遗传密码破译历程及破译逻辑分析

对遗传密码破译历程进行较为详细的梳理,并对其破译逻辑进行分析,旨在帮助师生更好地了解此段科学史,并解决教学过程中的相关疑问.

遗传密码子拓展技术在赖氨酸酰化修饰研究中的应用

赖氨酸酰化修饰在细胞中普遍存在,控制着蛋白质的多种功能;然而,在活细胞中进行特定位点酰化修饰的生物学功能研究还存在困难。近年来发展的遗传密码子拓展(genetic code expansion,GCE)技术通过正交的氨酰基-tRNA合成酶/tRNA能够在活细胞内定向插入与天然酰化修饰结构一致的非天然氨基酸(unnatural amino acids,UAAs),实现在精准引入酰化修饰的基础上研究目的蛋白的理化性质和生物学行为的改变。此外,GCE技术还能定点引入无法被去酰化酶识别的模拟酰化修饰的UAAs,从而提高目的蛋白赖氨酸酰化修饰产物的稳定性。在目的蛋白特定位点插入“光交联”型UAA则被用于阐明酰化修饰蛋白的互作蛋白质组。根据不同结构和功能的酰化修饰分类,分别阐述了GCE技术结合上述3类UAAs的新颖设计,及其在研究蛋白酰化修饰对目的蛋白的活性、稳定性、细胞定位、蛋白质-DNA相互作用和蛋白质-蛋白质相互作用等功能影响中的应用。最后,展望了GCE技术在蛋白质酰化修饰研究中的局限和应用前景。

遗传密码表与《易经》

首幅大型人类基因图谱的发表绘出了１．６万个基因染色体所在的位置，它说明人的一生的确定性和它们的遗传性程序，是由４个碱基中任取３个，构成６４个密码子的基因所控制。《易经》（周易），它也有一个由６４个符号组成的系统，每个符号也是由４个可能的“字母”中的３个组成，它依赖于阴阳极性的基本规律，揭示人的生命和发展受控于一个包含６４种可能的状态，每一种状态又有６种可能的变化，使之成为另一个状态的系统所确定的程序。本文介绍如何由二进制表示“卦”的顺序，并以太阴、少阴、少阳、太阳分别表示尿嘧啶（Ｕ）、胞嘧啶（Ｃ）、鸟嘌呤（Ｇ）、腺嘌呤（Ａ）４个碱基的遗传密码表，发现竟似同一个密码系统。提出是否存在一种规律，它的特征（信息）一方面通过遗传密码表的６４种三联体密码显示，另一方面又通过６４种可能的状态及发展显示。

破译长寿动物的遗传密码

对于大多数人来说,我们在地球上来去匆匆的人生太过短暂。因此,寻找延缓衰老进程和延长寿命的方法,是生物医学研究人员努力的目标。目前绝大多数衰老研究的对象都是果蝇、线虫和小鼠这些小生物,遗传学家选择这些物种的主要原因是它们的寿命周期较短。人类已经从这些生物身上学到了不少延缓衰老、延长寿命的知识。如今,研究人员正在将研究目标转向一些长寿动物。

遗传密码破译历程及破译逻辑分析

《普通高中生物学课程标准(2017年版2020年修订)》中指出,“科学是一个发展的过程。学习生物科学史能使学生沿着科学家探索生物世界的道路,理解科学的本质和科学研究的思路和方法,学习科学家献身科学的精神,这对提高学生的生物学学科核心素养是很有意义的”。浙科版新教材(2019版)和人教版新教材(2019版)《必修2·遗传与进化》都对遗传密码的破译历程进行了简单的介绍,浙科版简单地举了三个例子,人教版详细介绍了第一个遗传密码的破译过程,而其他密码的破译方法无详细说明。

遗传密码轮——遗传密码表的另一表达方式

给出以树木年轮的方式来描述“三联体”密码子的组成以及遗传密码与氨基酸之间、氨基酸三字母代号与单字母代号之间的对应关系,被称为“遗传密码轮”。同时还提供了E.coli在蛋白质翻译过程中某些氨基酸的“偏爱”密码子。与既往使用的遗传密码表相比,遗传密码轮具有简捷、利于查看的特点,制成的电脑课件能明显提高课堂教学效果。

遗传密码和DNA序列的高维空间数字编码

二进制数字化编码是信息科学最基本的编码方式。用0(00)、1(01)、2(10)和3(11)4个数码对4种碱基(C、T、A、G)进行二进制数字编码 ,共有24种可能的编码组合 ,其中8种满足碱基互补法则 ,它们是拓扑等价的。按碱基分子量大小排列的编码格式 :0123/CTAG是最理想的编码格式。用二进制数对DNA的字符序列进行编码 ,有以下优点 :1)压缩信息冗余度 ,提高编码效率 ;2)可以对碱基的结构、功能基团、碱基互补、氢键强弱等性质进行编码 ;3)DNA序列的数字编码具有严格的大小顺序 ,即具有全序性质 ;4)DNA数字编码的对称性程度 ,与遗传密码简并度的对称性一致 ,并可得出氨基酸遗传密码的高维空间连通性简并法则 ;5)可以方便求出任意碱基重复单元的重复系列的数字编码法则 ;6)根据高维空间汉明编码距离的定义 ,可以确定任意多个DNA序列之间的信息距离和它们的交空间和并空间 ,对DNA序列生物信息学的分析研究有重要意义 ;7)DNA序列的数字编码可以方便进行各种数学运算和逻辑运算 ,对促进DNA生物计算机的发展 ,可有重大推动作用。

线粒体遗传密码及基因组遗传密码的对称分析

病毒、细菌和真核生物的氨基酸编码都使用相同的遗传密码 ,表明它们可能有共同的来源。但人和牛的线粒体的遗传密码和基因组的遗传密码相比 ,出现以下不同 :(1)ATA编码甲硫氨酸M而不是异亮氨酸I。(2)TGA不再是终止密码子X而编码色氨酸W。(3)AGA和AGG不再是精氨酸R的密码子而变为终止密码子X。应用高维空间拓扑分析的方法 ,对线粒体遗传密码和基因组遗传密码的6维编码空间进行对称性分析 ,得到如下结果 :(1)线粒体遗传密码的起始密码子是2个而不是1个。(2)线粒体遗传密码的终止密码子是4个而不是3个。(3)线粒体遗传密码空间只有2、4、6三种偶数简并度而没1、3两种奇数简并度 ,表明其对称度较高。(4)线粒体遗传密码空间除丝氨酸S分成两个平行的子空间之外 ,终止密码子X亦分成两个平行的子空间 ,表明其连通度较低。(5)线粒体遗传密码与基因组遗传密码相比 ,共有3个简并平面出现变异 ,即 :1001λλ(M和I) ,011λ1λ(W和X) ,以及1011λλ(S和X或S和R)。(6)基因组遗传密码的1、3两种奇数简并度可能来源于线粒体遗传密码的1001λλ平面和011λ1λ平面的对称性破缺。

氨基酸的分子结构与遗传密码简并及二维集合分类

根据氨基酸遗传密码子的简并程度 ,可将64个遗传密码子分为高简并度类 (3 ,4 ,6度简并组 )和低简并度类 (1 ,2度简并组 )两大类[1]。高简并度类有9个氨基酸 ,其分子量比较小 ,等电点的分布比较集中。低简并度类有11个氨基酸 ,其分子结构比较复杂。参考Taylor对氨基酸特性的分类图 ,本文提出以分子量 (M )及等电点 (P)作为氨基酸的化学特性坐标 ,作出其二维集合MP分类图。MP分类图可以反映出氨基酸的各种属性 ,如分子量的大小 ,简并度的高低 ,极性与非极性 ,带电荷或不带电荷 ,疏水性与亲水性 ,以及氨基酸残基的种类等。根据氨基酸的分类分析 ,可以认为 :高简并度氨基酸多数是脂烃类和羟脂烃类的氨基酸 ,分子量比较小 ,分子结构比较简单 ,大部分为疏水性 ,主要组成跨膜结构或蛋白质的结构域 ,可能是出现较早的氨基酸 ;而低简并度的氨基酸 ,分子结构比较复杂 ,分子量比较大 ,多数是和蛋白质功能有密切联系的基团 ,可能是进化出现较晚的结构。

遗传密码子及其应用

作为生命信息的基本遗传单位,基因组遗传密码的破译对于人们加深对生命本质的认识具有重要的理论价值和现实意义.目前,遗传密码子的研究重心已由遗传密码子的破译及反常密码子的发现转入到遗传密码子的起源与进化及扩张等研究.遗传密码子的起源与进化是当今基因组学研究的热点命题之一,相关的学说、假设层出不穷,但尚未取得实质性突破.另一方面,无义密码子的再定义及遗传密码的扩张等研究却极大的丰富和发展了遗传密码子的科学内涵,推动了生命科学研究的发展.文章综述了遗传密码子的多态性、起源与进化、无义密码子的再定义及遗传密码的扩张等方面的研究进展,并就其应用价值作了评述,期待为其在基因组学、医学等相关领域的应用研究提供参考.

遗传密码的信息内涵及其与氨基酸的对应联系

为了探讨遗传密码的起源 ,本文系统考察了四种核苷酸和各类密码子的编码信息、密码子与氨基酸的对应分类关系 ,发现 :①四种核苷酸的编码能力依次为A >U >G >C ;②嘌呤型 (PP)、嘧啶型 (MM)与嘌嘧混合型 (PM)密码子的编码能力表现为PP >MM >PM ;③氨基酸与碱基型密码子的对应分类关系较为确定 ,其中PP有酸性、碱性及酰氨型氨基酸 ,MM有芳香族、杂环族氨基酸 ;PM有脂肪族氨基酸编码的偏爱性 .认为遗传密码与氨基酸对应联系的起源不是随机发生的 .

遗传密码的高维空间对称性

对称性是由均衡比例产生的匀称美。对称性和对称破缺在自然界和生命现象中普遍存在。20种氨基酸和终止码共有64个遗传密码子 ,组成一个6维的编码空间。遗传密码空间以对称轴将空间分成对称的两大部分 :嘌呤空间和嘧啶空间。遗传密码子的简并以对称轴为参考轴 ,呈平行排列。高简并度氨基酸 (6 ,4,3 ,简并度 )和低简并度氨基酸 (1 ,2简并度 )的简并子空间近似呈周期性的双交错方式排列。遗传密码的简并与4种核苷酸的二进制数字编码 ,具有密切的关系。经过分析 ,可得出遗传密码的连通性λλ简并法则 :“除丝氨酸的密码子分成两个与对称轴平行的 ,分离的子空间之外 ,其余氨基酸和终止密码的密码子 ,都通过与空间对称轴平行的λλ平面或λ边简并 ,组成独立的 ,单一的连通子空间。”并对氨基酸密码子的惯用率与编码空间的对称关系 ,以及数字生物学的意义进行了分析和讨论。

大豆贮藏蛋白氨基酸组成与遗传密码的相关性研究

研究结果表明，野生、半野生和裁培大豆种子贮藏蛋白中，除个别氨基酸外，其余各氨基酸含量与其密码数目呈极显着正相关．氨基酸含量明显受其密码子数目限制．大豆蛋氨酸含量较低，与其对应密码子数目最少有关．贮藏蛋白各组分中，１１Ｓ球蛋白各氨基酸含量与其对应密码子数目的相关性高于７Ｓ球蛋白、而１１Ｓ各组分中，又以Ａ１ａ亚基的相关性最低，Ｂ１６、Ｂ２亚基的相关性最高；７Ｓ各组分以α′亚基相关性最低，β亚基相关性最高．１１Ｓ和７Ｓ中各亚基氨基酸含量与其对应密码子数目的相关均达显著水平．对２０个栽培大豆的分析研究表明，各氨基酸组分与其相应密码子数目的相关均达极显著水平，表明该相关具有较高稳定性．

论中国家文化的政治遗传密码

家文化是指以血缘和亲缘关系为基础形成的关于家庭和家族的制度、行为和观念等。中国传统的家文化是由父权家长制演化而来的。中国由于家国同构的基本特征,形成了家和国之间的独特关系。金字塔型组织结构、集权性权力配置、宗法式行为规范和家族至上、德孝为先的价值观念,构成了中国家文化的主要内容,其中隐含的政治遗传密码,至今仍在一定程度上影响着国家的政治生活。中国正处于文化转型的加速期,传统家文化必将在这一转型中得到改造,从而成为推动社会政治生活进步的重要力量。

遗传密码子的通用性与特殊性

遗传密码子的通用性与特殊性是生物多样性的重要分子基础。本文就目前研究较多的热点密码子在线粒体和原生动物纤毛虫中的特殊性进行总结，并对其形成理论机制进行探讨，阐明变异密码子在线粒体中是通用密码子在漫长进化过程中的遗物，但在纤毛虫中则并非单一地由某个时间或从某个种类开始，而是独立多次地在各物种内分别产生。

对“遗传密码”的哲学思考

本文通过分析遗传密码概念在生物学理论中所起的作用以及基因概念的语义性质 ,指出遗传密码只是对一个具体问题———蛋白质合成中氨基酸排序问题的解决办法之一 ,并不承担更多的理论角色 ;也不能用来区分“遗传的”与“环境影响的”性状之间的差别。文章同时考察了近几年来国外学者对此问题的看法 。

遗传密码的进化稳定性

本文评述了遗传密码的进化有关的物理问题。主要讨论了 :1 )从进化稳定性的观点研究遗传密码的简并规则 ,证明了现有密码表中多重态的简并规则是突变危险性极小的 ;2 )从进化稳定性的观点研究了遗传密码表中氨基酸和终止密码子的排布 ,导出了总体突变危险性极小的表 ,并证明了标准密码表是在某些约束 (这些约束反映了密码形成时期的初始条件 )下总体突变危险性极小的表 ;3)密码表中 2 0种氨基酸和终止密码简并度的分布 。

遗传密码的简并及其高维空间的拓扑结构

根据遗传密码子的简并度(对称性),可将64个遗传密码子分为高简并度和低简并度两大类。高简并度的氨基酸,其分子量一般比较小,等电点(pI值)的分布比较集中,而低简并度氨基酸的情况恰好相反。根据UCAG编码的简并度分析,得出4个碱基的二进制编码为:C(00),U(01),A(10)。应用碱基二进制码对20个氨基酸及终止密码进行编码,可得出十分规律和优美的六维空间。并由此得出遗传密码子的拓扑连通性λλ简并法则:“除丝氨酸密码子分成两个分离的子空间之外,其余全部氨基酸密码子和终止密码子都通过λλ平面简并,组成独立的、单一的连通子空间。”

氨基酸生物配比与遗传密码关联的研究

研究遗传密码与氨基酸生物配比（ＢＦＡＡ）之关联表明，具有相同同义密码子数（ｘ）的氨基酸ＢＦＡＡ之均数（Ｐｘ）与其氨基酸平均分子量（ｍｘ）和密码子抽样概率均数（Ｒｘ）之关系模型为Ｐｘ＝Ｋｍｘｅｘｐ（２／Ｒｘ）＋ａ，其中ｋ和ａ均为常数。依据概率事件的运算法则，可用４种核苷酸（Ｕ、Ｃ、Ａ和Ｇ）的抽样概率来估计Ｒｘ值，当用ｘ代替Ｒｘ时，模型的估计精度不变。同义密码子的非随机应用产生同义密码子对相应氨基酸的贡献方差（σ２ｉ）：σ２ｉ＝∑ｊｄ２ｉｊｘｉ－１ｘ２ｉ，其中ｄｉｊ＝第ｉ种氨基酸的第ｊ个同义密码子的应用频率。第ｋ个核苷酸抽样方差为（∑ｉＮｋｉＰｉσｉ）２，其中Ｎｋｉ＝第ｉ种氨基酸的第ｋ个碱基的数量，Ｐｉ＝第ｉ种氨基酸的ＢＦＡＡ值。另外，本文测定了２０个物种３６６个样品的生物体ＢＦＡＡ，结果显示所有物种的观察值和模型值之相关系数均超过０９５，Ａｓｐ和Ｇｌｕ对模型是个特例。

遗传密码扩充技术在蛋白质研究中的应用进展

生命科学发展需要获得进化的蛋白质来满足科学研究的需要,在蛋白质中引入非天然氨基酸从而赋予其更多的功能成为蛋白质进化的一个重要手段。一项遗传密码扩充技术很好的实现了在体内定点引入非天然氨基酸,这项技术的关键是获得一对正交的氨酰tRNA合成酶/tRNA分子对,利用其高特异性反应将非天然氨基酸定点引入蛋白质分子中。迄今为止,几十种非天然氨基酸通过此方法被中引入到蛋白质中,从而打开了蛋白质研究的新天地。本文介绍了这项技术的基本原理,并对其在蛋白质修饰、结构和功能研究、以及在药用蛋白中的应用进展进行了综述。