基因藍(lán)圖變現(xiàn)實(shí)

我們有時(shí)說(shuō)，張三的皮膚顏色像他父親，眼睛形狀像他母親，但如前面所說(shuō)，他父親的皮膚顏色和他母親的眼睛形狀并沒(méi)傳下來(lái)，傳下來(lái)的卻是其雙親的遺傳物質(zhì)——核酸(內(nèi)儲(chǔ)有遺傳信息)?？梢?jiàn)，子代接受的是信息，表現(xiàn)的卻是性狀(如皮膚顏色和眼睛形狀等)，那么，在遺傳信息和性狀表現(xiàn)之間有什么聯(lián)系呢?

物理學(xué)家的預(yù)言

最先試圖回答這一問(wèn)題的是著名的物理學(xué)家、近代量子力學(xué)的奠基者——薛定諤。他用觀(guān)察微觀(guān)世界的慧眼觀(guān)察著形形色色的生物，對(duì)生物的遺傳現(xiàn)象產(chǎn)生了濃厚的興趣:啊，原來(lái)生物體是在一代一代地“復(fù)制”出與自己雷同的個(gè)體，而這種“復(fù)制”，就像工人按照工程師繪制的機(jī)器藍(lán)圖在制造機(jī)器一樣，又是那么精確;那么，“復(fù)制”生命個(gè)體的藍(lán)圖是什么，我們又如何“看懂”這張藍(lán)圖呢?

薛定諤想到了電報(bào)。

1844年5月24日，在美國(guó)華盛頓國(guó)家大廈的聯(lián)邦法院會(huì)議廳里，人們?cè)诘却粋€(gè)奇跡的出現(xiàn)。物理學(xué)家莫爾斯用手按動(dòng)發(fā)報(bào)機(jī)的按鍵，把他發(fā)明的用“點(diǎn)、線(xiàn)”兩種符號(hào)按不同組合構(gòu)成的電碼，發(fā)往64千米外的摩城。摩城的收?qǐng)?bào)機(jī)收到了莫爾斯的電碼，并按莫爾斯編制的電碼本翻譯出電文，這就是世界上的第一份電報(bào)。發(fā)報(bào)機(jī)發(fā)送的點(diǎn)、線(xiàn)兩種符號(hào)轉(zhuǎn)換成收?qǐng)?bào)機(jī)收到的長(zhǎng)、短兩種聲音而翻譯成不同的語(yǔ)言，就可傳遞人們的各種思想和感情。

圖2—4　薛定諤的生命密碼

那么，在生物中是否也是類(lèi)似電碼的一種密碼，在繪制生命的藍(lán)圖呢?薛定諤在其《生命是什么》一書(shū)中是這樣預(yù)言的:“遺傳物質(zhì)有如莫爾斯電碼的點(diǎn)和線(xiàn)那樣，可取幾種不同的狀態(tài)，像用莫爾斯電碼翻譯成所有的語(yǔ)言那樣，狀態(tài)的變化大概表示著生命密碼的變化。生命的密碼被復(fù)制，并像拷貝一樣無(wú)誤地傳遞給子代”(圖2—4)。

后來(lái)的研究表明，薛定諤的預(yù)言是正確的，他為探討生命現(xiàn)象的本質(zhì)指明了正確的方向。

基因和白化病

從如下的基因和白化病的關(guān)系中，可使薛定諤的生命密碼(遺傳信息)和生命現(xiàn)象(性狀)的關(guān)系，有一個(gè)具體的認(rèn)識(shí)。

我們的皮膚在陽(yáng)光下會(huì)產(chǎn)生色素，呈現(xiàn)褐色。我們已經(jīng)知道，黑色素是一種氨基酸(酪氨酸)，在一種酶(酪氨酸酶)的作用下，可發(fā)生以下的變化:

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

可見(jiàn)，酪氨酸酶基因(遺傳信息)是以酪氨酸酶(一種蛋白質(zhì))為媒介，與黑色素(性狀)拉上關(guān)系的。人們?cè)陉?yáng)光下，皮膚是否變成褐色，酪氨酸酶基因起著決定性的作用。如果該基因發(fā)生變化，不能控制酪氨酸酶的形成，從而不能形成黑色素，那么人的皮膚即使經(jīng)常曬太陽(yáng)，也不會(huì)變成褐色，這就是白化病患者，這種人怕見(jiàn)陽(yáng)光。

因此，要了解基因和性狀的關(guān)系，就必須研究核酸和蛋白質(zhì)之間的關(guān)系，即核酸中遺傳密碼(相當(dāng)發(fā)報(bào)機(jī))和蛋白質(zhì)(相當(dāng)收?qǐng)?bào)機(jī))之間的關(guān)系。

遺傳密碼字典

我們知道，核酸是由4種單核苷酸組成的多核苷酸，蛋白質(zhì)是由20種氨基酸組成的多肽，也就是說(shuō)，核酸和蛋白質(zhì)的基本單位分別是單核苷酸和氨基酸。

遺傳密碼問(wèn)題，說(shuō)到底是尋找核酸中的4種核苷酸(或簡(jiǎn)稱(chēng)堿基，因單核苷酸類(lèi)型由堿基決定)和蛋白質(zhì)中的20種氨基酸有什么對(duì)應(yīng)關(guān)系。這個(gè)關(guān)系如果搞清楚了，核苷酸中有什么樣的堿基順序，我們就可知道蛋白質(zhì)中含有什么樣氨基酸順序?；蛘哒f(shuō)，有什么樣的核酸就可合成什么樣的蛋白質(zhì)(酶)，有什么樣的酶(如前面講的酪氨酸酶)就可產(chǎn)生一定的性狀(如黑色素)。這樣就填補(bǔ)了從開(kāi)始的遺傳信息到最終的性狀表現(xiàn)之間這個(gè)神秘空白。

填補(bǔ)這個(gè)空白的過(guò)程大致如下:

美國(guó)天文學(xué)家蓋莫夫，看到了沃森和克里克在英國(guó)《自然》雜志上發(fā)表的關(guān)于DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型后，開(kāi)始苦苦思索:我們?nèi)绾纹谱g或“讀懂”DNA這張生命藍(lán)圖中的遺傳信息呢?聯(lián)系到十年前薛定諤的預(yù)言，他想，DNA分子長(zhǎng)鏈的4種堿基(可理解成4種符號(hào))，應(yīng)像電報(bào)中兩種符號(hào)——點(diǎn)(·)和線(xiàn)(－)那樣，在生命活動(dòng)中起著遺傳密碼的作用。生物從父母?jìng)鞯阶优倪z傳信息用的是4個(gè)符號(hào)(4種單核苷酸或堿基A、G、C、T)，這四種堿基在核酸中若干個(gè)不同順序(遺傳密碼)，可決定蛋白質(zhì)中若干個(gè)不同的氨基酸，這些氨基酸通過(guò)肽鍵連接起來(lái)，就組成了一個(gè)多肽。

電報(bào)由“··－－，·－·－”等組成四聯(lián)體密碼翻譯成人類(lèi)各種語(yǔ)言，那么，核酸中的堿基順序，要幾個(gè)一組配成的編碼才能決定或翻譯成一種氨基酸呢?或者說(shuō)，編碼一種氨基酸要幾個(gè)堿基呢?他進(jìn)行了一些簡(jiǎn)單計(jì)算:

如果是一種堿基編碼(決定)一種氨基酸，只能決定4種氨基酸。顯然，在核酸的遺傳密碼中，不是一種堿基決定一種氨基酸，因?yàn)閷?shí)際有20種氨基酸。

用兩個(gè)堿基編碼氨基酸也不行。因?yàn)?，?種堿基中，每次取兩個(gè)的排列方式只有種。顯然，16種排列方式(AA、AG……CC)不能編碼20種氨基酸。

根據(jù)信息論，一個(gè)氨基酸的信息量為4．32比特，一個(gè)核苷酸的信息量為2比特，因此應(yīng)有3個(gè)核苷酸才能決定1個(gè)氨基酸。如果3個(gè)堿基編碼一種氨基酸，那么，4種堿基可有多種排列方式。這么多排列方式，對(duì)于編碼20種氨基酸似乎又太多了，但實(shí)驗(yàn)研究表明，的確是3個(gè)堿基在一起(稱(chēng)三聯(lián)體密碼子)決定1種氨基酸:在有的情況下，是1種密碼子決定一種氨基酸;而有的情況，幾種密碼子都可分別決定1種氨基酸。

可是，生物學(xué)家沒(méi)有接受這一解釋。為什么呢?這是因?yàn)?當(dāng)時(shí)只發(fā)現(xiàn)1種核酸，即只存在于細(xì)胞核內(nèi)的DNA，而蛋白質(zhì)是在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)合成的;已證明，DNA沒(méi)有能力穿過(guò)核膜到達(dá)細(xì)胞質(zhì)，從而談不上指揮蛋白質(zhì)的合成。在已知事實(shí)面前，天文學(xué)家蓋莫夫失去了招架之力，他的假說(shuō)在搖籃中奄奄一息。

但后來(lái)，美國(guó)生物學(xué)家?jiàn)W列金在觀(guān)察一種病毒在大腸桿菌內(nèi)繁殖時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一位“陌生客人”，這位“客人”神出鬼沒(méi)，時(shí)而出現(xiàn)在蛋白質(zhì)合成場(chǎng)所，時(shí)而又全然消失。科學(xué)家對(duì)這位“陌生客人”進(jìn)行了跟蹤追擊，經(jīng)過(guò)克利克和雅各布等人的不倦努力，終于知道了它的來(lái)歷，原來(lái)它是受DNA指揮合成的另外一種核酸——核糖核酸(RNA)。這種RNA中所含的遺傳信息與合成它的DNA中的完全相同，充當(dāng)DNA的信使，特稱(chēng)信使RNA(mRNA)，并且在真核細(xì)胞中，這種RNA還能從細(xì)胞核穿過(guò)核膜進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)。也就是說(shuō)，DNA中的三聯(lián)體密碼控制蛋白質(zhì)的合成，是通過(guò)RNA具體實(shí)現(xiàn)的。

那么，哪種密碼子決定哪種氨基酸呢?

有人合成一種RNA，叫多尿嘧啶核苷酸，它都是由尿嘧啶核苷酸(用U表示)組成的。用這種多核苷酸來(lái)合成蛋白質(zhì)，測(cè)定的結(jié)果是一條只含苯丙氨酸(一種氨基酸)的多肽，它們的關(guān)系如下:

由此推出，多核苷酸中的堿基排列順序UUU編碼苯丙氨酸，或者說(shuō)，在多核苷酸中，3個(gè)尿嘧啶UUU是苯丙氨酸的密碼子。

有人用其他一些RNA也合成了蛋白質(zhì)。例如，下面圖解中的那種RNA的堿基順序與合成蛋白質(zhì)的關(guān)系為:

由此可推出核酸中的CUC順序是亮氨酸的密碼子，UCU順序是絲氨酸的密碼子。

其他氨基酸的遺傳密碼，原則上都可類(lèi)似地得到。直到1967年，用RNA的堿基為氨基酸編碼的一部完整的遺傳密碼詞典終于完成了(表2—1)。

從表2—1可看出，遺傳密碼有兩個(gè)特點(diǎn):第一，除色氨酸和甲硫氨酸各有1種密碼子(分別為UGG和AUG)外，其余的氨基酸都不止1種。例如，編碼苯丙氨酸的有兩種密碼子UUU和UUC，編碼絲氨酸的有4種密碼子。也就是說(shuō)，多種密碼子可分別編碼同一種氨基酸，在遺傳學(xué)特稱(chēng)簡(jiǎn)并現(xiàn)象。第二，表中AUG不僅是甲硫氨酸的密碼子，還是多肽開(kāi)始合成的信號(hào)。UAA、UAG和UGA不編碼任何氨基酸，是多肽終止合成的信號(hào)，在遺傳語(yǔ)言中起著句號(hào)作用。

表2—1　mRNA上的遺傳密碼表

現(xiàn)在研究表明，整個(gè)生物界從最低等的病毒直到最高等的人類(lèi)，遺傳密碼的含義都是一樣的，共用一部遺傳密碼字典。也就是說(shuō)，病毒中核酸的堿基順序UUU編碼的是苯丙氨酸，我們?nèi)祟?lèi)細(xì)胞內(nèi)核酸的密碼子UUU也同樣是編碼這種氨基酸，而不會(huì)因?yàn)楦叩染统霈F(xiàn)新花樣;或者說(shuō)，整個(gè)生物界使用同一語(yǔ)言，真可謂“僅此一家，別無(wú)分店”。

生物界的語(yǔ)言為什么能彼此相通呢?從進(jìn)化的角度看，遺傳密碼字典的普遍適用性，在分子水平上證明了生命的統(tǒng)一性，所有生物具有共同的祖先。

生命是一個(gè)極為復(fù)雜的系統(tǒng)，然而也隱含著其內(nèi)在的簡(jiǎn)單性。這表現(xiàn)在，所有生物有普遍適用的核酸組成(4種單核苷酸)、普遍適用的蛋白質(zhì)組成(20種氨基酸)和普遍適用的遺傳密碼(三聯(lián)體密碼)。生命的這種內(nèi)在簡(jiǎn)單性，驗(yàn)證了偉大的科學(xué)家伽利略所說(shuō)的富有哲理的話(huà):“大自然做任何事情，都是采取最簡(jiǎn)單的形式。”

對(duì)地球上所有生物通用的《遺傳密碼字典》(表2—1)的編制成功，標(biāo)志著我們認(rèn)識(shí)和改造生命已進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。在理論上，可用統(tǒng)一的理論，即基因的理論解釋生物的遺傳、發(fā)育和進(jìn)化的關(guān)系;在實(shí)踐中，可用基因工程的方法改造生物，以便更好地為人類(lèi)服務(wù)。