|
Marshall Warren Nirenberg
1927年4月10日出生於紐約市，Nirenberg全家在1939年遷居到佛羅里達的奧蘭多。 他很早就關心生物學，在Gainesville的University of Florida 專攻動物學，於1948年取得學士學位。這時期，他對生化學發生興趣，在Ann
Arbor的University of
Michigan繼續此領域之研究。1957年至1959年期間由生化學部門獲得博士學位。博士論文是在Dr. James Hogg的指導下，進行有關腹水癌細胞與參與六但堂之運輸的滲透酵素研究。
1957年至1959年間，為美國癌症學會的獎勵研究員，在國立衛生研究所跟隨DeWitt
Stetten Jr.和 with William Jakoby做研究。1959年開始DNA、RNA及蛋白質的有關研究。由這些研究與J. H.
Mattaei共同證實蛋白質合成需要messenger RNA，並證實利用合成的messenger，得以闡明遺傳暗號的各種局面。
Har Gobind Khorana
1922年1月9日出生於西巴基斯坦班加布地區的小村落萊普爾。就讀於馬耳坦的D.A.V.高中就讀。在此他受一位老師Ratan Lal很大的影響。後來入拉哈耳的Punjab
University取得碩士學位。他的指導教授Mahan Singh是一位一絲不茍的實驗家。1945年以前他住在印度，獲得印度政府的獎學金留學英國，在University
of Liverpool讀博士課程。Roger J. S. Beer為指導教授，並盡心照顧他。1948年在蘇黎士的Eidgenössische Technische Hochschule唸書，在教授Vladimir Prelog門下度過獎勵生時代，不只如此，在科學、研究、對努力的想法集哲學方面都有無發估計的影響。
1949年秋天，再印度待一段日子後，又回到英國接受獎勵研究費，在G.
W. Kenner博士與 A. R. Todd.博士處從事研究。1950至1952年待在劍橋，這個時期他開始對蛋白質和核酸發生興趣。
1952年，在不列顛‧哥倫比亞的Gordon
M. Shrum 博士之下任職而去溫哥華。雖然當時不列顛‧哥倫比亞研究所的設備很簡陋，但研究者可以為所欲為。接下來得八年，得到Dr. Gordon
M. Shrum和Dr. Jack Campbell一在的協助，以及學問上的指點，Khorana的小組開始在生物學上有趣的磷酸脂與核酸的領域中，從事研究。
Robert W. Holley
1922年1月28日出生於伊利諾斯的烏魯巴納，父母雙親都是教育家。他在伊利諾斯州、加利福尼亞州、愛大核州的公立學校受教育。
1938年畢業於烏魯巴納高中。之後在伊利諾斯大學專攻化學，1942年取得學士學位。在Cornell
University的Alfred T.Blomquist教授指導下，研習有機化學。1947年取得博士學位。這中間，曾因戰爭而中斷研究，1944年至1946年間，待在Cornell University醫學部的Vincent
du Vigneaud教授處。在此參加世界上最先的盤尼西林的化學合成研究。
取得博士學位之後，以美國化學學會的獎勵會員身分，自1947年起至1948年，在華盛頓州立大學的Carl
M. Stevens教授們下，從事研究。1948年以日內瓦實驗農場之有機化學助教身分回到Cornell
University。1950年至1957年任副教授。1955年至1956年的特別休假期間，在加利福尼亞理工科大學的生物部門，任Guggenheim
memorial fellow。1958年，以Cornell University的美國植物土壤營養研究所、美國農物部研究所的研究化學家身分回到紐約州的Ithaca。Holley接受的是化學家的訓練，但卻未改變它對生物的基本興趣，這個興趣影響了他選擇研究課題，他最先由天然物的有機化學開始，由胺基酸與肽的研究，最後至蛋白質的合成研究。他在後半時期的研究中，發現丙胺酸tRNA，接下來的十年中，專心於RNA的研究最後確定了tRNA的構造。最先試圖在RNA之分離，然後確定此tRNA的構造。全部鹼基排列確定是完成於1964年年底。最近則參與哺乳動物之細胞分裂的抑制因子研究。（1）
得獎原因
Robert W.
Holley、Har Gobind Khorana、Marshall Warren Nirenberg的成就是在於他們將核酸與遺傳因子這兩種概念結合在一起，有關遺傳密碼的研究而得到此獎。
Marshall
Warren Nirenberg找到了一種簡單而巧妙的方式解決了比較核酸的化學構造與此核酸相對的蛋白質之化學構造，將核酸的文字翻譯成蛋白質的文字，他想出能以核酸為模子，在試管中合成蛋白質的實驗系統。此系統可是為一翻譯機，可以將核酸文字寫成的文章，翻譯成蛋白質的文字，而Nirenberg以單一文字反覆連結的鍵合成的核酸，結果合成了蛋白質的單一文字，由此
Nirenberg指出，核酸文字與蛋白質文字的相對性，同時也說明了遺傳密碼在細胞中進行翻譯的機構。1961年Nirenberg首先提出此項研究報告，五年內所有遺傳密碼都被解讀，主要是由Nirenberg和Khorana所完成。
而Khorana則是把核酸的各種成分以正確的排列連結在一起。對具有巨大分子且已知其構造的核酸，有系統的研究在試管內合成的方法。
Holley是特殊核酸－tRNA的發現者之一，tRNA有解讀遺傳密碼，並使他轉變為蛋白質文字的能力，經過數年的研究終於分離出純的tRNA，1965年終於闡明其正確的構造。他的研究最早確定，有生物活性的核酸完全的化學結構。（1.2.3）
轉錄作用trnscription
在細胞核內發生，首先一段DNA分開，只有一條鍊會作為模版，露出的鹼基會吸引互補的RNA，RNA聚合酶沿DNA移動，互補RNA鹼基逐個逐個加入形成單鍊的mRNA，mRNA穿過核膜上的小孔離開細胞核。胺基酸與tRNA結合，不同胺基酸會和不同的抗密碼子結合。（4.5）
轉譯作用translation
以RNA為模板製造蛋白質的過程稱為轉譯。mRNA所攜帶的遺傳密碼會由蛋白質合成系統轉譯成蛋白質，這個系統包括核糖體（ribosome）、tRNA（transfer RNA）和一些酵素，mRNA扮演一個傳遞者的角色，攜帶DNA指示的遺傳訊息給細胞中製造蛋白質的構造-核糖體，tRNA則為密碼子與胺基酸之間的主要連接者，對應於每個胺基酸的tRNA有一個或多個，而每個tRNA都具有一組由三個鹼基所組成的三聯體鹼基，與mRNA的密碼子剛好互補稱為反密碼子（anticodon），經由酵素作用可使正確的胺基酸連接到正確的tRNA上，再由tRNA將胺基酸轉運到核糖體上正在增長中的多肽鏈上。（5）
tRNA的功能
根據Crick的接合體假說，胺基酸必須與一種接合體接合，才能被帶到RNA模板的恰當位置上合成正確蛋白質。所以，胺基酸在合成蛋白質之前必須通過AA-tRNA合成酶活化，在消耗ATP的情況下結合到tRNA上，生成有蛋白質合成活性的AA-tRNA。同時，AA-tRNA的生成還牽涉到訊息傳遞的問題，因為只有tRNA上的反密碼子能與mRNA上的密碼子相互辨別且配對，而胺基酸本身不能識別密碼子，只有結合到tRNA上生成AA-tRNA，才能被帶到mRNA-核糖體複合物上，插入到正在合成的多肽鏈的適當位置上。
我們以實驗証明模板mRNA只能識別特異的tRNA而不是胺基酸。14C標記的半胱氨酸與tRNACys結合后生成[14C]-半胱氨酸-tRNACys，經Ni催化可生成[14C]-Ala-tRNACys，再把[14C]-Ala-tRNACys加進含血紅蛋白mRNA、其他tRNA、氨基酸以及兔網織細胞核糖體的蛋白質合成系統中，結果發現[14C]-Ala-tRNACys插入了血紅蛋白分子通常由半胱氨酸占據的位置上，這表明在這裡有識別作用的是tRNA而不是胺基酸。
tRNA的種類
initiator tRNA和elongation tRNA
有一類能特異地識別mRNA模板上起始密碼子的tRNA叫起始tRNA，其他tRNA統稱為延伸tRNA。原核生物起始tRNA攜帶甲基甲硫氨酸（fMet），真核生物起始tRNA攜帶甲硫氨酸（Met）。原核生物中Met-tRNAfMet必須首先甲基化生成fMet-tRNAfMet才能參與蛋白質的生物合成。
同工tRNA
由於一種胺基酸可能有多個密碼子，為了識別也就有多個tRNA，即多個tRNA代表一種氨基酸，我們將幾個代表相同氨基酸的tRNA稱為同工tRNA。在一個同工tRNA組內，所有tRNA均專一于相同的胺基酸-tRNA合成酶。同工tRNA既要有不同的反密碼子以識別該氨基酸的各種同義密碼，又要有某種結構上的共同性，能被AA-tRNA合成酶識別。所以說，同工tRNA組內肯定具備了足以區分其他tRNA組的特異構造，保証合成酶能准確無誤地加以選擇。到目前為止，科學家還無法從一級結構上解釋tRNA在蛋白質合成中的專一性。有証據說明，tRNA的二級和三級結構對它的專一性起著舉足輕重的作用。
Suppressor tRNA
在蛋白質的結構基因中，一個核苷酸的改變可能使代表某個胺基酸的密碼子變成終止密碼子（UAG、UGA、UAA），使蛋白質合成提前終止，合成無功能的或無意義的多肽，這種突變稱為無義突變，而無義突變的校正tRNA可通過改變反密碼子區校正無義突變。（5.6.7）
tRNA的二級結構
tRNA的三級結構
遺傳密碼是什麼
生物細胞會根據藍圖上的遺傳密碼去製造各種蛋白質來維持生命活動。每個密碼子代表一種製造蛋白質的零件，在細胞中一共有二十種製造蛋白質的零件，這些零件就是各種的胺基酸。細胞依照藍圖上的遺傳密碼找出相對應的零件，再將這些零件一個一個組合起來。就像是程式化的工廠一樣每個蛋白質都會被正確無誤地依照藍圖製造出來。在絕大多數的物種中，這64 種遺傳密碼所表示的意義是相同的，即使將人類的藍圖轉殖到細菌中，細菌也能解讀其中的遺傳密碼並幫我們生產我們所需要的蛋白質。（8）
遺傳密碼（genetic
code）為決定蛋白質氨基酸序列（amino
acid sequence）的DNA鹽基排列。雖然基因的主體為DNA，實際形成生物體組織、進行體內化學反應的，卻幾乎全是蛋白質。若說DNA為生物體的設計圖，蛋白質就是實戰部隊，DNA的情報未轉換成蛋白質即不具意義。也就是說，DNA的遺傳情報（遺傳密碼）為製造蛋白質的情報。
蛋白質為20種氨基酸以各種順序長長相連的物質。製造蛋白質時，哪個氨基酸以哪種順序排列，由DNA的鹽基序列（base
sequence）指定。也就是說，遺傳密碼為鹽基序列。密碼以字表示時，採用鹽基的縮寫 --- A.T.G.C。鹽基以3個為1組，指定1個氨基酸。3個1組的鹽基序列，稱作「密碼子」（coden）。 （9）
生物最小構造單位是細胞，進一步觀察，細胞之內有細胞核，細胞核之內有染色體 ( chromosome ) ，構成染色體的主要物質是核酸( nucleic acid ) 。核酸是瑞典人Friedrich
Misher在1869年發現的，距今已一百多年，但對於核酸化學展開研究還是近二、三十年來的事。核酸有兩種，一種稱為核醣核酸 ( ribonucleic
acid，簡稱RNA ) ，另一種稱為去氧核醣核酸( deoxyribonucleic acid，簡稱DNA ) 。遺傳密碼(genetic
code)指的即是DNA之鹼基序列A、T(U)、G、C與蛋白質之胺基酸序列兩者間的關係。代表胺基酸的密碼是以稱為密碼子（codon）的三個鹼基為單位而組成。
Crick首先指出，核酸鏈上鹽基的排列順序就是遺傳密碼
( genetic code )。但是如何以四種鹽基來決定二十種胺基酸呢？首先假設一種鹽基決定一種胺基酸，那麼，四種鹽基只能決定四種胺基酸，所以，可能是由數個鹽基組合決定一種胺基酸，假定二個鹽基組合決定一種胺基酸，則四種鹽基共有十六種情形，能決定十六種胺基酸，又假定三個鹽基組合決定一個胺基酸，則四種鹽基共有六十四種情形，又比已知的胺基酸超出很多。這些理論，到1961年由M.W.Nirenberg和T.H.Matthaei予以實驗證明，同時發現第一個遺傳密碼子
( genetic codon ) ，那就是「三鹽基小組」UUU是決定苯丙胺酸 ( phenylalanine ) 的密碼子，到1965，六十四個密碼子完全解開，編成了一部遺傳字典，分子遺傳學有了劃時代的成就。（10）
現今對遺傳密碼的了解是，三個鹽基組合決定一種胺基酸，密碼子的讀法是有方向性的，密碼子與密碼子間沒有分界也沒有重疊的部分，幾個密碼子決定同一種胺基酸，其中UAA，UAG和UGA三個密碼子不決定任何一種胺基酸，因此被認為是無意義密碼子
( nonsense codon ) ，又因為其也許像逗點斷句一樣有中止的作用，被稱為停止密碼子 ( termination codon ) 。截至目前為止，有關遺傳密碼的研究，所用材料大多為細菌以及比細菌更為簡單的噬菌體(
phage ) ，不過一般相信，高等動植物的遺傳密碼也是根據這個原則，也就是說，在不同生物細胞中，大家的密碼子可能都相同。
遺傳密碼的重要性
每個人身上都帶有從父母繼承而來的獨特遺傳密碼，這些密碼記載了所有細胞生長所需的資訊，隨著每次細胞分裂，這些遺傳密碼都必須被正確的複製一次，在自然狀況之下細胞每複製約十億個遺傳字碼才會出現一次錯誤，但是若生活環境或攝取的食物中含有致癌物質，則可能會大大提高這些遺傳密碼被改變的機會，當細胞的生長藍圖被篡改後，許多重要的蛋白質將無法生產，因而導致包括癌症在內的許多病症。
隨著科學的進步，現代的警察可以從兇手留下來的一滴血中讀取兇手獨特的遺傳密碼從而將歹徒繩之以法，生化科技的進步恐怕連福爾摩斯都要讚嘆不已吧。
參考資料
1. http://www.nobel.se/medicine/laureates/1968/khorana-bio.html
2.http://search2.eb.com/nobel/micro/274_63.html
3.http://nobelprizes.com
4. http://binfo.ym.edu.tw/nchc/slides_i/chap1/sld009.htm
5. Becker，The world of the cell，Fourth edition
6. http://science.scu.edu.tw/micro/1024/micro_encyc/10/003.htm
7.http://www.pku.edu.cn/cgi-bin/bigate.cgi/b/g/g/http@course.cbi.pku.edu.cn/basemol/chapter4/2.2.htm
8.http://www.dreye.com/tw/word/dictionary/genetic_code.htm
9. http://www.ictc.com.tw/007JEFF/3/3-06.htm
10. http://bioteach.ttu.edu.tw/highschool/genetic.htm
|