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密码子的秘密

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翻开任何一本遗传学教科书,在讨论遗传密码子的时候都会告诉学生,这是生命简约性的一个绝佳例证,也就是说,生命一定会用最节省的方式达到自己的目的,不会做出任何无谓的浪费。
  这个故事先要从基因和蛋白质讲起。简单说,基因是一条DNA长链,由4种核苷酸依次排列而成,分别用A、T、C、G这4个字母来表示。蛋白质也是一条长链,由20种氨基酸依次排列而成。基因的字母顺序决定了蛋白质的氨基酸顺序,因此也就决定了生命的样子。
  一个关键问题是,基因到底是如何决定氨基酸顺序的呢?
  假设每2个字母对应1个氨基酸,那么按照排列组合的原理进行计算,不难发现4种字母只能组成16种不同的组合,不够用。再假设每4个字母对应1个氨基酸,那么一共会有256种不同的组合,又太浪费了。于是生命选择了“3”这个神奇的数字,每3个字母对应1个氨基酸,这样算下来一共可以有64种不同的组合,编码20种氨基酸刚好够,并有富余。
  这个3字母组合就是大名鼎鼎的遗传密码子(Codon),又叫三联体密码。
  接下来一个很自然的问题是:那多出来的44种密码子怎么办呢?科学家研究发现,其中3种密码子编码结尾信息,表示蛋白质合成到此为止,不再继续。余下的则分成20个组,分别代表同一个氨基酸。比如AAA和AAG这两个密码子都代表赖氨酸,这在遗传学里被叫做简并密码子。
  密码子的秘密是在50年前被发现的,从此就再也没有改变过。简并密码子的存在导致了很多遗传学上的有趣现象,比如,同样是单个字母发生突变的所谓“点突变”,就因为发生位置的不同而被分为有效突变和无效突变。还是拿赖氨酸为例,假设一段基因原来的顺序是AAA,中间那个A突变成G,AGA所对应的氨基酸就变成了精氨酸,这就是有效突变。可如果是最后那个A突变成了G,则AAG对应的氨基酸仍然是赖氨酸,这就是无效突变。
  有效突变和无效突变的存在使得基因序列分析的难度大大增加了,每一个点突变都必须先判断出它属于哪一类,才能知道它到底重要不重要。
  可是,自从发现了密码子有一部分是冗余的之后,科学家们又陆续找到了很多例子,证明生物进化往往会倾向于某一种简并密码子,而与之对应的另一种密码子虽然编码的氨基酸是相同的,但就是不被生物采用。科学家们一直对生命体这种神秘的偏好感到好奇,但半个世纪过去了,一直没有找到答案。
  关于这个谜题的猜想倒是层出不穷,不少人认为,两种密码子也许会对蛋白质的合成速度带来影响,但一直苦于没有证据。蛋白质的合成是在核糖体内发生的,速度极快,而核糖体本身又很小,难以测量,研究难度相当大。美国加州大学旧金山分校霍华德·休斯医学研究所的乔纳森·魏斯曼(Jonathan Weissman)教授及其团队发明出一种新的测量方式,能够即时地测出每一个核糖体上蛋白质的合成速度。研究人员用这种被称为核糖体图谱(Ribosome Profiling)的新技术,终于测出不同的简并密码子确实能对合成速度产生巨大的影响,差别可以大到10倍以上。
  魏斯曼教授将研究结果写成论文,发表在今年3月28日出版的《自然》(Nature)杂志上。“简并密码子一直被认为是多余的,但我们这个实验证明不同的密码子其实有着不同的功能。”魏斯曼教授在评价这篇论文的意义时说道,“过去我们一直不知道这里面的规则是什么,但我们这个实验证明生物进化很可能通过不同的密码子而控制了基因的反应速度。”
  这个研究意义重大。简单说,它证明有效突变和无效突变的概念必须重新审视,基因工程的很多规则也必须重新设定。
  更重要的是,这项研究发现了一种全新的生命信息调控方式。过去科学家们只知道遗传密码,也就是DNA顺序能决定生物性状,这就是为什么人类基因组顺序被全部测出后,科学界充满了乐观气氛的原因。但后来大家意识到从DNA到RNA,从RNA到蛋白质,以及蛋白质从合成出来到修饰完成等很多步骤都存在调控的可能性,一下子就把生命系统的复杂性提高了好几个数量级。魏斯曼教授的发现等于又找到了一个新的控制机制,生命系统的复杂性又一次被提高了。

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分类:14期 | 标签: | 25 views