遗传密码
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遗传密码是一组规则，将DNA或RNA序列以三個核苷酸為一組的密碼子轉譯為蛋白质的氨基酸序列，以用于蛋白质合成。几乎所有的生物都使用同样的遗传密码，称为标准遗传密码；即使是非細胞結構的病毒，它們也是使用标准遗传密码。但是也有少数生物使用一些稍微不同的遗传密码。
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[编辑] 破解歷史
自從發現了DNA的結構，科學家便開始致力研究有關製造蛋白質的秘密。伽莫夫指出需要以三個核酸一組才能為20個氨基酸編碼。1961年，美國國家衛生院的Matthaei與馬歇爾·沃倫·尼倫伯格在無細胞系統（Cell-free system）環境下，把一條只由尿嘧啶(U)組成的RNA轉釋成一條只有苯丙氨酸(Phe)的多肽，由此破解了首個密碼子（UUU -> Phe）。隨後哈爾·葛賓·科拉納破解了其它密碼子，接著羅伯特·W·霍利發現了負責轉錄過程的tRNA。1968年，科拉納、霍利和尼倫伯格分享了諾貝爾生理學或醫學獎。
[编辑] 基因组的表达
一个生物体携带的遗传信息－即基因组－被记录在DNA或RNA分子中，分子中每个有功能的单位被称作基因。每个基因均是由一連串單核苷酸組成。每个单核苷酸均由碱基，戊糖(即五碳糖，DNA中为脱氧核糖，RNA中为核糖)和磷酸三部分组成。碱基不同构成了不同的单核苷酸。组成DNA的碱基有腺嘌呤(A)，鸟嘌呤(G)，胞嘧啶(C)及胸腺嘧啶(T)。组成RNA的碱基以尿嘧啶(U)代替了胸腺嘧啶(T)。三個單核苷酸形成一組密碼子，而每個密碼子代表一個氨基酸或停止訊號。
製造蛋白質的過程中，基因先被從DNA轉錄為对应的RNA模板，即信使RNA(mRNA)。接下来在核糖体和转移RNA(tRNA)以及一些酶的作用下，由该RNA模板轉译成为氨基酸组成的链(多肽)，然后经过轉译后修饰形成蛋白质。詳情參閱轉譯。
因為密码子由三个核苷酸组成，故一共有43=64種密码子。例如，RNA序列UAGCAAUCC包含了三个密码子：UAG，CAA和UCC。这段RNA编码了代表了长度为3个氨基酸的一段蛋白质序列。(DNA也有类似的序列，但是以T代替了U)。
标准遗传密码如下表所示：由3个碱基对应到氨基酸的密码子表以及由氨基酸对应到3个碱基的反密码子表。
[编辑] 表一：密码子表
| 第二位碱基 | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| U | C | A | G | ||
| 第 一 位 碱 基 |
U |
UUU (Phe/F)苯丙氨酸 |
|||
| C |
CAU (His/H)组氨酸 |
||||
| A |
AUU (Ile/I)异亮氨酸 |
AAU (Asn/N)天冬酰胺 |
|||
| G |
GAU (Asp/D)天冬氨酸 |
||||
1標準起始編碼，同時為甲硫氨酸編碼。mRNA中第一个AUG就是蛋白质翻译的起始部位。
[编辑] 表二：逆密码子表
此表列出了和20种氨基酸和密码子的標準配對。
| Ala | A | GCU, GCC, GCA, GCG | Leu | L | UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG |
| Arg | R | CGU, CGC, CGA, CGG, AGA, AGG | Lys | K | AAA, AAG |
| Asn | N | AAU, AAC | Met | M | AUG |
| Asp | D | GAU, GAC | Phe | F | UUU, UUC |
| Cys | C | UGU, UGC | Pro | P | CCU, CCC, CCA, CCG |
| Gln | Q | CAA, CAG | Ser | S | UCU, UCC, UCA, UCG, AGU, AGC |
| Glu | E | GAA, GAG | Thr | T | ACU, ACC, ACA, ACG |
| Gly | G | GGU, GGC, GGA, GGG | Trp | W | UGG |
| His | H | CAU, CAC | Tyr | Y | UAU, UAC |
| Ile | I | AUU, AUC, AUA | Val | V | GUU, GUC, GUA, GUG |
| 起始 | AUG | 終止 | UAG, UGA, UAA | ||
[编辑] 技术细节
[编辑] 起始和终止密码子
蛋白质的轉译从初始化密码子（起始密码子）开始，但亦需要適當的初始化序列和起始因子才能使mRNA和核糖体结合。最常见的起始密码子为AUG（同时编码了甲硫氨酸），但在個別情況其它一些密碼子也具有起始的功能。
在经典遗传学中，终止密码子各有名称：UAG为琥珀（amber），UGA为蛋白石（opal），UAA为赭石（ochre）。这些名称来源于最初發現到这些终止密码子的基因的名称。终止密码子使核醣體和釋放因子結合，使多肽從核醣體分離而結束轉譯的程序。
[编辑] 簡并性
大部分密码子具有简并性，即两个或者多个密码子编码同一氨基酸。简并的密码子通常只有第三位碱基不同，例如，GAA和GAG都编码谷氨酰胺。如果不管密码子的第三位为哪种核苷酸，都编码同一种氨基酸，则称之为四重简并；如果第三位有四种可能的核苷酸之中的两种，而且编码同一种氨基酸，则称之为二重简并，一般第三位上两种等价的核苷酸同为嘌呤(A/G)或者嘧啶(C/T)。只有两种氨基酸仅由一个密码子编码，一个是甲硫氨酸，由AUG编码，同时也是起始密码子；另一个是色氨酸，由UGG编码。
遗传密码的这些性质可使基因更加耐受點突变。例如，四重简并密码子可以容忍密码子第三位的任何变异；二重简并密码子使三分之一可能的第三位的变异不影响蛋白质序列。由于转换变异(嘌呤变为嘌呤或者嘧啶变为嘧啶)比颠换变异(嘌呤变为嘧啶或者嘧啶变为嘌呤)的可能性更大，因此二重简并密码子也具有很强的对抗突变的能力。不影響氨基酸序列的突變稱為沉默突变。
简并性的出現是由於tRNA反密码子的第一位碱基可以和mRNA構成摆动碱基对，常見的情況為反密码子上的次黄嘌呤(I)，以及和密碼子形成非標準的U-G配对。
另一種有助對抗點突变的情況，是NUN (N代表任何核苷酸) 傾向於代表疏水性氨基酸，故此即使出現突變，仍有較大機會維持蛋白質的親水度，減低致命破壞的可能。
[编辑] 阅读框
“密码子”是由閱讀的起始位点决定的。例如，一段序列GGGAAACCC，如果由第一个位置开始读，包括3个密码子GGG，AAA和CCC。如果从第二位开始读，包括GGA和AAC(忽略不完整的密码子)。如果从第三位开始读，则为GAA和ACC。故此每段序列都可以分为三个阅读框，每个都能产生不同的氨基酸序列(在上例中，相应为Gly-Lys-Pro，Gly-Asp，和Glu-Thr)。而因為DNA的雙螺旋結構，每段DNA實際上有六個阅读框。 实际的框架是由起始密码子确定，通常是mRNA序列上第一个出现的AUG。
破坏阅读框架的变异(例如，插入或删除1个或2个核苷酸)稱為阅读框变异，通常會严重影响到蛋白质的功能，故此並不常见，因为他们通常不能在演化中存活下来。
[编辑] 非標準的遗传密码
雖然遗传密码在不同生命之間有很強的一致性，但亦存在非標準的遗传密码。在有「細胞能量工廠」之稱的線粒體中，便有和標準遺傳密碼數個相異的之處，甚至不同生物的線粒體有不同的遗传密码。支原體會把UGA轉譯為色氨酸。纖毛蟲則把UAG(有時候還有UAA)轉譯為穀氨醘胺(一些綠藻也有同樣現象)，或把UGA轉譯為半胱氨酸。一些念珠菌屬酵母會把CUG轉譯為絲氨酸。在一些罕見情況，一些蛋白質會有AUG以外的起始密碼子。
按信使RNA的序列，在一些蛋白質裏停止密碼子會被翻譯成非標準的氨基酸，例如UGA轉譯為硒半胱胺酸和UAG轉譯為吡咯賴胺酸，隨著對基因組序列加深了解，科學家可能還會發現其它非標準的轉譯方式，以及其它未知氨基酸在生物中的應用。
[编辑] 遺傳密碼的起源
除了少數的不同之外，地球上已知生物的遺傳密碼均非常接近；因此根據演化論，遺傳密碼應在生命歷史中很早期就出現。現有的證據表明遺傳密碼的設定並非是隨機的結果，對此有以下的可能解釋1:
- 最近一項研究顯示，一些氨基酸與它們相對應的密碼子有選擇性的化學結合力2，這顯示現在複雜的蛋白質製造過程可能並非一早存在，最初的蛋白質可能是直接在核酸上形成。
[编辑] 參考資料
- 註解1： Knight, R.D.; Freeland S. J. and Landweber, L.F. (1999) The 3 Faces of the Genetic Code. Trends in the Biochemical Sciences 24(6), 241-247.
- 註解2： Knight, R.D. and Landweber, L.F. (1998). Rhyme or reason: RNA-arginine interactions and the genetic code. Chemistry & Biology 5(9), R215-R220. PDF version of manuscript
- 註解3： Brooks, Dawn J.; Fresco, Jacques R.; Lesk, Arthur M.; and Singh, Mona. (2002). Evolution of Amino Acid Frequencies in Proteins Over Deep Time: Inferred Order of Introduction of Amino Acids into the Genetic Code. Molecular Biology and Evolution 19, 1645-1655.
- 註解4： Amirnovin R. (1997) An analysis of the metabolic theory of the origin of the genetic code. Journal of Molecular Evolution 44(5), 473-6.
- 註解5： Ronneberg T.A.; Landweber L.F. and Freeland S.J. (2000) Testing a biosynthetic theory of the genetic code: Fact or artifact? Proceedings of the National Academy of Sciences, USA 97(25), 13690-13695.
- 註解6： Freeland S.J.; Wu T. and Keulmann N. (2003) The Case for an Error Minimizing Genetic Code. Orig Life Evol Biosph. 33(4-5), 457-77.
[编辑] 其它參考資料
網路上有很多有關本題目的資料，由美國國家衛生院提供NCBI Bookshelf。
- Griffiths, Anthony J.F.; Miller, Jeffrey H.; Suzuki, David T.; Lewontin, Richard C.; Gelbart, William M. (1999). Introduction to Genetic Analysis (7th ed.). New York: W. H. Freeman & Co. ISBN 0-7167-3771-X
- Alberts, Bruce; Johnson, Alexander; Lewis, Julian; Raff, Martin; Roberts, Keith; Walter, Peter. (2002). Molecular Biology of the Cell (4th ed.). New York: Garland Publishing. ISBN 0-8153-3218-1
- Lodish, Harvey; Berk, Arnold; Zipursky, S. Lawrence; Matsudaira, Paul; Baltimore, David; Darnell, James E. (1999). Molecular Cell Biology (4th ed.). New York: W. H. Freeman & Co. ISBN 0-7167-3706-X
- 有關遺傳密碼演化的wiki
- NCBI網頁，有關遺傳密碼的詳細的說明
