遗传密码子
遗传密码是指 DNA 或 mRNA 的碱基序列与其 险阻 ,但是在多位科学家的辛苦努力下 ,遗传密码破编码蛋白质的氨基酸序列间的相互关系. 由此产生 译的方法不断得到完善和发展 ,并最终在 5 年后将了由几个核苷酸决定一个氨基酸的问题. 1961 年 ,Crick 等利用原黄素对细菌噬菌体 T4 的 顺反子的区域进行诱发突变实验 ,最终发现遗传密码子是由 3 个核苷酸组成的 . 同年 ,遗传密码破译的伟大工程正式展开. Nirenberg 等 通过人工合成 mRNA并进行体外蛋白翻译的办法 ,利用大肠杆菌的无细胞提取液首次确定了 UUU 为编码苯丙氨酸的密码子. 随后 ,尽管遗传密码的破译工作遇到了种种艰难 ，全部遗传密码子破译。
遗传密码子的起源与进化
为什么三联体密码与相应的氨基酸存在着密切关系 ,即遗传密码的起源问题一直是整个科学界关注的热点之一. 针对这一事件 ,有关的理论、观点或假说层出不穷. 例如 ,偶然冻结理论 (the accidentfrozen theory) 、立体化学理论 (stereochemical theory) 、
为一套密码子进化过程的理论框架[9] [7][10] 2 . 然而 ,众家学说[11] [8] 氨基酸 - 密码子共进化论 (co evolution theory) 、离体选择理论( In vitro selection theory) 、解码机理起源理论、第二遗传密码观点 (second genetic code) 、氨基酸与 tRNA 上反密码子发生特异性直接相互作用假说、双链核酸分子 (dsRNA 或 dsDNA) 与氨基酸共同作用导致遗传密码起源假说、信息理论 (information theory) 和流体静力学压力假说 ( high hydrostatic pressure theory) 等等. 近来 ,Copley 等提出了氨基酸与其遗传密码相互关系的新的理论推测. 他们认为 ,遗传密码的一些规律性 ,如遗传密码的第 1 位碱基与其编码氨基酸的生物合成途径高度关联 ;第 2 位碱基与氨基酸的疏亲水性密切相关等可作为解释遗传密码起源的重要证据 .
在生物进化的过程中 ,遗传密码也在不断进化 , 而且这种进化趋势总是朝着稳定化的方向前进 . 肖敬平在总结前人研究成果的基础上提出 ,密码子的起源和进化可划分为前密码子期、tRNA 形成期、原密码子与有序肽同步起源期及现代密码子进化期等 4 个阶段 ,并且认为遗传密码子多态性的起源 , 可能始于最初阶段氨基酸同某类寡核苷酸的起始二联体的相互作用 ,而完成于所有的双义原始密码子的第三位碱基的分化 . 他旨在将不同的观点整合外 ,几乎所有生命体均使用相同的遗传密码 ,表明地球上的生物具有共同的起源. 而细胞器线粒体及其他一些生命体中出现的反常密码子在一定程度上可作为研究生物体进化关系的标记[20] . 例如 ,通过对遗传密码 6 维编码空间进行对称性分析 ,陈惟昌等推测线粒体可能比核基因组的起源更早[22] . 不同物种的密码子用法显著不同 ,即音符相同而乐章各异. 但是 ,进化上亲缘关系较近的物种往往具有相似的密码子使用模式[23] ,反之则差异越大. 因此 ,不同基因组间密码子用法的比较分析 ,对研究彼此间的进化关系具有重要的参考价值.
遗传密码子的多态性
编码同一种氨基酸的密码子称为同义密码子 (synonymous codon) . 同义密码子的数目不等 ,除 5 个外 ,从 1 到 6 个都有 ;另外 ,在线粒体和某些生物的细胞核内往往存在一些反常密码子 ,肖敬平 (2001) 将这种现象称为“遗传密码子的多态性”[6] .
多态性现象是原始密码子的进化产物[6] . 对于原始密码子解读方式的推测目前主要有“3 读 1”说、 “3 读 2”说和“3 读 3”说. 其中“3 读 2”就是三联体上 ,只有第一二位碱基组成双字母的密码. 因为“3 读 2”说把密码子上的碱基编码功能同作为三联体在信息代谢中的构型功能区分开 ,这对研究原始密码子的起源很有启发. 据此 ,肖敬平构建了“3 读 2” 原始密码子的进化树. 他认为“确切的”和“双义的” 两大类“3 读 2”原始密码子通过不同的分化方式进化 ,可合理地解释现代密码子多态性的来源[6] .
“遗传密码子多态性现象”的研究目前还只停留在理论推测水平上. 随着基因组数据的不断获得 ,相信上述理论推测或假说将会得到更加深入的完善和发展 ,这对揭示生命起源具有重要意义.
通过分子遗传工程提高特定蛋白的表达量
密码子偏好性研究发现 ,某些蛋白编码基因内存在较少使用的稀有密码子（稀有密码子分析工具：http://www.detaibio.com/tools/rare-codon-analyzer.html）. 由于稀有密码子对应的同义 tRNA 数量较少 ,因此造成其翻译速率降低蛋白产出量减少. 研究表明 ,将目标基因进行密码子优化,可提高其蛋白的产出量.