第一位试图破解遗传密码的生物学家是杜恩斯。他在1953年提出,DNA是通过RNA把遗传信息传给蛋白质,RNA上每3个核苷酸决定1个氨基酸,这样RNA就成为了直接模板。可是杜恩斯错误地认为三联体的密码是可以重叠的,就是1个碱基可以参与决定2个以上的氨基酸。1954年,遗传密码方案的问题使一位有名的物理学家盖莫夫非常感兴趣。他设想DNA上每相对邻近的4个碱基组成一个遗传密码,DNA就是蛋白质合成的直接模板,同时,他还认为模板是碱基重叠组成的。
1955年一大批物理学家都投身于遗传密码的破解工作,他们提出:遗传密码是三联体而且是不重叠的,模板不是DNA而是RNA.当时关于阅读“天书”字母的密码方案还没有有效的实验手段,可是这批理论物理学家的抽象思维能力相当惊人,他们采用了一些RNA和蛋白质组成的材料,用统计学方法分析3个碱基决定1个氨基酸的各种排列的可能性。
1957年,著名的分子遗传学家,DNA双螺旋结构的提出者克里克也提出了一个密码的三联体假设。但这个假设当时还没有试验支持。破解密码的工作使得克里克不得不承认他“时常感到精疲力尽,兴致索然。”
1961年的夏天,在破译密码方面有了重大的突破。美国生物化学家尼伦伯格发现,人工合成的全部碱基都是尿嘧啶(U)的单一的核苷酸,即“……UUUUUUUUUUUUUUU……”的核苷酸链,能产生同样是氨基酸残基全部是苯丙氨酸的多肽链,这就是说苯丙氨酸的密码是UUU.
这个实验是很成功的。人类第一次破译了遗传密码。
又经过了几年,生物学家为此付出了巨大的努力,却没有取得多大进展。他们通过设计各种各样的巧妙的试验,得出了遗传密码的一些经验公式,例如生物学家当时已经知道了UUU确定苯丙基酸,CCC确定脯氨酸,GGG确定甘氨酸。但要真正地确定密码子的排列和组成,必须用人工合成的多核苷酸,像模板那样指导氨基酸复制才行。这是一项十分困难的工作,好比是小孩刚学会走路就要跑一样。要知道,20世纪60年代初人们刚刚知道信使RNA存在。但是有一位著名的化学家考拉纳,他勇敢地站出来承担了这一艰难的历史使命。
1964年,他终于创造了奇迹,在科学历史上第一次合成了多聚核苷酸,合到细胞中的DNA上,再将融合以前和融合以后DNA转录,与翻译出来的多肽链进行比较,就能够知道这种多聚核苷酸决定的氨基酸是什么了。这个试验还雄辩地证明密码子确实是由三个核苷酸所组成的。1964年,人类揭示遗传密码之谜的战斗达到了最高潮。尼伦伯格合成了简单的三核苷酸,并可以把它加到细胞体系里,虽然不能引导多肽的合成,但是相应的转运RNA就积极活动起来,它竭力携带着氨基酸与这个三核苷酸接上头以完成自己的“使命”.
也就是说,如此“简陋”的三联体RNA,细胞并不见怪,仍把它认做细胞王国的“信使”,后者仍然可以挑选存在于细胞中的合适的氨基酸转运RNA,进行碱基配对并制造出氨基酸。
这个氨基酸的密码子就是人工合成的三联体。这种三联体结合的测量方法,其巧妙之处就在于既简单又能说明许多问题,它使模糊的密码子经验公式澄清了,得到了确切的密码子顺序,它还直接地最后地证明了密码子是三联体。
1966年,阐明遗传密码的工作已经基本完成,克里克已经开始绘制密码表了。
1967年,在克里克遗传密码表的草图上的64个氨基酸空档差不多都已不断地被全世界的科学家竞相填满了,但是还剩下三个密码子:UAA、UAG和,没有氨基酸去“认领”,于是,大家就把它称为“无意义”密码子。这个问题引起了布伦纳和另一科学家加伦的注意,他们差不多同时领略到了这个“无意义”密码的重大意义。因为很明显这是一个没有任何一个氨基酸转运RNA可以识别的密码子,正因为如此才造成了蛋白质翻译的中止。他们最终通过试验证实,这三个密码是终止密码子。在信使RNA上有一个起始部位,它是氨基酸合成肽链的起始信号,这个密码子在真核生物代表甲硫氨酸,在以细菌为代表的原核生物则代表甲基甲硫氨酸。
DNA含有4种碱基A、T、C、G,转录成的信使RNA的4种碱基为U、T、C、G,这些碱基是构成遗传密码的符号。通常所说的遗传密码是按信使RNA的4种碱基编码的,这样很方便,因为DNA是双链结构,不管用DNA的哪条单链为模板,转录出的信使RNA都是一条信使RNA单链。每3个碱基组成一个密码子,叫三联体密码。共有64个密码子。
遗传密码表第一位碱基第二位碱基第三位碱基苯丙氨酸亮氨酸丝氨酸酪氨酸终止半胱氨酸终止色氨酸亮氨酸脯氨酸组氨酸谷氨酰酸精氨酸异亮氨酸甲链氨酸(起始)苏氨酸天冬氨酸谷氨酸丝氨酸精氨酸缬氨酸丙氨酸天冬氨酸谷氨酸甘氨酸在密码表中,有61个密码子分别代表各种氨基酸。除了甲硫氨酸和色氨酸各有一个密码子外,有的有2个密码子,如苯丙氨酸等9种氨基酸,异亮氨酸有3个密码子,丙氨酸等氨基酸各有4个密码子,还有亮氨酸等3种氨基酸各有6个密码子。各密码子之间不重叠。读者仔细看这个密码表,不难发现,有许多氨基酸是由不同的密码子决定的。例如亮氨酸既可以由CUC决定,也可以由CUA决定,还可以由CUU和CUG决定。而且我们还可以发现这种由数个密码子决定的氨基酸,其密码子的前两个碱基是相同的!这就是遗传密码的“同义词”问题。
1966年,克里克提出了“摆动假说”,对遗传密码的“同义词”问题给予了理论的解释。可以说:从破解密码试验一开始,这个问题就提出来了,尼伦伯格所做的转运RNA与核酸三联体结合的实验完全证实:多数氨基酸可以与两种以上的转运RNA具有接和能力,有的最多可以达到6种。这种实验结果确实使人费解:转动RNA工作起来为什么会如此“漫不经心”呢克里克的“摆动假说”正好说明了这个问题。他指出转动RNA具有“大规矩小自由”的行为原则。所谓“大规矩”是指:当转运RNA辨认信使RNA的密码子时,开头两个碱基非常认真,严格按照碱基互补原则:A与U配对,G与C配对。所谓“小自由”是福旱弊薘NA的第三个碱基与信使RNA配对时,可以允许做某种“摆动”,不遵守碱基互补原则也可以。克里克从分子模型的研究和计算,推测到这个摆动可以使形成非标准碱基配对,例如G与U相配对。总之,到现在为止,在已经测定的一百多种转运RNA的结构都与克里克的“摆动假说”所预期的顺序相符。但是至今人们仍把克里克的理论称为“假说”,这一方面反映了科学家的谨慎认真态度。另一方面遗传学家弄清楚了遗传密码,也就发展了遗传信息的概念。生物学家认为,遗传信息通过遗传密码,把生物界统一起来,整个生物界,从病毒、细菌到人,通用着共同的遗传密码,共同的信息符号。遗传信息把核酸密码和蛋白质的合成联系起来,从而把遗传因子和遗传性状更密切地联系起来,遗传信息决定蛋白质的性质,控制蛋白质的合成。
蛋白质是生物体的物质基础,从微生物到高等动植物以至人类,都以蛋白质为机体的主要成分。蛋白质的性质决定细胞的性状。可以说,有什么样的遗传信息,就决定产生什么样的蛋白质;有什么样的蛋白质,就导致出现什么样的遗传性。
已知所有的生物具有共同的密码体系,即所有的密码,由病毒、细菌一直到人都是通用的。
例如大肠杆菌可利用兔血红蛋白的信使RNA为模板,合成兔血红蛋白。在所有不同的生物中的试验结果都证明:克里克1968年设计的遗传密码表是普遍适用的。科学家已经可以满怀信心地向全世界宣布:生物界是统一的世界,遗传密码是共通的!在遗传工程中,利用大肠杆菌发酵生产胰岛素、人生长激素等,也是这个道理。
3.如果遗传密码发生错误
如果实行基因突变或者遗传工程而导致遗传密码错了,则合成的蛋白质也会有相应的氨基酸发生改变,从而导致整个蛋白质出错,使生物体发生突变。我们以人类的镰刀形红血球贫血病来加以说明。
早在1910年,美国芝加哥的医生赫里克就报道过镰力形红血球贫血症病人的红血球异常--呈镰刀状。正常人的红血细胞(红血球)是圆盘状,可是患这种贫血症的人,红血细胞则变为镰刀形即新月形。据研究知道,它是受一个基因(S)控制,表现不完全显性。纯合状态时,严重贫血,往往在儿童时期就死亡。杂合状态(Ss)时,在缺氧的情况下,有一部分红血细胞表现镰刀形,但人是健康的,而且对恶性疟疾有抵抗力。
1949年,鲍林等人研究了这种现象。他们用电泳法查明患这种病的病人,他的血红蛋白分子同正常人的不同956年,英国生物化学家英格兰姆进一步研究这种异常血红蛋白分子,发现它和正常的血红蛋白分子的差异,只是在它的多肽链位置上带有一个缬氨酸,而正常人的血红蛋白分子在这一位置上是谷氨酸。
1966年阐明遗传密码以后,查明这种变异的原因是在于决定合成氨基酸的密码子发生了突变,由决定谷氨酸的密码子GAA或者GAG,变成了决定缬氨酸的密码子GUA或者GUG了,也就是说,在三体密码中第二个核苷酸的A变成了U.这样,就非常精确地找到了引起个别个体变异的原因。也就是说,只是一个碱基的改变(改变的碱基加了方框)。正常红血细胞镰形红血细胞氨基酸缬氨酸正常红血细胞和镰刀形红血细胞的差异图可以看出,在约600个密码子中,只有一个密码子的一个碱基改变了,就导致血红蛋白的性质发生改变,引起镰刀形贫血症,所以常把它叫做分子病。
四、克隆人:人类冲击波1.克隆技术:生物放大技术“克隆”一词是英语词clone或cloning的音译。我国以前曾将其译为“无性生殖”或“无性繁殖”.什么意思呢“无性”,当然就是没有阴阳结合过程,而是由同一个“祖先细胞”通过分裂方式繁殖而形成的纯细胞系,也就是一“群”“孙子”细胞。这个细胞系中每个细胞由基因(遗传信息)彼此是相同的,从而决定了每个细胞的基因(遗传信息)彼此是相同的,从而决定了每个细胞由基因所控制的性状(例如细胞的个头性状)是彼此相同的。
由于上一代和下一代的遗传信息是一致的,所以可以简单地说,克隆是生命的全息复制。
因此,克隆技术在现代生物学中被称为“生物放大技术”.
所谓“克隆羊”,就是无性繁殖的羊,它没有父母双亲,而是某一只羊的“翻版”后代。形象地说,就像孙悟空拔下一根汗毛再吹口气,便又生出一个甚至成千上万个一模一样的小孙悟空。
克隆可以分为四个层次:微生物或细胞、植物、动物和人,以及在自然界发生的克隆和只有人工条件下发生的克隆。
实际上,在人们身边有许多自然界的克隆存在。“无性繁殖”并不是什么新东西。它在植物界和低等动物中是大量存在的。比如,植株扦插,从一个柳树枝上剪下几根小条,插进土里,以后它就长成相似的柳树;再比如,把土豆切成许多小块埋在土里,再长出的新土豆便是原先土豆的复制和“无性繁殖”.这种“无性繁殖”,也就叫“克隆”.在自然条件下,由于许多植物本身就适宜进行无性繁殖,所以,它们很容易形成克隆,在动物界,这种繁殖方式多见于无脊椎动物,如原生动物的分裂生殖、尾索类动物的出芽生殖等。当然,在高等动物中是有性繁殖,克隆基本上是不存在的。
无性繁殖本来是一种低级的生殖方式。生物进化的层次越低,越有可能采取这种生殖方式;进化层次越高,则越不可能采取这种生殖方式。由于低级生物如微生物,采取自行分裂的方法繁殖,分裂后子代与亲代的遗传物质完全同一,因此在这个意义上,微生物的生殖完全就是“克隆”.也就是说,微生物是“长生不老”的。虽然在严格的意义上,微生物的亲代与子代会有若干差异,因为它们的外界营养环境仍然会有差异。现在生物医学研究中用克隆技术在体外培养的正常细胞或癌细胞,也称为“永生细胞株”,意思是说这些细胞是“不死”
的。
每一个植物和动物个体,从一株小草到一棵大树,从一只蚂蚁到一头大象,都是由一个细胞经无数次分裂后形成的无数个细胞组成的。每次细胞分裂时,细胞核中的遗传信息都要精确地“拷贝”并平均分配到两个分开的新细胞中,其结果是,尽管叶子和根的细胞不同,肌肉和血液中的细胞不同,但同一个植物和动物个体身上的每个细胞的细胞核中携带的遗传信息是完全相同的。从理论上讲,从动物和植物上取下任何一个细胞,在合适的条件下都能发育成一个新的个体。因为新个体携带的遗传信息和原来个体所携带的遗传信息完全相同。所以也都能克隆。新的个体应是原来个体的“复制品”,这种现象叫做“细胞的全能性”,只有具有全能性的细胞能够克隆,失去全能性的细胞就不能了。
当然,高等动物的受精卵还暂时具有全能性。包括人类在内的高等动物,严格按照有性繁殖的方式繁衍后代,即分别来源于雌雄个体的卵细胞和精子细胞融合,形成受精卵,受精卵经过不断分裂最后孕育成一个新的个体。这就说明,在高等动物体内,只有受精卵能够实现细胞的全能性。这种有性生殖的后代分别继承了父母各一半的遗传信息。所以,要使受精卵进行无性繁殖,科学家必须经过一系列复杂的操作程序。首先要用外科手术除去受精卵的细胞核,或用辐射等手段使受精卵内的细胞核失去活性,然后再用注射器将另一个个体的细胞核转换到已去除细胞核的受精卵中。20世纪50年代,科学家用上述方法已经成功地无性繁殖出一种两栖动物。
当受精卵发育成胚胎细胞时,部分动物的胚胎细胞还具有全能性,也还能利用它进行克隆。