遺傳密碼與核糖體結構研究

2020-08-27 李老師談生化

1953年，沃森和克裡克提出DNA上的鹼基序列編碼蛋白質的胺基酸序列。那麼，具體是怎麼編碼的呢？1954年，物理學家喬治·加莫夫（George Gamow）提出了三聯體密碼的假設，從數學角度解決了這個生物學問題。

加莫夫（1904-1968）是理論物理大牛，出生於俄羅斯，後來移居美國。他是宇宙大爆炸理論的主要提出者（有興趣的同學可以搜索「αβγ理論」），還提出了原子核的液滴模型，放射性的量子理論等等。之所以未能獲得諾獎，只是因為他沒能活到2019年（19年獲獎的皮布爾斯主要貢獻就是對大爆炸理論的發展）。

喬治·加莫夫。引自科羅拉多大學博爾德分校網站


加莫夫是科羅拉多大學博爾德分校的物理學教授，但也有人說三聯體密碼的提出者是科普作家，其實也沒錯。他一直致力於科普相對論和宇宙論等，代表作有《湯普金斯先生系列》、《宇宙的創造》、《從一到無窮大》等。個人感覺，後者非常符合他的研究對象的尺度。

加莫夫的推理很簡單。核苷酸有4種，兩個核苷酸只有16種組合，不夠編碼所有胺基酸。3個核苷酸有64種組合，編碼20種胺基酸還有剩餘。4個核苷酸的組合是256種，太浪費了。

克裡克用噬菌體證實了加莫夫的假說。他發現在噬菌體的基因中增加一個或兩個鹼基都會蛋白產物異常，而增加三個鹼基卻影響很小。這同時也提示了遺傳密碼的連續性（commaless）。

遺傳密碼的破譯主要歸功於尼倫伯格（Marshall W. Nirenberg）。他用大腸桿菌提取液建立了體外翻譯系統，以多聚U為模板，發現只能翻譯出多聚苯丙氨酸，表明UUU編碼Phe。

在這個工作的啟示下，很快通過不同的模板組合測定出了全部的遺傳密碼。在此過程中，從印度移居美國的生化學家霍拉那（Har Gobind Khorana）的工作最為重要，所以他倆與首先分離出tRNA的化學家羅伯特·霍利（Robert W. Holley）分享了1968年諾貝爾生理學獎。

遺傳密碼研究獲得1968年諾獎。引自諾貝爾基金會


加莫夫的數學分析也提示了遺傳密碼的簡併性（degeneracy），即多數胺基酸有幾個不同的密碼子，稱為同義密碼子。遺傳密碼的破譯證實了這一點。在遺傳密碼字典中，只有含量較低的色氨酸和甲硫氨酸屬於單密碼子。

遺傳密碼字典。引自百度圖片


密碼子的簡併性可減少有害突變。如果多餘的密碼子不編碼胺基酸，相應的突變就會導致肽鏈終止。而在有簡併的情況下，就只會產生一個胺基酸的點突變，不會中斷肽鏈而造成嚴重後果。

簡併性也使DNA的鹼基組成有較大的變化餘地，在物種的穩定性上起一定作用。通過同義密碼子的替換，可以在不影響胺基酸序列的情況下改變核酸序列。此類突變稱為同義突變。

需要注意的是，同義密碼子之間也是有區別的，不同密碼子的使用頻率可能不同，所對應的mRNA二級結構、加工修飾，以及翻譯速度等都可能有差異。所以同義突變也可能產生不同表型。

密碼子通過翻譯速度影響新生肽鏈摺疊。Nat Rev Mol Cell Biol. 2018 Jan; 19(1): 20–30.


生物對同義密碼子的偏好也會不同，例如在精氨酸的四個密碼子中，古細菌優先使用AGG和AGA，而細菌優先使用CGC和CGU，而真核生物介於二者之間（Mol Biol Evol. 2019）。在原核生物中表達真核基因，就需要選擇其常用的密碼子，稱為密碼子優化（codon optimization）。

地球上各種生物的遺傳密碼字典基本都是相同的，這稱為密碼子的通用性（universal）。通用性表明這些生物有共同的起源。一個經常被提到的例外是線粒體，如人線粒體中UGA編碼色氨酸，AUA編碼甲硫氨酸（在基因組中編碼異亮氨酸）。有人認為線粒體在進化上更古老，它處於遺傳密碼的早期形式。

其實，現已發現多種生物的核遺傳密碼發生改變，包括支原體、纖毛蟲、草履蟲、四膜蟲、綠藻、假絲酵母等。所以遺傳密碼並非完全「凍結」，而是可以進化的。目前有不同理論分析密碼子進化機制，如密碼子捕獲（codon capture）理論等（Proc Jpn Acad Ser B Phys Biol Sci. 2008）。

密碼子（紅）與反密碼子（黃）的配對。引自PDB-101


密碼子的擺動性（wobble）是指其第三位的配對不嚴格，可以有一些非標準鹼基對。例如，反密碼子上的I可與U、A、C配對，G可與U配對。

擺動性的結構基礎已經由結構生物學研究闡明。下圖a-c是Phe密碼子UUU與其反密碼子GAA的三個鹼基對。前兩對都與16 S rRNA形成了氫鍵，監視配對是否正確，而第三位則缺乏監視機制。d和e顯示了非標準的G-U配對情況，f為解碼中心的整體環境。

核糖體結構與密碼子的擺動性。Annu Rev Biochem. 2005;74:129-77.


因為對核糖體結構的研究，Ramakrishnan和Thomas A. Steitz、Ada E. Yonath分享了2009年諾貝爾化學獎。核糖體對生命科學的意義不言而喻，一直因為其巨大、複雜和穩定性差而無法測定精細結構。三人的工作將為翻譯機制的深入研究奠定基礎。


參考文獻：

1. 大英百科全書，喬治·加莫夫詞條。https://www.britannica.com/biography/George-Gamow

2. Gavin Hanson, Jeff Coller. Codon optimality, bias and usage in translation and mRNA decay. Nat Rev Mol Cell Biol. 2018 Jan; 19(1): 20–30.

3. Novoa EM, Jungreis I, et al. Elucidation of Codon Usage Signatures across the Domains of Life. Mol Biol Evol. 2019 Oct 1;36(10):2328-2339.

4. James M Ogle, V Ramakrishnan. Structural Insights Into Translational Fidelity. Annu Rev Biochem. 2005;74:129-77.

5. 陳惟昌等。線粒體遺傳密碼及基因組遺傳密碼的對稱分析。生物物理學報，2002,18（1）：87

6. Ohama T, Inagaki Y, et al. Evolving genetic code. Proc Jpn Acad Ser B Phys Biol Sci. 2008 Feb; 84(2): 58–74.

相關焦點

  • 遺傳密碼的破譯史
    ，並證實了密碼子的簡併性→⑧通過特定的三核苷酸能促進特定的氨醯-tRNA與核糖體結合的重大發現而破譯了61種編碼胺基酸的密碼子→⑨通過對琥珀和赭石突變的回覆突變實驗，破譯了UAG和UAA這兩個終止密碼→⑩通過已經破譯的63種遺傳密碼發現了遺傳密碼的規律，間接證明了UGA是第三個終止密碼子，稱為蛋白石密碼子。
  • 遺傳密碼的破譯
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  • 研究表明這套遺傳密碼在生物界具有通用性
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  • 4.3遺傳密碼的破譯(選學)(電子課本及答案)
    翻譯成英文是：Where are genes located(二)思考與討論1.當圖中DNA的第三個鹼基（T）發生改變時，如果密碼是非重疊的，將影響1個胺基酸；如果密碼是重疊的，將影響3個胺基酸。2.提示：可以從密碼間有無分隔符、長度是否固定、閱讀方式是否重疊、密碼所採用的符號等多方面進行比較。拓展題克裡克通過研究鹼基的改變對蛋白質合成的影響推斷遺傳密碼的性質，這種方法不需要理解蛋白質合成的過程，就能推斷出密碼子的總體特徵，但是證據相對間接，並且工作量大。
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