看到这个模型就嘲笑其中的错误：当时已经知道RNA也参与蛋白质合成并且蛋白质只能在细胞质中合成，并且克里克和沃森将伽莫夫的25个候选氨基酸变成了20个，这其实是个奇妙的巧合，蛋白质合成的基本氨基酸后来我们知道就是这20个，但是这促使克里克和后来的科学家将目光转移到编码的问题上来，由此开始了生命密码的解码过程。

4． RNA领带俱乐部

遗传密码的研究初期其实情况是一团糟，人们既不知道碱基是如何与氨基酸对应的（几对几？重叠？线性还是立体对应？各物种普适？„„），而且这些问题相互纠缠，一个问题会对另一个问题产生很大的影响，一开始克里克和伽莫夫只有作出种种假设与已知的蛋白质氨基酸序列进行比对，很快他们发现碱基不可能是重叠编码氨基酸的。幸好伽莫夫这个热心的科学家成立的RNA领带俱乐部，这是个很搞笑的俱乐部，目的是“解决RNA结构的秘密，理解它建造蛋白质的方式”，其中不少成员是伽莫夫的物理学家朋友，每个人的领带夹上都标有一个氨基酸的简称，在这个俱乐部里讨论是被鼓励的，人们可以散布推测性的、散漫的和未经讨论的文章，其中克里克的一篇文章显得最重要。

5． 克里克的小分子

沃森和里奇一直在试图解析RNA的结构，而克里克对此经常持怀疑态度，因为RNA是单链，不可能得到稳定的结构，由此克里克的思维也突然出现了飞跃，他在DNA、RNA（当时还不确切RNA在其中到底起多大的作用）和蛋白质之间又建立了一个层面。他假设有一种尚未被发现的小分子，可以一段特异性连接氨基酸，另一端与碱基配对，他考虑了更多的细节，但是似乎没有假设这种小分子与碱基配对的部分也是碱基，这可能太过简单化以至于克里克不敢提出来，不过在RNA领带俱乐部里克里克发布了这个发现并引起了巨大的反响

6． 李普曼的诺贝尔奖

经典生物化学后期的最重要工作是李普曼作出的，他发现了细胞的能量分子——ATP，这不仅为代谢研究提供了新的视角，对于分子生物学来说，核酸就是三磷酸腺苷（ATP、CTP、GTP、TTP、UTP）合成的，并且直接需要ATP供能，李普曼发现的高能磷酸键构建了一个生物代谢，包括DNA和蛋白质合成的能量体系，并因此获得了1953的诺贝尔生理学与医学奖。

如果说李普曼的ATP使生物合成有了动力的话，体外蛋白合成系统的发现则使蛋白质合成有了场所，人们先是发现了细胞质内有蛋白与RNA组成的小颗粒（称之微粒体），接着又在新发现的内质网上发现了这种颗粒，扎梅奇尼克和李普曼对当时的很多蛋白质合成的教条提出了怀疑，并建立了蛋白质体外合成的体系，这个发现不仅导致了蛋白合成模型的初步建立，还为后来遗传密码的破译起到了直接贡献。

7． 鲍林的分子疾病

此时RNA的研究和经典遗传学的发现不断，RNA聚合酶的发现和核酸作为遗传物质的最终确立给了RNA在分子生物学中更稳固的地位。鲍林是第一个命名“分子疾病”的人，他的学生板野发现镰刀状细胞贫血是由血红蛋白的异常引起的，接着有人从家系研究证明该疾病的遗传符合孟德尔遗传。由此一种可能性浮现了：基因的突变导致了氨基酸的变化，从而引起了血红蛋白的带电变化！

从此，人们开始意识到氨基酸的自然合成可能提供了解开遗传密码的钥匙。

8． 无逗密码-美丽的错误

1955年11月中旬，扎梅奇尼克在他的实验记录本上写道，可溶性RNA（他们新发现的

一种从微粒体中分离的RNA）是蛋白质合成中“一个可能的新的，令人眼花缭乱的”媒介物。

此时扎梅奇尼克刚刚被提升为实验室主任，半年都没有继续理会这个问题，而克里克却在给布伦纳的信中写道“RNA没有新进展”。他此时忙于一个他自己提出的最优美的理论，用来解释碱基如何被分为三个一组的问题，尽管后来这个理论被证明是错误的。这个理论假设只有特定起始位置的三碱基是有意义可编码的，由此证明20是基本的氨基酸数目，这个假说与衔接头假说是完美的结合，尽管没有任何实验支持，克里克说“我们把它公开的原因是因为它用简洁的方式从合理的自然推理得出神秘的20”。

9． 突破的前夜

斯滕特提出了DNA制造RNA的想法！

尽管细节上有很多错误，但这提供了从DNA到蛋白质的可能。人们用各种方法对开头克里克提到的遗传密码各种可能的情况进行了研究，到1962年克里克和沃森获奖的时候，我们已经到了克里克致辞里面的水平。

此时，克里克已经在考虑中心法则的建立。从一开始，克里克的先见之明就足以说明他是一个优秀的理论生物学家，它很少做实验，却能吸收别人的结果，提出严谨而大胆的假设，尽管很多假设提出时缺少实验证据的支持，但却是十分合乎逻辑而充满美感的。分子生物学大厦的框架已经快要落成，而克里克也将在遗传密码快要破译前逐渐淡出我们的视野。

1962年前还传来了另外两个好消息：1959年初罗伯茨小组和扎梅奇尼克小组分别发现了真核和原核生物的蛋白质合成机制：它们都是在核糖体上合成，而在真核生物中部分核糖体是在内质网上的。整个50年代，巴黎的科学家们在细菌中建立了操纵子学说。

10．

想法的碰撞

1960年，布伦纳——克里克在遗传密码研究方面的最好伙伴、克里克和法国莫诺研究组的雅各布聚到了一起，他们讨论了一个新现象：T2噬菌体在感染细菌后，会生成一种很奇怪的RNA，他们把这个现象与操纵子学说相结合，立刻，思想的火花被激发了，他们勾勒出了现在为人熟知的蛋白质合成的最初模型。随后的时间里，他们分头对此进行了研究。1960年秋，人们已经可以区分mRNA、tRNA和rRNA。其中tRNA和mRNA是完全用智慧创造，由功能推导出来的。随后，蛋白合成的细节被不断修正，短短的一年，这个领域得到了巨大的发展，在1960年圣诞节时，雅各布和莫诺的《蛋白质合成中的遗传调控机制》中的模型已经与今天的大体相同了。

11．最后的战役

接下来就是考虑mRNA的碱基怎么编码蛋白质了，无细胞的蛋白合成体系发挥了巨大的作用，更多的人加入到了解码工作中，其中尼伦伯格、科兰纳、马特伊和霍利是最突出的几个，他们所考虑的全部内容就是怎样区分不同的碱基组合与氨基酸的对应关系，新的试验方法和文章不断涌现，竞争使得这几个小组都陷入了疯狂的程度，实际上他们为了尽快发表结果有时候不考虑实验的精确性以至于有些实验做得很拙劣，解码工作一共用了五年，在克里克在1962年的诺奖致辞后两年，这几个实验室已经解出了所有的密码子，因为在体外模拟细胞内的蛋白合成需要能量和酶的参与。

落幕

1968年诺贝尔生理与医学奖颁奖大会上，presentation speech的倒数第二段是这样的：

Dr. Holley, Dr. Khorana, Dr. Nirenberg. At the end of his Nobel lecture, Edward Tatum in 1958 looked into his crystal ball and tried to predict some of the future developments in molecular biology. He suggested among other things that the solution of the genetic code might come during the lifetime of at least some of the members of his audience. This appeared to be a bold prophecy at that time. In reality it took less than three years before the first letters of the code were deciphered and, because of the ingenuity of you three, the nature of the code and much of its function in protein synthesis were known within less than eight years. Together you have written the most exciting chapter in modern biology.

梅塞尔森总结了这一分子生物学最终成型事件：“不接触生物化学来找出机器。这是一种文化，几乎是一种祭仪，成为典型的分子生物学。受到奖赏的是独创性。你知道吗？我认为分子生物学中最好的事情是那些文章，虽然其中的实验复杂，但其对在生命体中所发生的事物的推理是独特的。当然，方法越简单，奖赏越高。”

在遗传密码的整个发现过程中，不断涌现噬菌体、代谢过程的最新研究进展，其中有些受到了重视、有些多年无人理睬，还有相当大部分被做了错误的解读甚至本身就是误导性的。而经典的遗传学，始终没有跨越理论推导出的基因与实验观察到的东西之间的鸿沟。而一群分子生物学家，他们冷眼观察着已有的成果，分辨出哪些是有价值的，哪些毫无意义，哪些甚至是错的，他们思索着生命可能的编码方式，不断的尝试、碰撞、排除、推理，在这个舞台上，有热情的伽莫夫、有理性缜密的克里克、思维活跃的布伦纳、功力深厚的扎梅奇尼克、李普曼和鲍林、坚持不懈的莫诺和雅各布和后来居上的尼伦伯格、科兰纳和霍利以及无数为遗传密码破译做出贡献的人（大部分不是分子生物学家）。

其实相比其他人，我更喜欢克里克和布伦纳，是他们贯穿始终、从无到有的建立了从DNA到蛋白质合成的联系，引领着这个领域的发展，而其他人，虽然在自己的领域也做出了自己的贡献，但始终不是一个纵观全局者，甚至更多的人，从始至终宁愿相信更糟糕的模型，坚持自己熟悉的思路。在这里，克里克先是不像沃森一样，从DNA晶体结构转到RNA晶体结构，继而受到伽莫夫的启发，将目光牢牢锁在了DNA和蛋白质合成之间的层面上，从而确定了20个基本氨基酸，又天才的预见了tRNA的存在，接着又受信息论的启发和已有DNA的知识，提出了中心法则，并且和其他科学家一起，基本框定了密码子的编码方式，最后又总结出了密码子表，这其中不仅展现了严谨的推理，又不乏从繁杂的实验现象中抽象出基本原理的洞察力。这种科学素养，也洗就是我们今天所缺乏的，也是人们读到科学史上若干天才：从达芬奇、牛顿、Cajal、爱因斯坦那些神奇发现嗟叹不已的原因。

这篇论文的写作没有既定的风格，只是一篇读书简记，算是有一点感悟吧。充作论文。

参考文献：

1． 《创世纪的第八天：二十世纪分子生物学革命 The Eighth Day of Creation：Markers of

Revolution in Biology》。原著：Horace Freeland Judson，翻译：李晓丹、郑仲承。上海科学技术出版社。2005年，第一版。

2． 《Discovery：世界百大发现：遗传密码》。导演：Isaac, Hank, Rodriguez, Mark D。

3． 百度百科：遗传密码。

4． 维基百科：奥卡姆剃刀。

5． 诺贝尔奖官方网站：。