6.1 遗传密码子的破解和密码子的 简并性在线视频

同学们好

我是南方科技大学生物系的邓怿老师

今天由我来跟大家一起学习一章新的内容

遗传密码 蛋白翻译及翻译后修饰

本章主要和大家谈六个问题

首先 什么是遗传密码子

什么是遗传密码子的“简并性”

其次 什么是蛋白质翻译过程中的适配器adaptor

tRNA到底扮演了什么角色

第三个问题是蛋白质翻译在哪里进行

什么是核糖体 它的结构是什么

第四个问题是关于蛋白质翻译过程

蛋白质翻译如何在核糖体上启动 延伸和终止

第五个问题是蛋白质在翻译后要进行哪些修饰

最后一个问题是关于

mRNA在细胞内的非随机分布与翻译的关系

首先 让我们来学习第一个问题

什么是遗传密码子和遗传密码子的“简并性”

“密码code”这个词源于拉丁语codex

本意为记录在树茎或者木板上的信息

遗传密码是指

细胞中遗传物质DNA或RNA序列编码的信息

具体编码每一个氨基酸的核酸序列

就是该氨基酸的密码子

每一个密码子只编码一个指定的氨基酸

遗传密码子高度保守

几乎所有的生物 包括缺乏细胞结构的病毒

都使用同样的遗传密码子

这个列表包含了64个标准遗传密码子

包括蛋白质翻译的起始和终止密码子

你们也不难发现

同一氨基酸常常有两个或者多个密码子

而差异通常发生在密码子的第三位核苷酸

这就是密码子的简并性

使得基因能够耐受核苷酸点突变

那么 DNA链上的遗传密码有哪些规则呢

首先 遗传密码不重叠 也就是说

在DNA链上任何两个相邻的密码子不共用任何核苷酸

每一个密码子都是一个独立的单位

 因此 单核苷酸点突变只改变一个密码子

导致一个编码氨基酸的改变

其次 遗传密码没有逗号和间隙

密码子与密码子之间

没有任何不编码的核苷酸或者间隙

读码时有一定的读码框

从起点开始 一个不漏地读到终止密码子

遗传密码的规则是如何破解的呢

我想给同学们做一点介绍

这里不得不再次提到Francis Crick 和Sydney Brenner这两位

20世纪最伟大的生物学家

在上个世纪60年代初

Francis Crick 和Sydney Brenner研究中

使用了T4噬菌体的B基因突变体

B基因编码的蛋白允许T4噬菌体

在两种不同的大肠杆菌菌株上生长

严重的B基因突变使得噬菌体只能在其中一个菌株上生长

但有的突变发生在B基因的末端序列

这样的突变体仍然能够在两种不同的菌株上生长

这两位科学家使用阿克里丁化学诱变剂

诱导T4噬菌体基因突变

诱导T4噬菌体基因突变

化学结构上 阿克里丁是个扁平分子

能够混入DNA单链而导致单碱基插入或者缺失

在极低浓度处理下

每个噬菌体平均只发生单碱基插入或者缺失突变

随后他们检测发生突变的噬菌体

能否在两种不同的大肠杆菌菌株上生长

实验结果显示

绝大多数T4噬菌体发生的突变使得B基因完全失活

即使突变发生在常常可以被容忍的B基因末端

也使得B基因完全失活

这些结果说明仅仅单碱基插入或者缺失

就可能导致许多氨基酸发生了改变

这就提示了遗传密码有一个读码框

并且之间没有间隙

为了进一步研究这些突变

Francis Crick 和Sydney Brenner将突变体

分别两两与大肠杆菌宿主混合培养

不同的噬菌体之间即可发生基因重组

结果有的重组T4 噬菌体恢复了在两种不同大肠杆菌上生长的能力

有的却仍然不能

于是 他们根据两两重组结果

把噬菌体突变体分为两组

称为“+” 或者“-”组

可以分别代表插入和删除突变

他们发现 符号相同的噬菌体重组后

不能恢复野生型噬菌体的表型

而符号不同的噬菌体重组后能够恢复

于是他们这样解释了 他们的实验结果 他们认为

一个碱基的插入或缺失会导致阅读框移位

因此发生点突变后会改变后面所有的氨基酸

当符号相反的突变体发生重组后

第一个插入或缺失突变导致的读码框移位

可以被第二个缺失或插入突变纠正而恢复原来的读码框

因而只有两个点突变之间氨基酸发生了改变

当符号相同的突变体发生重组后

由于仍然无法重建正确的阅读框

而不能恢复野生型噬菌体的表型

认识了遗传密码的规则

下一步就是破解遗传密码子（codon）

Francis Crick Sydney Brenner以及Leslie Barnett

还进一步通过三个突变体重组的实验结果

首次推测密码子由三个核苷酸组成

他们认为 如果密码子是核苷酸三联体

那么具有相同符号的突变体发生重组后

将会重建阅读框而恢复或者接近野生型噬菌体的表型

结果与他们的预测非常一致

这也是遗传密码子是核苷酸三联体的第一个证据

Francis Crick 和Sydney Brenner的这些研究

清晰的展示了如何运用思维和逻辑解决基本的生物问题

也说明了如何通过知识和智慧的结合

而寻找到重要科学问题的答案

好 紧接着来学习遗传密码子的破解

20世纪后半叶分子生物学发展的里程碑

那么 密码子到底是如何破解的呢

1961 年 Nirenberg 和 Matthaei 在无细胞体系中

使用三核苷酸poly-U RNA

和细胞提取物合成了苯丙氨酸

他们在实验中使用了

Polynucleotide phosphorylase催化

随机合成poly-U RNA序列

由于是单一核苷酸U

所以核苷酸的顺序就没有影响

他们在每个试管中都加入poly-U RNA

然后分别加入一种放射性标记的氨基酸

再加入除去了DNA和mRNA的细胞提取液

结果在苯丙氨酸的试管中

检测出多聚苯丙氨酸的肽链

这说明poly-U序列编码由苯丙氨酸组成的肽链

结合上述3个核苷酸决定1个氨基酸的实验结论

与苯丙氨酸相对应的密码子应该是UUU

他们用同样的方法

解读了poly-A编码赖氨酸

poly-C编码脯氨酸

这是破解遗传密码子里程中第一个重大的突破

另一个重要的突破

来自于印度裔美国科学家Khorana的工作

他使用特定的双 三或者四个核苷酸重复的

RNA序列进行多肽合成

在此之前

已有研究通过核糖体-三核苷酸-氨基酸复合物

分析了20个氨基酸的遗传密码子

Khorana的工作进一步完善了

20个氨基酸的遗传密码子

此外 对由四个核苷酸重复的RNA序列编码的

多肽的分析也说明了mRNA的阅读有方向性

是从5'端到3'端

这是完整的密码子表

一共64个密码子

包括61个编码20个氨基酸的密码子

以及3个终止密码子

甲硫氨酸的密码子AUG也是起始密码子

这个密码子表有两个特点

一是每一个密码子只编码一个氨基酸

其次 有的氨基酸可以有多个密码子

然而 生物体使用密码子的频率却不同

一些密码子比其他密码子的使用频繁

这种现象称为密码子的使用偏好

例如 在细菌中 CUG 经常用于编码亮氨酸

但在念珠菌相关的真菌中

CUG却只很少用作亮氨酸的密码子

也不会出现在高表达的蛋白质中

研究还发现 密码子的使用也与基因编码的

蛋白的结构和功能相关

例如 mRNA中稀有密码子常常出现在

蛋白质结构域的连接区和二级结构单元的连接区

翻译速率在连接区会有所降低

在不同物种中

类型相同的基因常常有相似的密码子使用偏好

虽然密码子具有一定的通用性

从细菌到人类

不同生物的密码子基本相同

但是密码子的通用性也存在少数例外

这样的密码子被称为非通用密码子

在酵母 果蝇 高等植物以及哺乳动物的

线粒体中都发现了非通用密码子

例如 在哺乳动物中线粒体中

AGA和AGG不是精氨酸密码子

而是终止密码子

于是一共有四个终止编子

（UAA UAG AGA和AGG）

现在 我们来看看遗传密码的读码框

读码框也称为“开放阅读框”（ORF）

所谓“开放”是指

读码框架由翻译起始位点的起始密码子AUG决定

即mRNA序列上出现的第一个AUG

从这起始的一系列连续 非重叠密码子的顺序

决定了蛋白质的氨基酸序列

密码子阅读与翻译具有方向性

是从mRNA 的5'端到3'端

插入或缺失1个或2个核苷酸会破坏原本的读码框

改变许多氨基酸从而影响蛋白质的功能

这样的突变也称为移码突变

最后小结一下

遗传密码有三个规则

首先 遗传密码的阅读具有方向性

是从mRNA的 5'到3'端

其次 遗传密码中密码子不重叠并且没有间隙

第三 遗传密码有一定的读码框

从正确的起点开始 一个不漏地直到终止信号

好了 本节课就先到这里

我们下节课再见