遗传密码破译的历程探析

叶梓

摘 要：早先人类一直不知道DNA中的遗传信息是如何转化为蛋白质的，这种情况即使持续到双螺旋结构的发现和中心法则提出也没有得到改观。直到美国分子生物学家尼伦伯格首先破译出了第一个遗传密码，才籍此揭开了遗传密码的神秘面纱。

关键词：遗传密码；氨基酸序列；马歇尔·尼伦伯格；美国国立卫生研究院（NIH）；莱德-尼伦伯格实验

1 前言

尼伦伯格在1927年4月1日出生，自小就对生物学有着非同寻常的热爱，能经常从自然中观察并且发现问题。在密歇根大学获得博士学位后，他因对遗传密码这一方面的浓厚兴趣便一直在美国国立卫生研究院（NIH）研究蛋白质合成的相关问题。1953年，DNA的双螺旋结构被英国的克里克和美国的沃森所发现，这奠定了DNA分子生物学研究的基础，却仍旧解释不了人类对DNA发挥功能的机制的疑问。1958年，中心法则被克里克提出，阐述了 DNA的遗传信息转化为蛋白质的结构信息的思想。在当时，人们已知DNA的遗传信息蕴藏在4种碱基A、T、G、C的排列顺序之中，而蛋白质结构信息则在20种氨基酸的排列顺序中，这种对应关系被称为遗传密码，但其具体的对应关系仍然是未知的，这是1950年代末分子生物学领域急需解决的重大问题之一。

2 遗传密码破译及其在蛋白质合成中的作用发现历程

1959年，三联体密码在理论上被克里克和布伦纳确立，他们提出信使核糖核酸（mRNA）传输信息的理论，此理论又在 1961被一个实验所证实。但是这64个密码子分别蕴含着怎样的意义？哪些对应着相应的氮基酸？应该如何破解？诸多问题仍然困扰着当时的人类。

同样是在1959年，尼伦伯格对遗传密码这个问题产生了浓厚的兴趣。他想知道RNA是否是DNA与蛋白质之间的信使，但他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知识。因此，他开始请教周围有相关研究背景的同事。但同事们却都劝他放弃，他们认为尼伦伯格从事一个全新领域是一种十分不智的行为，相当于是 “学术自杀”。但尼伦伯格没有放弃他的研究，尤其是1960年擅长研究的马特伊的到来更是加速了他的研究进程。

1961年5月的某天晚上，按照尼伦伯格的想法，马特伊利用放射性进行了著名的尼伦伯格-马特伊实验，并通过这个实验确定了UUU代表苯丙氨酸的遗传密码。他们也因此确定了信使RNA（mRNA）的存在并破解出了首个遗传密码。此外，同年8月的国际生物化学大会，他的论文在科学界以及大众媒体上引发的轰动更让尼伦伯格坚定了全面破译遗传密码的决心。

1963年，医学博士莱德加入了尼伦伯格的团队，他根据当时已发现了的三种RNA，及它们在蛋白质翻译过程中的作用开发出了莱德-尼伦伯格实验即三联体-核糖体结合实验。利用这种实验，尼伦伯格的研究小组迅速破译了所有20种氨基酸的遗传密码，与此同时威斯康星大学生物化学家哈尔·柯拉纳也用其他方法获得了和尼伦伯格一致的结果，进一步证明了结果的可靠性。到了1966年，人们用破译出的64种遗传密码建立了第一张遗传密码表，同时密码的通用性也被尼伦伯格团队所发现。这项发现具有十分重要的哲学意义，它意味着地球上所有生命形式都使用相同的语言，随后对其广泛的研究更是进一步证实了这个结论。

3 遗传密码之父尼伦伯格在遗传密码研究的贡献

1968年，尼伦伯格因为对遗传密码及其在蛋白质合成过程方面做出的突出贡献与霍利、科拉纳获得了诺贝尔生理学或医学奖，他多年研究遗传密码的努力自此也终于得到了认可。之后，遗传密码破译项目的完成也使得尼伦伯格去选择了更有挑战性的神经生物学。就在他最初撰写诺贝尔奖颁奖典礼的演讲稿时，也曾考虑将遗传密码和神经密码类比的内容写入，虽然后来考虑到严谨性删除了这些材料。但他对神经细胞瘤十几年的研究，也为他自己在生物化学和分子生物学方面积累了更多的宝贵经验。

尼伦伯格先后获得过哈佛大学、密歇根大学和芝加哥大学等多所大学的荣誉博士学位，同时还是美国科学院院士以及美国艺术与科学院院士，除诺贝尔奖外，他还获得过许多重大的科学奖项，如美国科学院分子生物学奖（1962年）、美国国家科学奖章（1965年）、盖尔德纳基金会国际奖（1967年）、富兰克林奖章（1968年）、霍维茨奖（1968年）和拉斯克基础医学奖（1968年）等。尼伦伯格还意识到自己科研工作的广泛社会影响力，他认为公众需要知道并理解这些科学进展，以更好地决定如何正确运用知识，因此他也一直致力于宣传科学。由于他的知名度并不高，他也总被称为被遗忘的“遗传密码之父”，这与他淡泊名利性格以及他所研究的方向太过深奥是不无关系的。但是他本身就是一个不在乎荣誉的人，NIH主任科林斯称尼伦伯格为“科学巨人之一”。莱德说他“对科研总是充满激情和热情，每两到三分钟就会出现一个新思想”。2010年1月15日，对生物学的发展和人类社会的进步做出了不可磨灭的贡献的尼伦伯格由于一种罕见的神经内分泌肿瘤而在曼哈顿家中去世了，享年82岁。

4 结语

当前，遗传密码子的起源进化及扩张领域已经成为了遗传密码子新的研究重心并且成为当今基因组学研究的热点命题之一。此外，无义密码子的再定义及遗传密码的扩张等研究也使遗传密码子的科学内涵更加丰富，使得生命学研究得到了进一步的发展。相信随着遗传密码研究信息的不断积累，其在基因组学、医学等研究领域的应用价值将会越来越明朗。

参考文献

[1]张晓加.破译基因密码的功臣——生物学科诺贝尔奖分析[J].生物科学信息，1991，（4）：24-25.

[2]吕吉尔.马歇尔·W·尼伦伯格（1927-2010）[J].世界科学，2010，（3）：48，42.

[3]刘庆坡.遗传密码子及其应用[J].中国生物化学与分子生物学报，2006，（11）：851-855.

（作者单位：河南大学生命科学学院）