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[6]我们在第六章的第二篇“延伸阅读”里提到过这种机制。
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[7]这里说“绝少”,是因为某些RNA确实会被修饰出一个T碱基来。比如转运RNA,仔细观察图4—9,你会发现那上面就有一个特立独行的T,我们会在之后的章节里遇到它们。
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[8]时至今日,仍然有一些专门感染细菌的病毒在使用含碱基U的DNA,比如谷草杆菌噬菌体φ29,它们会专门合成一种蛋白质,破坏枯草杆菌那种针对C-U突变的修复系统,然后用U碱基的DNA编码自己的基因组。
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[9]这个酪氨酸并不是独立的氨基酸,而是核糖核苷酸还原酶的多肽链上的一个酪氨酸残基,下面的几个氨基酸也都是这样的氨基酸残基,这里只是为表述清晰而去掉了“残基”二字。
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生命的起源:所有生命的共同祖先在40亿年前是怎样诞生的? 第十六章遗传密码的秘密
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遗传密码是哪里来的?
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在整个中心法则当中,遗传密码,也就是核酸上的64种碱基序列与20种标准氨基酸的对应规则,无疑是最复杂的那一部分。那么,遗传密码源自何处,就成了一个重要且困扰人的问题。
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但随着分子生物学研究的不断推进,我们渐渐地在遗传密码中发现了一些值得重视的规律,不同的研究者从不同的角度解读这些规律,得出了不同的遗传密码起源假说。特别应该重视的是,一些新兴的假说更加重视碱基序列与氨基酸在化学层面的直接联系,提出各种氨基酸很可能就是这些碱基催化羧酸的产物,这给解释转运RNA的起源提供了新的思路。
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在第六章里,我们很认真地讨论了“生命的信息”与“遗传信息”。如今一切生命的一切性状都由蛋白质的形态和功能决定,蛋白质的形态和功能由氨基酸的序列决定,至于蛋白质拥有怎样的氨基酸序列,则又由核酸中的碱基序列决定,世代相传。
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碱基序列与氨基酸的对应方式,就被我们称为“遗传密码”。在很大程度上,遗传信息与遗传密码的关系就像语言和书写系统的关系——遗传信息已经在地球上绵延了40亿年,遗传密码也已经被生命沿用了40亿年。
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而这也正是所有生命起源假说都不得不面对的最艰巨的难题:40亿年前,碱基序列是如何与氨基酸建立起严格的对应关系,形成遗传密码的?RNA根据遗传密码催化合成蛋白质的复杂系统,又是如何建立起来的?
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·冻结的偶然?·
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遗传密码是碱基序列与氨基酸的对应方式。具体来说,就是碱基每3个一组,构成一个“密码子”,对应1种氨基酸。碱基一共有4种,可以形成64个密码子,而细胞直接用于合成蛋白质的标准氨基酸却只有20种,所以遗传密码必然有所冗余,大部分的氨基酸都对应了多个密码子——这些内容已在第六章里详细讲述过。
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图2—44就是标准密码子的图示,所有已知的细胞和病毒,都是根据它建立碱基序列和氨基酸的对应关系的。这显然是一份来自末祖的遗产,也是我们追溯遗传密码起源的最重要的第一手资料。
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面对这样一份标准遗传密码,我们萌生的第一个疑问当然就是“密码子与氨基酸为什么会有这样的对应关系”,比如说,“GGU”为什么对应甘氨酸,“CUU”为什么对应亮氨酸,“GAG”为什么对应谷氨酸?
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对此,第一个重要的意见来自弗朗西斯·克里克,他是遗传学奠基时代的灯塔人物。1953年,他与富兰克林等人共同发现了DNA的双螺旋和碱基互补配对原则。1957年,他提出了中心法则的标准流程[1]。1961年,他又确定了密码子是3个碱基一组,连续且不重叠。在此基础上,1966年,人类破解了全部遗传密码,才得到了上面那份标准遗传密码。
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1968年,面对这份标准遗传密码,弗朗西斯·克里克提出,它的起源只是个偶然。碱基序列与氨基酸反正得有个对应关系,不是这样也得是那样,在生命诞生的极早期,不同的元祖完全可以有各不相同的遗传密码。但只有极少数幸运的元祖留下了存活至今的后代,如今所有的生命越发可能只来自同一个最幸运的末祖,当然就都偶然继承了其中的某一套遗传密码。而遗传密码又是遗传的根本,任何微小的变动都可能把所有遗传信息变成乱码。所以,这个偶然就被后世的每一个细胞严格固定下来,墨守成规,历经40亿年的进化也绝难改变。反过来,如果当年是别的元祖发展成了延续至今的生命,标准密码子就会是另一副模样了。
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原本只是一个偶然,但偶然在至关重要的地方,一旦发生就无法改变——这被克里克形象地称为“冻结偶然假说”I。
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当然,在生命这样的涨落系统上,我们几乎说不出任何绝对的东西,遗传密码也不例外。标准遗传密码固然涉及遗传的根本,但是某些不那么关键的冗余密码子,却可能在进化中出现一些细小的变化,成为“非标准遗传密码”。比如“UGA”在标准密码表里是“终止”,表示翻译结束,但在高等哺乳动物体内却编码了色氨酸;“AGG”本来编码了精氨酸,但在绝大多数真核生物的线粒体内却表示“终止”;而“CUG”本来是亮氨酸的编码,却在某些真菌体内编码了丝氨酸。
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凡此种种,囿于篇幅和主题,我们就不做过多的介绍了。但仍然要强调的是,非标准遗传密码虽然是些例外,但也只是标准遗传密码的极其细微的局部修改,而不是另外一套独立的遗传密码。所以,一切外星病毒感染地球生命的科幻故事,全都是无稽之谈。哪怕抛开生命的各种可能性全都不谈,后退无穷步非要假设外星病毒的遗传物质也是DNA和RNA,也用这4种碱基3个一组编码20种氨基酸,那也意味着超过1084种编码方案,这个数字恐怕比可观测宇宙中的原子总数还大,外星病毒与我们采用同一套遗传密码的概率实在太低了。它们要用我们的细胞制造有生化功能的蛋白质,就好像一个从来没有接触过中文的英国人要把“东边日出西边雨,道是无情却有晴”翻译成地道的英语,还要保留所有的平仄、韵脚和修辞,这是根本不可能的事情。
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在今天看来,冻结偶然假说在很大程度上是正确的,体现了一切进化现象的原则性问题。毕竟,进化建立在随机突变上,偶然本来就是进化的左腿。但是,进化又不是个纯粹的偶然,自然选择无处不在,所以密码子的起源又恐怕不是这么简单。如果把所有密码子与它们对应的氨基酸用不同的方式排列起来,我们又会发现,这三位密码子中的每一位都有独立规律。
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首先,早在20世纪70年代和80年代,生物化学家们就发现,密码子的第一位碱基与氨基酸的合成原料[2]有着显著的对应关系II:
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◆ 第一位碱基是A的7种氨基酸中,有5种的合成原料是α-酮戊二酸;
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