克里克与遗传密码摆动假说，本文主要内容关键词为：克里克论文,假说论文,密码论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：N09
文献标识码：E
文章编号：1674-7062(2012)03-0077-06
1954年，伽莫夫(Gorge Gamow)首次从细节上提出遗传密码的具体设想[1]。从此，遗传密码的组成、密码的性质及如何将密码子破译的问题便成为生物学领域持续研究的热点。在今天公认的密码结构中，有一个现象至今依然激起分子生物学家的广泛兴趣，即密码“简并性(degeneracy)”。甚至有人声称，任何密码起源与进化理论都应该以能否很好解释简并现象作为一个检验标准[2]。为解释密码的简并性，1966年，克里克(Francis Crick)发表专门讨论密码子简并性现象的论文，史称密码子摆动假说[3](或变偶假说)。然而，有关这一摆动假说的历史性研究工作并不多，散见于一些生物学教材[4]、生物学史[3]论著及综述和评论性的文章[5]中。科学技术发展的速度之快使人们更多关注前沿的重大问题，对摆动假说[6]的历史诠释还有待于进一步推进。
一 摆动假说的理论背景
密码子“简并性”概念的历史发展
密码子“简并性”是基于人们对核酸序列与合成蛋白质的氨基酸序列的对应关系——编码问题——的思考而提出来的一个概念。1953年5月，克里克与沃森(J.M.Waston)在英文《自然》杂志上发表的论文《核酸结构的遗传学意义》[7]阐明了DNA的物质结构及意义。这篇论文经由物理学家阿尔瓦雷斯(L.Alvarez)之手引起了伽莫夫的注意。当时，伽莫夫正在访问加利福尼亚大学伯克利分校，他立即开始了直觉上的思考[8]。1954年2月，伽莫夫在同一权威杂志上发表了一篇关注4个字母的核酸语言与20个字母的氨基酸语言间关系问题的论文[1]，指出如果是三碱基编码一个氨基酸，肯定存在多个三碱基编码同一种氨基酸的情况，此时，密码子“简并性”的概念已经在这个物理学家的头脑中迅速诞生。但遗憾的是，明确提出这个概念的人不是他而是克里克。1955年，克里克写下题为《论退化的模板和连接子假说》的论文，虽然克里克并未将其发表，但这篇论文的部分内容后来也被其他研究者进行引述。文中他阐述了伽莫夫关于密码观点的总体性质，首次引用“简并性”这个词来描述伽莫夫在密码研究方案中讨论的多个三碱基编码一个氨基酸的情况[9]。后来，克里克在论文《编码问题的现状》中分析了编码问题的地位[10]，详述当时科学家在这一重大问题上的集中研究，其中核酸中碱基组分与氨基酸组分关系的研究结果显示——核酸中碱基组分的变化与其氨基酸组分的变化的关系不具备协调性，当碱基组分的变化较大时，氨基酸组分却非与此相应地变化，这无疑表明多个密码子编码同一氨基酸的可能性。1961年，克里克再次发表论文《蛋白质遗传密码的一般性质》，正式而全面地总结了遗传密码的一般性质，其中第四条性质，即：密码子简并性[11]。前瞻性的理论工作促使实验工作者必须加快研究的脚步，1962年，尼伦伯格(M.Nirenberg)与其合作者在实验中的确看到了这一现象，只是当时并不能确定哪些碱基三联体编码哪一种氨基酸[12]。埃克(R.V.Eck)于1963年也对密码的这种“规律性”作出进一步论证[13]。1966年，密码子破译工作完成，密码子中碱基次序问题全部搞清[14]，人们对密码“简并性”的认识也更加明朗，已经看到，编码相同或相近氨基酸的密码子在序列上往往相似。一般来说密码子的第三个位置不是特别重要，因为四个编码同一种氨基酸的密码子只在第三位上不同，有时这一位点上的不同会是嘌呤(A，G)和嘧啶(U，C)之间的不同造成的，密码子最后一位碱基专一性降低的现象称为第三位碱基的简并性。1968年12月，尼伦伯格在题为《遗传密码》的诺贝尔演讲中说：“密码子简并性的有规则的形式好像是因为碱基U通常等效于碱基C，而碱基A等效于碱基G”[15]。检查一下密码子，如果以X和Y代替任意一个碱基的话，可发现XYU和XYC总是编码同一氨基酸，而XYA和XYG也总是编码同一氨基酸。如：天冬酰胺(Asn)的简并密码子就是AAU和AAC，而络氨酸(Lys)的简并密码子是AAC和AAG。1988年，中国也开始出现了得到国际认可的系统研究密码“简并性”的文章[16]。至今，密码子简并性的研究上仍是理论生物学领域的重要问题。
摆动假说的提出
1962年，伍斯(C.R.Woese)推测核酸与氨基酸间可能有立体化学作用，他把“简并性”中涉及的密码子看做是相等的核苷酸[17]，后来又于1965年5月阐明了遗传密码的排布规则，认为利用氨基酸色谱可以为分析“简并性”提供有用的证据，倾向于认为编码关系是一种核苷酸与氨基酸间的立体化学作用[18]。然而，1963年克里克指出该现象仅仅是一种“历史偶然性”[19]。索恩(T.M.Sonneborn)在这一问题上与克里克和伍斯的观点均相异[20]。1964年索恩提出选择压力的作用在密码排布中会起到重要的限制作用，简并密码可以使突变带来的有害影响降至最小。后来的研究表明各种说法都有其合理性的因素[21]。幸运的是，克里克对此还进行了细致而深层次的研究，这可能是生化知识的增加在进一步刺激他探索的欲望，给他密码研究注入了的强大动力。1966年，为解释密码“简并性”现象，克里克提出了著名的摆动假说。克里克认为密码子的前两个碱基与反密码子的配对是严格的标准配对，而密码子第三位点(3'端)与反密码子第一位点(5'端)的识别存在自由度，即“摆动性”。克里克的摆动假说犹如一只奇葩在当时并不十分紧张的研究环境中傲然绽放，随即引起强烈的反响，很大程度上解释了密码子的简并性现象。
二 摆动假说的内容
1965年，基于密码子的研究[15,22]和sRNA①(tRNA)序列[23]的阐明，全部密码子的破译工作即将在众多科学家历时12年的齐心努力下落下帷幕。克里克认为该是思考信使(mRNA)的密码子和sRNA上的反密码子的可能配对的时候了，一个明显的假设是sRNA有一些常见的性质和核糖体确保每一个sRNA以同样的方式呈现于信使之中。简言之，一个密码子与反密码子的配对应该和另一个密码子与其反密码子的配对具有近似“相等”的规则。“克里克摆动”就是在研究碱基配对(重点考虑糖苷键)的基础上提出的一个关键性论断。
标准配对(Watson-Crick对)
克里克认为：如果密码子的任意一个位点都可区分四个碱基，那么此位点的碱基配对极可能是标准配对[6](符号为= = = =)，即：
G= = = =C；A= = = =U
也可以是如下等价配对：
I= = = =C；A= = = =T
这两个配对也是标准配对。密码子前两个碱基发生的配对均属于标准配对，四个碱基可以明确区分和识别。但是，必须建议密码子在第三个碱基位点有以下两个特点：
(1)U，C均可和反密码子的一个位点配对，即：在密码子中前两位相同，第三位是U或C的密码子可编码同一氨基酸，16个可能实例中有12个已经显示这一特性是正确的，没有数据显示任何例外；
(2)A，G均可和反密码子的一个位点配对，16个可能实例中有一半显示这一特性可能正确，当时也有少数实例不支持这一特性。
克里克没有进行详细的讨论，因为实验上的结果颇复杂。事实上，1965年尼伦伯格等人已经给出了相应的细节[24-25]，足以说明以上两点是正确的，或者至少第一点是正确的。这自然提出一个问题：一个sRNA可以与两个密码子XYU，XYC[26]配对，它是怎样进行的呢？克里克认为必须从碱基配对关系入手来解决这一问题。
可能的碱基组合
克里克知道，如果假定碱基有异构形式，许多配对关系都是可能的。他认为在密码子中前两个碱基属于标准配对，而第三个碱基则为近标准配对，如图1-5[6]。假定密码子第三个碱基的配对不止一种。有7种可能的位置有摆动发生，然而并不是7种都可实现。分子结构很可能使“摆动”受到限制，因此要严格考虑允许摆动位置的所有可能结合。实验显示，有127种，但大部分是不重要的。如果让密码子第三位的碱基可被识别，需考虑其余51种结合，克里克还是删除了很大一部分，只接受不违背密码总体性质的结合。假定：
(1)所有的四个碱基在密码子第三位点一定是可识别的；
(2)在一些实例中，密码子第三位点在U，C与A，G之间是能够区分的，可以显示配对关系。通过严格的逻辑论证，证明标准位置一定是可行的，有三个位置不能使用，如图6左面的三个位置。这仅留下图6右面四个可能的位点去考虑，当然一定还要包括标准的配对，因此仅有7种可能的结合。图6右侧四个位置都可使用，在结构上这些是最可能很好满足实验数据的配对[6]。
图6 密码子与反密码子配对
实验数据显示图6左面的三个近配对无法进行②，密码子第三位点与反密码子可能的碱基配对有7种(如图6右面四个位置，包括标准配对)。因此，即使在摆动位上，一些碱基配对关系也是绝不可能发生的，例如，U不能与U和C相识别，C与U，C和A均不能配对，G不能识别A和G。这无疑显示“摆动”存在一定的范围，否则会造成合成蛋白质时的翻译错误。后来的相关研究也确实没有发现这些配对关系。实际上，在RNA结构中，G-U配对是很常见的，克里克对此讨论较少，但是却肯定了摆动位置上的G-U识别。今天我们知道G-U配对相当普遍，而且在生物过程中具有重要而特殊的作用[27]。由此可见，G-U的普遍存在及重要作用正是对摆动假说的有力证明。
摆动假说的核心
克里克将密码子第三位点与反密码子第一位点的配对规则列成表1[6]，这就是所谓的摆动假说的核心。可以看出这些规则具有强烈的推测性：
(1)不可能让C或A独自编码。例如，对UGA来说，这时还不知道其为谁编码。那么根据摆动假说，它可能和UGU，UGC编码氨基酸Cys，也可能和UGG编码氨基酸Trp，或者不编码。然而不允许它去编码除Cys、Trp以外的任何其他氨基酸。因此，这个规则也可以解释为什么还没有发现它是抑制基因。当时发现UAA在ochre中属于抑制基因，而在amber里，UAA、UAG都是抑制基因，直到1967年，克里克等人才将它确定为无义密码子。
(2)如果sRNA的反密码子在可以和密码子第三碱基位点配对的位置上含有次黄嘌呤I，它必能识别U、C、A，反过来，某些用XYU和XYC编码的氨基酸(如Phe、Tyr、His)其sRNA反密码子中一定没有次黄嘌呤I。
(3)摆动假说没有确切给出对任意一种氨基酸有多少个不同类型的sRNA，但是若密码子第三个碱基位点可以用四个碱基去编码同一个氨基酸，该理论预测会有两种识别模式：
克里克认为对任意氨基酸来说，这两组识别模式可能随物种的不同而发生变化。后来有研究证明的确可以将转运RNA分为两种类型[3-4]。
摆动假说总结了这一识别方式符合的规律，说明密码子与反密码子相互作用时前两位碱基的配对符合通常的规律，摆动现象发生在第三位碱基上。摆动现象之所以发生是因为sRNA反密码子环的构型允许反密码子第一位碱基有一定的可变性[6]。第三位碱基配对的这种规律允许U除了通常的配对(U-A)外，还可与G进行配对(见表1)。这种碱基配对的变化使得A在密码子中再也不具备唯一的含义(因为与它配对的U还能与G配对)。同样的，C也不再具有唯一的含义(因为与之配对的G也能识别U)。密码子与反密码子进行反向平行配对，一个sRNA的反密码子
，可以同时识别mRNA两个密码子
，使两个密码子对应一个sRNA运载的氨基酸，即：两个密码子编码一个氨基酸。这的确显示了摆动假说可对密码子的“简并性”给予合理的解释。当第三位碱基是G或U时密码子可能具有唯一的含义，但这个规律并不总是适用的，因为从密码表上看，对第三位碱基是G来说，只有UGG和AUG两个例子，而对U而言没有符合的例子。
反密码子第一位点和密码子第三位点的配对关系是摆动假说的关键。因此，对反密码子来说，克里克认为同样需要实验证据的检验，才确保理论的正确性。反密码子中必须提供密码子自由摆动赖以存在的碱基元素。1965年，霍利(R.W.Holley)发现了大肠杆菌中丙氨酸Ala的sRNA序列，指出IGC可能在酵母中是丙氨酸Ala的反密码子[23]。克里克对此也相当认同。此外，酵母中氨基酸Val和Ser的反密码子sRNA序列中出现了次黄嘌呤I[6]。
次黄嘌呤I在反密码子第一位点的出现可以说是密码子第三位点具有“摆动性”的一个重要证据。它使得编码同一氨基酸的密码子第三个碱基可以不具有唯一性，进而对密码子“简并性”特征提供佐证。但是，次黄嘌呤并不是在每一个sRNA中均会出现。1963年，霍利在与克里克的个人通讯中提到，氨基酸Tyr的sRNA中没有I，桑格(F.Sanger)也告诉过他，在大肠杆菌的所有sRNA里都没看到I的出现[6]。可见，次黄嘌呤的问题在当时已经激起科学家的极大热情，目前依然是分子生物学和医学实验中研究的热点。
克里克推测密码子前两个碱基与其反密码子是标准配对，第三个碱基有一定的自由度，符合摆动假说。反密码子与密码子反平行配对，反密码子也是三联体，位于sRNA结构中非常近的36-37-38这三个位置上。从5'到3'的方向看，与密码子第三位碱基配对的是反密码子的第一位碱基。所以，这种结合是：
密码子5'ACG 3'，
则其反密码子3'UGC 5'。
克里克是一个根植于实验的理论家。当时有两个明显的实验验证摆动假说，其中之一是由尼伦伯格研究组进行的寻找三联体与sRNA的核糖体结合实验。困难是去确定所用的sRNA须是纯净物，不是混合物。其二是进一步确定反密码子的位置。随着对sRNA分子序列认识的深入，这一点的确能够做得到，其中的次黄嘌呤I的存在是一个特别有趣的问题。这两个实验都证实了密码子第三位点的“摆动性”。对克里克来说，他的摆动假说来源于之前的实验证据，接着又被后来的实验所证明，假说之正确性令他深信不疑[6]。进行相关考证发现，许多实验结果和理论分析的确都支持这个假说[6,28]。
三 结束语
摆动假说显示了克里克在密码研究中具有非常强的科学预见性。当时，虽然绝大多数氨基酸的密码子已经破译，sRNA一级结构的测定工作还很滞后。1965年，霍利率先测出的第一个酵母丙氨酸的全核苷酸序列，它假设的反密码子为IGC，其5’端是I。另外，当时发表的其他几种sRNA的部分序列的假定反密码子的5’端也都是I(丝氨酸，缬氨酸)。克里克就是根据这些有限的资料和存在的密码子简并现象，超前提出了经得起时间磨炼的摆动假说。的确，摆动假说经历一条曲折的科学研究之路：
实验数据和密码子“简并性”现象→摆动假说→实验验证
这样一个过程对科学研究来说并不具有特殊性，是一个必需的、规范的和严谨的逻辑思维过程的体现。而对前沿问题的洞察力、物质结构的分析、配对关系的论证直至理论的提出及对实证的重视恰是一位杰出的生物物理学家必备的科学素质。也正是这样一个研究过程，让人们记住克里克的历史功绩，不仅是他的科学推理和论著，更包括他的科学思想与方法。
摆动假说意指简并性的出现是由于转运RNA(sRNA)反密码子的第一位碱基可以和mRNA构成摆动碱基对。常见的情况为反密码子上的次黄嘌呤I以及和密码子形成非标准的U-G配对。这里重点讨论摆动假说对密码子“简并性”的可行性解释，因为细致的密码子与转运RNA反密码子的识别过程是比较复杂的，“摆动”也可能具有一定的生物学意义，“摆动”可以使转运RNA的数目大大减少，从而使遗传信息的使用高度节约，降低蛋白质合成中的突变危险性。
克里克的摆动假说与后来“三中读二”的密码子阅读方式不完全相同。“三中读二”是在发现某些现象不能用摆动假说完全解释时(并非否定摆动假说)提出的一种密码子阅读方式，指当密码子与反密码子相互作用时，只有密码子前两个碱基被反密码子识别，第三个碱基只起一种隔开的作用，以防止移码错读[29]，该理论也是对密码简并性的有力证明。这种阅读方式不仅存在于体外实验中，而且在体内也是极有可能的。
此外，摆动假说不可避免地具有历史局限性。当时克里克对UGA是第三个终止密码子的观点还未确定，因此，摆动假说未能说明UGA就是终止密码子，终止信号(UAA，UAG和UGA)的简并状态也就不能予以全部解释。奈特(R.D.Knight)等人曾评论摆动假说解释了密码的大部分简并情形[30]。也正如克里克所言，当时的实验的确支持他的理论，但需要发现如此多的转运RNA分子并非易事，尤其对那些存在量较少的转运RNA来说更是如此。因此，证明摆动假说的正确性是一个长期的过程[9]。
一个统一的理论模型——突变危险性极小化理论[15]——将密码所有简并现象都进行了合理解释，包含大胆的假设和严密的推理。其中，在密码子第三位点上考虑一定存在“克里克摆动”确实是一个明显的事实。因此，如果说突变危险性理论包含智慧的思考和继承，那么摆动假说则是天才的妙想和指引。
①1966年克里克提出密码子摆动假说时，转运RNA(tRNA)还以sRNA来命名。
②U-U，U-C配对与标准配对相比，糖苷键需要很近，因此U-U，U-C配对的可能性极小。
③1，2，3代表密码子或反密码子三个的位点号，反密码子的第一位点(5’端)与密码子的第三位点(3’端)符合摆动配对，其余两个位点与密码子相应的位点遵循标准配对G= = = =C；A= = = =U.