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分子生物學 1961

無細胞蛋白質合成對合成多聚核糖核苷酸的依賴

馬歇爾·尼倫伯格 與 海因里希·馬特伊

給細胞餵一串 U,它便造出一條全是苯丙胺酸的蛋白質——遺傳密碼的第一個詞,就此被讀出。

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In depth · the introduction

為了讀懂生命的密碼,兩位科學家給細胞餵了一條最簡單的訊息——再聽它回答了什麼。

核心想法

基因是用一套四個字母的字母表寫成的(RNA 中的鹼基 A、U、G、C),但生命體是由蛋白質構成的,而蛋白質是 20 種不同胺基酸連成的鏈。所以,一定存在一套密碼——一種把 RNA 的字母翻譯成胺基酸的辦法。人人都相信這套密碼真實存在,可到 1961 年,還沒有人讀出過它的哪怕一個詞。

尼倫伯格與馬特伊,找到了讀出一個詞的辦法。他們自己寫出一條最簡單的訊息:一條只由一個字母 U 一遍遍重複構成的 RNA。當他們把這條「poly-U」餵給一台細胞的造蛋白機器時,它造出的蛋白質,竟也是由唯一一種胺基酸——苯丙胺酸——一遍遍重複構成的。訊息「UUU」的意思,就是「苯丙胺酸」。密碼的第一個詞,被讀出來了。

它是如何誕生的

到 1961 年,編碼問題已是新生的分子生物學中那個最大的未解之謎,許多絕頂聰明的人,寫滿了一本本筆記本,構想出種種巧妙的密碼——而其中絕大多數是錯的。馬歇爾·尼倫伯格,一位年輕、默默無聞、供職於美國國立衛生研究院的科學家,選了另一條路:做實驗。他與德國生物化學家海因里希·馬特伊一道,搭起一套「無細胞」系統——把細菌打破後取出的、仍能運轉的內部機器,養在試管裡,依舊能造出蛋白質。

1961 年 5 月 27 日凌晨,馬特伊做了那支決定性的試管:細胞汁液、各種原料,再加一條純由 U 構成的合成鏈。它迸發出一陣苯丙胺酸蛋白質。當那年夏天尼倫伯格在莫斯科的一次大會上宣布此事時——起初台下幾乎空無一人——這消息令整個領域為之一震。一套曾讓最聰明的理論家們束手無策的密碼,竟被一個直截了當的實驗破解了。

它為何重要

它把遺傳密碼,從一個想法,變成了可以一個字母、一個字母去讀的東西。方法一旦確立,密碼餘下的部分便迅速破譯,給了我們那部通用字典——把 DNA 翻譯成構建一切生命的蛋白質。這正是現代遺傳學、醫學與生物技術的根基。

一個可以想像的畫面

想像你撿到一條很長的加密訊息,卻沒有密鑰。於是你「作弊」:自己寫一條只含字母「U」、重複上千遍的訊息,塞進解碼機裡。出來的譯文,是只有「苯丙胺酸」這個詞、重複上千遍。現在你確知了一件事——「U」(每三個一組)的意思,是「苯丙胺酸」。再用一整頁純「A」、純「C」如法炮製,一次一項,你便能把整把密鑰重建出來。生命的密碼,最初正是這樣被讀出來的。

一個可互動的細胞造蛋白質示意圖。選一條由單一字母重複構成的合成 RNA——poly-U、poly-A、poly-C 或 poly-G——再滑動讀取多少個密碼子。RNA 被分成三個一組,每組標注它所編碼的胺基酸,下方長出一條珠鏈,表示正在搭建的蛋白質。

它的位置

沃森與克里克(1953)揭示了 DNA 的結構;克里克的中心法則(1958)說,資訊沿 DNA → RNA → 蛋白質流動。但二者都沒說字母「如何」翻譯。這個實驗,補上了那部缺失字典的第一項;短短幾年內,整套密碼便為人所知——這正是基因與蛋白質之間的紐帶,也是今天讀取、編輯基因的一切所賴以建立的。

The original document
Original source text
M. W. Nirenberg & J. H. Matthaei · PNAS 47 (1961): 1588–1602
The system
The paper works with a cell-free extract from Escherichia coli — broken-open cells that still supply ribosomes, transfer RNA, enzymes and an energy source — in which protein synthesis can be driven in a test tube. Adding an RNA template to this extract makes it incorporate radioactively labelled amino acids into newly made protein, which is then measured.
The synthetic templates
Instead of natural messenger RNA of unknown sequence, the authors added synthetic polyribonucleotides of known, simple composition — including polyuridylic acid (poly-U), a chain built from a single repeated base, U.
The decisive result
Poly-U specifically and dramatically stimulated the incorporation of one amino acid — phenylalanine — producing polyphenylalanine, while other amino acids were not. Because poly-U is nothing but a long run of U's, this tied a run of uridine to phenylalanine and, read as triplets, pointed to UUU as a codon for phenylalanine: the first entry of the genetic code to be deciphered.
What followed
The same approach soon assigned further codons — poly-A directing lysine, poly-C directing proline — and the complete 64-codon table was finished within a few years.
National Institutes of Health, Bethesda · 1961