破解密码子

遗传密码被称为“生命最大的秘密”。¹该密码将基因中的DNA核苷酸碱基序列与该基因编码的蛋白质中的氨基酸序列联系起来。蛋白质中的20种氨基酸中的每一种都由四种DNA核苷酸的不同三元组(表示为C, G, a, T) -或者更确切地说，是信使RNA (mRNA)分子的四种核苷酸(C, G, a, U)，在翻译过程中起中介作用。碱基有64种排列，因此编码有一定的冗余:大多数氨基酸在mRNA中由两个或多个三联体(称为密码子)表示。

遗传密码的破解始于1961年，当时位于马里兰州的美国国立卫生研究院的生物化学家马歇尔·尼伦伯格和海因里希·马泰伊首次发现了一个特定密码子(UUU)和一种氨基酸(苯丙氨酸)之间的对应关系。到1965年中期，尼伦伯格的团队已经破译了64个可能的密码子中的54个;最后一个密码子(UGA)终于在1967年被解密，被证明是三个密码子之一，它不是编码氨基酸，而是告诉核糖体的翻译机制停止。

从表面上看，遗传密码似乎是任意的:哪个密码子对应哪个氨基酸并不重要，只要翻译过程能够区分它们。但是，一个特定的密码子编码一个特定的氨基酸，真的有某种化学原因吗?自从密码被破解以来，这个问题就一直困扰着生物化学家。甚至在20世纪60年代末研究人员指出密码子的碱基与其氨基酸的性质之间似乎存在某种关系:²例如，密码子的第二个字母的身份似乎与其氨基酸的疏水性有关。这表明，当遗传密码出现时——这一定发生在生命本身开始的时候，因为所有生物的密码都是一样的——化学决定了选择。但如何?

形式和功能

关于生命起源的一种普遍观点是，最初的原始生物既不含蛋白质也不含DNA，而只含有它们的中间RNA。因为RNA既可以作为一种信息载体——一种新生的遗传物质——也可以作为一种预酶化学催化剂。最终，遗传作用被化学性质更稳定的DNA所取代，而更多功能的蛋白质则承担了催化作用。一些人认为，后一种转换是由于RNA分子被短肽链的附着所修饰，就像现在的一些蛋白质酶被糖或其他非肽附件功能化一样。这将把所谓的RNA世界变成一个多肽RNA世界．^3.渐渐地，RNA上的肽侧链接管了催化的职责，而RNA的工作只是帮助组装它们。

如果是这样的话，似乎有理由怀疑，现在遗传密码中保存的肽- rna关联可能反映了这些分子中的两种单体单位(氨基酸和碱基)在原始细胞中是如何合成的一些共同方面。这就是生物化学家Stuart Harrison和英国伦敦大学学院的Nick Lane等人的研究成果现在提出．⁴他们表明，密码子的第一个字母与氨基酸通过生物合成固定二氧化碳形成的序列相关。用CO固定碳的过程₂和H₂作为原料，它在所有生物中以大致相同的方式发生:它是生命的“核心代谢途径”，有氧代谢的克雷布斯循环由此出现。大多数氨基酸都是这种核心代谢的生物合成副产物，Lane和同事们表明，由G在第一个密码子位置编码的氨基酸是第一个从CO中分离出来的氨基酸₂固定。以A开头的密码子编码的氨基酸是最先产生的，其次是C-first密码子编码的氨基酸，最后是U-first密码子编码的氨基酸。

换句话说，研究人员说，由嘌呤(A, G)优先密码子编码的氨基酸可能是第一个被招募到遗传密码中的氨基酸，原因是它们在代谢途径中易于合成。除了确认第二密码子碱基与氨基酸疏水性的相关性外，研究小组还说，至少对于非冗余密码子来说，第三个碱基与其氨基酸的大小相关。

这表明，第一个细胞中的随机RNA序列将以非随机的方式与氨基酸相互作用——然后我们可能会期望这些序列与今天肽和蛋白质合成中的相同氨基酸相关联。换句话说，可能会有关于第一批被冻结在遗传密码中的生物的化学成分的线索。