克里克和尼伦伯格对遗传密码领域的研究贡献
【摘 要】本文作为人教版高中生物必修二中第四章《基因的表达》的选学内容第3节《遗传密码的破译》的背景、扩充和延申内容，从人文色彩和科学发现两方面对科学家克里克和尼伦伯格及他们在遗传密码方面的发现和成就做出介绍，把学习课堂引向课外，拓宽师生的视野，提高学生学习和探究的综合能力。
【关键词】克里克;尼伦伯格;遗传密码;DNA;氨基酸
【中图分类号】N 09 【文献标识码】A 【文章编号】1002-8714（2019）11-0298-01
在遗传的中心法则中，遗传物质是以复制、转录和翻译的过程进行传递的。DNA的信息转录至RNA后，RNA上的四种碱基U（尿嘧啶）、C（胞嘧啶）、A（腺嘌呤）、G（鸟嘌呤）以一定的规律翻译成不同的氨基酸。不同碱基的不同排列，对应着特定的氨基酸，这种对应的规则即遗传密码[1]。
遗传密码由三个碱基为一组三联体，成为一个密码子，从特定的起始位置开始，到终止密码结束。三联体上的每一个碱基都有四种可能性，那么一组三联体碱基的组合就有4×4×4=64种组合方式。64种组合方式并不对应着64种氨基酸，而是对应着20种氨基酸[2]，即，密码子和氨基酸是多对一的映射关系：不同的密码子可能会翻译成同一种氨基酸，比如，CGU、CGC、CGA、CGG四种密码子都对应着精氨酸（Arginine）。
本文主要介绍了两位在遗传密码的确定和破译方面做出了巨大贡献的人物：克里克和尼伦伯格。
1 克里克
弗朗西斯·克里克于1916年出生于英国，在21岁时获得伦敦大学的物理学学位。在学习物理的同时，克里克从未停止对生命本质的思考，迫切希望探索生物与非生物的区别。1951年，开始与美国科学家詹姆斯·沃森合作，在研究蛋白质晶体的同时，始终没有停止探寻基因的物理本质的脚步[3]。
1952年，美國化学家提出DNA为三链结构的模型。而克里克与沃森根据罗莎琳德·富兰克林拍摄的DNA的X射线衍射图，判断出DNA应该是双螺旋结构，由此搭建了双螺旋模型，并在1953年发表论文于Nature，自此确定了DNA的结构。该成果于1962年获得诺贝尔医学奖。
1958年，弗朗西斯·克里克提出了遗传信息传递的中心法则，指出遗传信息是由DNA传递至RNA，再翻译成为蛋白质的。
1961年，克里克在T4噬菌体上实验发现，增加或删除一个碱基，或者增加或删除两个碱基，都不能产生功能正常的蛋白质，但是增加或删除三个碱基时却能够合成功能正常的蛋白质，由此，成为世界上首位用实验证明遗传密码中碱基编码氨基酸的比例为3：1的人。这就是我们中学生生物课本中对遗传密码破译的主要内容。
1966年，弗朗西斯·克里克发表由基于大肠杆菌的研究得出的遗传密码表，并猜想在所有生物中遗传信息对应蛋白质的编码关系应该是相同的。这一猜想也被后人证实。克里克还假定了无义密码子具有中止信号的作用[4]。
在克里克的研究论述中，认为遗传密码有如下特点：遗传密码子是三个一组，从一个特定的起始点开始每三个、每三个进行读取，密码子之间没有重叠;不同的密码子可能对应同一种氨基酸，具有简并性;密码子的排列决定了氨基酸的某些性质，如亲疏水、酸碱性等等，既存在着偶然性，又存在着必然性。
克里克认为遗传密码法则适用于几乎所有生物，是基于进化论中生物是从低等到高等进化的顺序得来的。如果在进化的过程中，遗传密码出现改变，那么整个进化的过程将出现不利因素，进化会向着不稳定的方向进行。所以，为了能够正常、正确进化，生物应当沿袭同一套遗传密码。这就是克里克的冻结偶然性
理论。
1967年，克里克阐述了他认为的遗传密码起源与进化的三个阶段：在古密码时期，少数的嘌呤和嘧啶被识别，只能编码成形态简单的少数氨基酸;在中期密码时期，更多的密码子能够被翻译成氨基酸，不再是无义密码子，氨基酸的种类增加;当代的现存密码子已经固定，并在物种间通用。
中学生在学习遗传密码子的时候，经常有疑问：为什么密码子是三个碱基一组，而非两个、四个或更多？克里克在构建的DNA双螺旋结构模型以及X ray图片中计算得知，双螺旋结构的直径和角度决定密码子只能是三个碱基一组。
克里克破译遗传密码的阅读方式的方法是具有极大教学借鉴意义的。在《普通高中课程标准实验教科书·生物必修二》中提到，克里克还在伽莫夫提出了“三个碱基编码一个氨基酸”的设想的基础上展开的实验。设想引出了两种可能的阅读方式，即“非重叠的阅读方式”和“重叠的阅读方式”。高中生物教科书中引用了“摩尔斯电码”作为类比。与遗传密码相似的是，二者都是借由“基本单位”构成的有序的“次级单位”来传递信息。“摩尔斯密码”以“点和横杠”作为“基本单位”构成了“字母”，而遗传密码以碱基作为“基本单位”构成了“密码子”。重点在于，单个无序的“基本单位”是不具备传递信息的能力的，信息储存在由“基本单位”构成“次级单位”的“排列方式”中。
克里克和他的团队所面临的难题便是：他们对于碱基构成密码子的排列方式几乎全然不知。但他们并未放弃，相反，他们找到了一条全新的思路，便是“次级单位”之间的“共性”。尽管每个密码子的组成是不同的，但按照伽莫夫的猜想，每个密码子的共性便是“由三个碱基组成”。而在这种共性下，由次级单位组成的“高级单位”，即由密码子编码形成的肽链才会具有正确的信息。若是破坏或抽离一个“基本单位”，那么不仅该单位所在的次级单位会失效，而且由于“共性”的特点，该单位以后的所有“次级单位”多半会失效，因为按照“共性”的解读方式，在错位后的“基本单位”解读出来的大概率是“乱码”，因而“高级单位”所表达的含义也因此消失，这体现在“无法产生正常功能的蛋白质”上。但若是删去一个完整的“次级单位”，便不会引起“错位”，从而可以让剩余的信息完整地翻译
出来。
以上正是克里克团队找到，或者说验证了遗传密码阅读方式的手段，即在“不清楚具体的组合方式”的情况下找到组合方式的“共性”，这种“共性”即是阅读方式。这对于高中生的科研启蒙教育是具有极大意义的。首先，它告诉我们要抓住主要问题;对于当时的克里克团队而言，找到具体的某个密码子并非首要任务，因为在密码子的“共性”，即“三联体”都还未验证之前，想要破译密码子是不可能的。故而克里克团队先将目光投向了“遗传密码的阅读方式”，才有了后来尼伦伯格完成的对第一个密码子的破译。其次，这也说明，找到个体间的普遍规律是定义或解读这一类个体的最优途径。
克里克的一生中，对分子生物学的奠基起到巨大作用。他以物理学家惯有的严谨，加上生物学家需要有的一定的“脑洞”，不断地提出假设、层层推论、不断探索、反省错误，同时又能坚持目标。这种科学的精神值得我们学习。
2 尼伦伯格
即使是在克里克和布伦纳于理论上推导出三联体密码的1959年，人类对遗传密码的认知仍存在极大的空白，即不同密码子与氨基酸之间的对应关系是完全未知的，这也是1950年代末分子生物学领域的首要难题[5];而攻克这一难题的却是并未接受过正规的分子生物学训练，主要研究领域为动物学和生物化学的尼伦伯格。
尼伦伯格于1927年4月10日出生于美国纽约市。他的本科以及研究生学习的方向是动物学，而博士时期的研究领域又转移到了生物化学。1959年，尼伦伯格加入NIH，对遗传密码产生巨大兴趣，着手研究。同事纷纷劝他不要这样做，对于一个缺乏分子遗传学知识背景的生物化学家来说，“转行”分子生物学相当于“学术自杀”。但是，尼伦伯格坚定了自己的想法，曾经在生物化学领域的研究也对他日后破译遗传密码带来了积极的影响：在选定研究对象时，尼伦伯格沿用生物化学的思路选定了大肠杆菌无细胞体系[5]。
信使核苷酸（mRNA）传输遗传信息的理论是由克里克和布伦纳提出的[6]，但却是由尼伦伯格设计实验而证明：在上述大肠杆菌无细胞体系中，通过一定方式破坏了细胞原有的DNA和RNA，在蛋白质的合成基本停止后，再分别加入DNA和RNA，结果RNA可加快（或重启）该体系中的蛋白蛋合成，而DNA却不行。趁此实验充分证实了RNA直接指导了蛋白质的合成，一定程度上也验证了克里克的狂想[5]。对于中学生而言，该实验也可使学生对控制变量法的理解更加深入：清空原有的DNA和RNA是排除无关变量，而分别加入DNA和RNA则是引入单一变量。此实验也为后来他与马特伊破译对应苯丙氨酸的UUU密码子提供了一个良好的思路开端。
这一次，尼伦伯格和马特伊不再采用T4噬菌体或大肠杆菌，而是创新性地运用了蛋白质的体外合成技术。他们在试管中分别加入一种氨基酸，再加入去除了DNA和mRNA的细胞提取液来构建氨基酸合成的环境，保证能量。在加入了不同氨基酸的试管中分别加入尿嘧啶核苷酸，发现在加入了苯丙氨酸的试管中出现了新生成了苯丙氨酸肽链，说明了苯丙氨酸是由尿嘧啶碱基翻译而来，从而破译了第一个密码子——苯丙氨酸的密码子UUU。依次思路，全部密码子依次被科学家所破译[6]。
1968年，尼伦伯格因其在遗传密码及蛋白质合成过程方面做出的贡献，获得了诺贝尔生理学或医学奖。随后，他选择了去研究更有挑战性的神经生物学。2010年，尼伦伯格因神经内分泌肿瘤去世。他对分子生物学的颠覆性创造贡献推动了人类社会的进步。他对科研极具创新的激情和热情值得我们学习。
参考文献
[1] 孙咏萍.分子生物学中“遗传密码”概念在中国的传播.内蒙古师范大学学报[J]，2017，46（4）：594-597.
[2] 刘亚光，方正之，姚文兵.遗传密码扩充技术在蛋白质研究中的应用进展.中国生化药物杂志[J]，2011，32（4）328-331.
[3] 孙咏萍，郭世荣.克里克对遗传密码领域之贡献的研究进展.内蒙古师范大学学报[J]，2011，40（6）：637-642.
[4] 孙咏萍，郭世荣.重述克里克的密码起源理论.内蒙古师范大学学报[J]，2015，44（5）：685-691.
[5] 郭晓强.遗传密码之父——尼伦伯格.科学[J]，2011，63（3）：50-53.
[6] 葉梓.遗传密码破译的历程探析--兼评尼伦伯格对遗传密码研究的贡献.科技尚品[J]，2016，8（95）：222.