沃森-克里克模型和梅塞尔森-斯塔尔实验使得DNA是遗传信息载体，也是遗传与变异的物质基础的概念深入人心，成为无可辩驳的事实。然而DNA分子所负载的遗传信息只是一套计划，一套蓝图，而真正进行细胞生命活动的主角是蛋白质。蛋白质的结构是由DNA决定的。DNA决定蛋白质的结构的过程，就是DNA异体催化的主要内容。
1953年夏天召开的冷泉港定量生物学学术年会专门讨论了诞生才3个月的DNA双螺旋模型。凡是在会上听了沃森报告的人都意识到随着DNA结构的发现，遗传学开始了一个新的纪元。根据“一个基因一个酶”的学说，DNA分子的两条多核苷酸长链所负载的就是蛋白质的结构信息，即DNA的核苷酸序列就是决定蛋白质的多肽链中氨基酸序列的遗传信息。
DNA是由4种核苷r酸组成，蛋白质是由20种氨基酸组成的。大多数蛋白质分子由50～500个氨基酸构成，氨基酸的排列顺序，即蛋白质的一级结构决定了蛋白质的构型和功能。1945年，年仅28岁的英国生物化学家桑格（F.Sanger）立志要搞清楚胰岛素的一级结构。这在当时是一项艰巨而困难的事，他用制药商为他提供的10g胰岛素（取自125头牛）作分析研究的材料，历时8年，直到1953年，桑格终于测出了胰岛素中51个氨基酸的全部序列。这是生物化学发展史上的一个里程碑，它第一次宣告蛋白质有一个确定的氨基酸序列，还说明正是这个序列决定了蛋白质的三维空间结构和它的生物学功能，为在蛋白质一级结构上探明生理学、病理学和生物演化的分子基础开拓了道路。而蛋白质中的氨基酸序列正是由DNA中核苷酸的序列决定的。
起初有人假设DNA中的核苷酸是通过直接接触和物理定模的方式来决定蛋白质中氨基酸的序列的，认为在蛋白质合成时，氨基酸和DNA分子中的结构空穴（groove）互相匹配，再由酶把氨基酸一一相连形成蛋白质。然而理论计算和多种实验研究都证实DNA和蛋白质的关系是间接的，从核苷酸顺序到氨基酸顺序有一个“编码”过程。不久，探索将基因中的信息翻译为蛋白质结构的“遗传密码”成为许多科学家的研究目标，破译遗传密码成为当时分子遗传学的当务之急。
克里克曾经提出过一个方案，他说：只要同时搞清楚一个蛋白质的氨基酸顺序和编码这个蛋白质的那段DNA中的核苷顺序，把两者一一比对，遗传密码就可以搞清楚了。但是，在20世纪60年代初期克里克的想法是难以实现的。桑格虽然阐明了胰岛素的一级结构，但怎样才能确定和分离编码胰岛素的那段特定的DNA片段呢？人们把克里克的想法比作“遗传学上的罗塞达石碑”。罗塞达石碑是1799年在埃及罗塞达城郊发现的一块古碑，上面同时篆刻着埃及象形文、俗体文和希腊文三种文字，这块碑为译解古埃及象形文提供了一把钥匙，复活了尼罗河文化。
然而，道路并没有堵死。经过一条条迂回曲折的道路，人们得到了许多有关DNA的信息储存和信息表达的线索，所有这些最终导致科学家在1966年破译了全部遗传密码。这些线索主要包括以下方面。
（1）1958年克里克提出分子遗传学的中心法则，认为遗传信息只能从核酸流向蛋白质。戈尔茨坦（A.L.Goldstein）曾用变形虫（Amoeba proteus）做过一个很重要的实验。因为尿嘧 啶是RNA中特有的碱基，所以他用含放射性同位素标记的尿嘧啶的培养基来饲养变形虫，发现大量的放射性颗粒出现在细胞核内。随后把变形虫移至不含放射性尿嘧啶的普通培养基中，不久，放射性颗粒就逐渐出现在细胞质中了。戈尔茨坦的实验提示RNA先在变形虫的细胞核内合成，随后穿过核膜进入细胞质。那么，DNA上的遗传信息是不是先转录成RNA，进而以RNA分子作为蛋白质合成的直接模板呢？
噬菌体在回答这个问题中起了重要作用。用噬菌体感染大肠杆菌，细菌就会合成噬菌体DNA，如果噬菌体DNA是通过RNA来指导噬菌体外壳蛋白合成的，那么受感染的细菌中就会有能与噬菌体DNA特异性互补的RNA分子。如将受噬菌体感染的细菌培养在含放射性元素标记的尿嘧啶的培养基中，细菌细胞中新合成的RNA分子都会被放射性元素标记。分子杂交实验显示，标记的RNA只和噬菌体DNA互补并进行分子杂交，而不和细菌的DNA杂交。实验清楚地表明遗传信息的传递确实是以RNA介导的。此外，雅各布和莫诺曾经预言过“信使（messenger）”的存在。克里克据此提出DNA上的遗传信息先转录于信使核糖核酸（messenger RNA，mRNA），mRNA上的转录信息又在特定的细胞器核糖体上翻译成蛋白质的一级结构。
（2）布伦纳（S.Brenner）提出“适应者（adapter）”假设，他假定细胞中有一种小分子物质，能阅读mRNA上的密码，并将它翻译成特定的氨基酸。不久有人就分离到了具有这种功能的小分子物质，它也是一种RNA，这种RNA能把氨基酸转运到核糖体上，并按照mRNA提供的信息，精确地把氨基酸定位到蛋白质中的特定位置上去。这就是转运RNA（transference RNA，tRNA）。
（3）亚诺夫斯基（C.Yanofsky）等进行的大肠杆菌的色氨酸合成酶A肽的氨基酸替换突变，及其与基因突变位点的同线性研究实验，为DNA和蛋白质一级结构之间的线性相关，取得了坚实的实验证据（图1-21）。
图1-21 色氨酸合成酶A肽基因突变点和被取代的氨基酸之间的线性相关（引自C.Yaoofsky）
（4）布伦纳发现了“琥珀突变（amber mutation）”，这种突变能使蛋白质合成过程终止，导致一个无功能多肽的产生。他比较了各种琥珀突变的基因突变位置和无功能多肽的长度，找出了两者的平行关系，为DNA与蛋白质一级结构间线性相关找到了又一个实验证据。
根据这些线索，克里克和布伦纳用大肠杆菌噬菌体做了一个非常重要的实验，这个实验导致“三联密码”假设的提出。早在20世纪40年代初期，赫尔希就发现噬菌体T4有一种快速溶菌突变r，r噬菌体在敏感菌平板上产生的噬菌斑大而透亮。1953年布伦纳发现r噬菌体还有另一种重要的性状，即r突变只能在大肠杆菌B上生长，而不能在大肠杆菌K上生长；相应的野生型r＋能在B和K两种细菌上生长。这就可利用r、r＋、B和K组成一个实验系统来研究r的回复突变，以及不同r突变株之间的杂交重组。不久，布伦纳发现许多r＋噬菌体的回复突变并非都是真正的回复突变，而是由于一个新的突变抑制了原先的r＋突变型性状，称为“拟回复突变”。1961年，克里克又发现吖啶黄类诱变剂，可以在DNA序列中插入或减少一个碱基，这类诱变剂在噬菌体T4的r突变研究中的应用，使“三联密码”假设获得了第一个实验证据。具体实验过程如下。
（1）整个实验从一个由吖 啶橙诱发的噬菌体T4的rⅡ基因的FC0突变株开始。研究表明FC0的多数回复突变虽然能在K细菌上生长，但并不是真正回复成了野生型，而是FC0突变和附近的另一次突变所产生的双重突变型，后一突变称为FC0的抑制突变。
（2）通过T4rⅡ基因的各种r突变的精细定位分析，证实各个FC0的抑制突变的位置和FC0的突变位点是非常接近的。
（3）进而又发现了一些能抑制FC0的抑制突变表达的“二级抑制突变”，经过一系列的分析，最后分离到了包括FC0在内的近百个r突变，并一一定位于T4rⅡ基因区段内（详见第2章中有关顺反子结构的讨论）。
（4）用杂交试验分析突变株、双重突变株和多重突变株的遗传结构和表型（图1-22），以及各株r突变之间的关系，发现有些r突变株杂交产生的双重突变具有拟野生型表型，有些则要三重突变才能产生拟野生型表型。
图1-22 检测真正的回复突变和出现拟野生型表型的抑制突变的杂交试验（改自G.S.Stent）
怎样分析这些结果？
克里克和布伦纳先假定由吖啶橙诱发的r突变FC0是由于在DNA分子中插入一对碱基的（＋）突变，则可以把能抑制FC0的r性状表达的抑制突变假定为由于缺失一对碱基引起的（-）突变。（＋）和（-）突变并存时，只有位于两个突变点之间的碱基序列会发生改变，而位于两个突变点外侧区段的碱基序列应和野生型一样。如果两个突变点之间的距离很短，又设想噬菌体能“容忍”这一短小距离中rⅡ基因编码的蛋白质中个别氨基酸的替代，而保持或基本保持rⅡ蛋白的溶菌活性，则（＋）和（-）双重突变会呈现拟野生型表型。一旦假定了一种rⅡ突变是（＋）突变，则可通过杂交试验产生的双重突变能否回复为拟野生型表型这个指标，把分离到的突变分为（＋）和（-）两大类（这种假设并不要求真正确定某一突变的性质是插入突变还是缺失突变）。系统而深入的分析表明，大多数（＋）突变和（-）突变杂交产生的双重突变体能在K细菌上生长，并形成拟野生型表型。但是，任何两个（＋）突变之间的杂交或两个（-）突变之间的杂交都不能产生表型为拟野生型的双重突变体。然而，由三个（＋）突变杂交和重组得到的三个（＋）突变的三重突变，或三个（-）突变重组得到的三重突变却能产生能在K细菌上生长的拟野生型。由此，他们提出了一个用“三联密码”假设来解释实验结果的方案（表1-3）。
表1-3 “三联密码”假设对突变的解释
（续表）
注：↑代表插入突变（＋）；↓代表缺失突变（-）。
克里克和布伦纳由此推论出遗传密码的几个主要性质。
（1）遗传密码的三联性。在提出双螺旋模型后不久，克里克就提出“三联密码”的假设。他认为如果由单个碱基编码一个氨基酸，则四种碱基只能编码四种氨基酸；如果由每两个碱基编码一个氨基酸，则四种不同碱基可产生16种不同的组合，仍然不能满足编码20种氨基酸的要求，所以至少应由三个相连的碱基才能编码一个氨基酸。直到1961年克里克才和布伦纳一起用实验证实了密码的三联性。
（2）密码的不重叠性。如果密码是重叠的，那么一个碱基的改变会影响一个以上的三联密码，这是与实验结果不符的。
（3）密码的连续性。实验还表明密码与密码之间没有不参与编码的间隙碱基，在DNA分子的序列中遗传密码是连续的。
如果深入思考就会发现这套实验并没有充分证明每个密码的核苷酸数目是3，而只是证明每个密码的核苷酸数目是3n，n是吖 啶类诱变剂一次插入或造成缺失的核苷酸数目。直到霍拉纳（H.Khorana）用人工合成多核苷酸破译遗传密码的研究完成时，才完全证明N＝1。
此外，桑格在1977年通过DNA测序阐明了一种单链DNA噬菌体фX174的全部核苷酸序列，发现该病毒的部分遗传密码是重叠的，但是这种重叠不是简单地由一个碱基为多个氨基酸编码，而是由不同基因的读码起点所造成的。фX174噬菌体的5 376个核苷酸，由于密码重叠而编码了相当于6 000个核苷酸编码的蛋白质。在这里我们又一次看到了在科学发展中，继承和扬弃之间的辩证关系，我们既要追求发展，又要正确评价前人的工作，特别要充分地评价做出了开创性和启发性工作的科学家的作用。图1-23是фX174噬菌体的D、E和J等基因重叠区段的结构和A*、K基因的读码方式。
孟德尔提出粒子遗传概念的基石，是把遗传性状和决定性状的基因联系起来。比德尔提出基因的原始作用是决定酶的一级结构，缩短了基因和性状的距离。在证实遗传物质的生物化学本质是DNA之后，基因与性状的关系就是DNA和蛋白质的关系。中心法则又把这种关系变为mRNA和多肽的关系。“三联密码”假设的证实，使基因和性状的关系可简化为：哪三个核苷酸组成的密码子编码哪一种氨基酸。这就是破译遗传密码的基本思想。这使我们又一次想起了罗塞达石碑，为分子遗传学树起“罗塞达石碑”的是以尼伦伯格（O.Nirenberg）、奥乔亚（S.Ochoa）和霍拉纳为代表的一批科学家。
图1-23 噬菌体ф X174的重叠基因局部结构示意（改自F.Sanger等）
尼伦伯格清醒地意识到自然界的mRNA和蛋白质的结构都是异常复杂的，要在两者之间建立结构相关是困难的。他决定利用格隆伯格-马纳哥（M.Grungberg-Manago）和奥乔亚一起发现的多核苷酸磷酸化酶来合成一种人工的多聚核糖核苷酸，并以此作为人工信使来研究mRNA和蛋白质的结构相关。他还为此建立了一个专为人工信使指导多肽合成的无细胞蛋白质合成系统。先将细菌的细胞粉碎，离心除去细胞壁和细胞质膜残片，保留DNA、mRNA 、tRNA、核糖体和各种酶系等细胞组分，再补入ATP、gTP和各种氨基酸，组成一个无细胞蛋白质合成系统。在实验前再加入脱氧核糖核酸酶，破坏系统中的DNA，使合成系统中原有的天然mRNA失去合成的样板，待系统中原有的mRNA失活后，加入人工合成的多聚核糖核苷酸，这时蛋白质合成又可在人工信使指导下进行。尼伦伯格把不同的人工信使加入这种系统，并观察在新合成多肽中各种标记氨基酸的参入情况。例如，他分别用多聚尿嘧啶核苷酸（polyU）、多聚胞嘧啶核苷酸（polyC）和多聚腺嘌呤核苷酸（ployA）作为人工信使“mRNA”，观察14C标记的苯丙氨酸参入新合成多肽的情况，结果如下表所示。
注：CPM为每分钟放射性强度记数。
这个实验结果让尼伦伯格非常兴奋，他看到一条polyU成功地编码了一条由苯丙氨酸组成的多肽，立刻意识到第一个遗传密码已经被破译了：
UUU →苯丙氨酸
他接着用同样的方法译出：
AAA→赖氨酸
CCC→→脯氨酸
那么，怎样破译其他的遗传密码呢？
奥乔亚和尼伦伯格用合成一组碱基比例受限的多核苷酸混合物作人工信使来研究这个问题。例如，将U和G的比例控制为0.76∶0.24，再用概率公式估算出各种可能组成的密码子出现的预期概率，并把各种密码子的预期概率与新合成多肽中各种氨基酸的出现比例一一比对，推算出两者的关系。表1-4是在实验之前先计算出来的各种可能的三联密码的出现概率。
表1-4 各种可能的三联密码出现的概率
测定出现于新合成多肽中各种标记氨基酸的相对参入量，并与各种密码子出现的预期概率比较，推测编码各种氨基酸的密码子组成这样的实验做了一年多，搞清楚了全部密码子的碱基组成（表1-5），但还是不能确定密码子的碱基序列。
表1-5 几种氨基酸密码子的碱基组成
直到1964年，尼伦伯格在实验中偶尔发现三核苷酸能在不合成蛋白质的情况下，也能促进特异的tRNA和核糖体相结合。例如，pUpUpU能促使tRNA 苯丙和核糖体结合，pApApA能促进tRNA赖和核糖体相结合。而二核苷酸则不能刺激这种特异tRNA的专一性结合。这暗示一个三核苷酸相当于mRNA上的三联密码，能特异性地与它所编码的氨基酸的tRNA结合。利用硝酸纤维滤膜能截留和核糖体结合的tRNA而让自由的tRNA通过的性质，尼伦伯格让各种不同的三核苷酸与结合了标记氨基酸的tRNA结合于核糖体，再用硝酸纤维滤膜过滤，分离出与特定的三核苷酸结合的tRNA种类，从而确定结合于这种tRNA上的氨基酸的对应密码子，用这种方法搞清楚了近50种密码子的序列。例如：
pUpUpG结合tRNA亮 pUpGpU结合tRNA半胱
pGpUpU结合tRNA缬 pApUpU结合tRNA异亮
可是问题并没有完全解决。在这组实验中，尼伦伯格发现多数三核苷酸与特定的tRNA有一一对应关系，而有些三核苷酸不能和任何一种tRNA结合，有些三核苷酸却能和一种以上的tRNA结合。最终把密码破译问题完全解决的是印度籍美国科学家霍拉纳。
霍拉纳用有机合成和生物酶合成相结合的方法合成了一系列序列已知的重复多核苷酸。我们以合成poly（GUA）为例来说明重复多核苷酸合成的途径。
（1）用有机合成法合成两个互补的含9个核苷酸的多核酸链：d（TAC）3和d（GTA）3。
（2）以d（TAC）3和d（GTA）3为模板，利用DNA多聚酶Ⅰ催化DNA的合成。在dATP、dTTP、dGTP和dCTP存在时，d（TAC）3和d（GTA）3能通过互为合成模板不断延伸而得到较长的DNA双链分子片段，其结构式为：polyd（TAC）：polyd（GTA）。
（3）以polyd（TAC）：polyd（GTA）为模板，在适用的核苷酸作底物时，用RNA多聚酶催化体外转录反应，可分别得到与polyd（TAC）或polyd（GTA）互补的多聚核糖核苷酸链：可以看到在反应底物中含有CTP时，则可得到与polyd（GTA）互补的poly（UAC），底物中含有GTP时，则可得到与polyd（TAC）互补的poly（GUA）。这样，霍拉纳用有机合成反应加两种酶催化反应就获得了具有一定重复序列的多聚核糖核苷酸链。
现在，我们来分析一下以这样的多核苷酸链作为人工mRNA，在无细胞蛋白合成系统中会编码什么样的多肽？为了讨论方便起见，我们用字母A、B和C分别代表不同的碱基，则具有确定的重复序列的多聚核糖核苷酸链可写作：
ABCABCABCABCABC…
这条人工的mRNA可以因翻译起点的不同而合成三条由不同的氨基酸组成的多肽：
霍拉纳的部分实验结果见下表。
把霍拉纳、尼伦伯格和奥乔亚等的结果综合起来，就可排出全部氨基酸的密码子序列，问题是为什么poly（UGA）和poly（GAU）只编码两种单氨基酸多肽而不是预期中的三种。为了解决这个问题霍拉纳又合成了一些确定序列的四核苷酸多聚体，如poly（UAUC），这个“mRNA”总是产生一条含四种氨基酸的多肽，而与转译起点无关：
可是当以poly（GUAA）为“mRNA”时只能得到二肽或三肽，霍拉纳假定这是由于出现了尼伦伯格发现的某种不能和任何一种tRNA结合的密码子的缘故。他把这种不能和任何tRNA结合，因而也就不能使肽链延伸的密码子称为终止密码。poly（GUAA）编码情况是：
除了UAA外，霍拉纳又用实验证明UAG和UGA也是终止密码。到1966年，经过多个实验室的共同合作终于破译了所有的64个遗传密码子。根据克里克的建议，排出了一张遗传密码表（表1-6）。
表1-6 遗传密码表
遗传密码表有几个值得注意的特点。
（1）密码的兼并性。这并不是少数例外，而是一个规律性的现象，绝大多数氨基酸都有一种以上密码子，多的可有六种密码子。一般来讲同义密码子（synonym codon）的前两个核苷酸往往是特异性的，而第三个核苷酸是非特异性的，或只在碱基种类上有部分特异性，如苯丙氨酸的两种密码子的第三位虽不相同，但都是嘧啶碱，又如亮氨酸的密码子有两个也和苯丙氨酸一样以UU开头，但第三位都是嘌呤碱。这种兼并现象，即一种氨基酸对应多个密码子的现象，克里克称之为“摇摆效应”，他认为密码子和tRNA上的反密码子在第一和第二位必须按互补法则精确配对，而第三位核苷酸的配对可发生“摇摆”。实验证明有些tRNA确实能与一种以上的密码子配对，如下所示：由此可以预测，当一种氨基酸有四种密码子时，往往有两种或更多tRNA；也有人发现相反的情况，一种密码子和两种tRNA相匹配的现象。这种从核酸到蛋白质的信息转移中的局部非特异性，增加了适应性，很可能具有潜在的生物演化意义。
（2）AUG有两个意义，当它位于转录序列中间时，编码甲硫氨酸，当它位于转录序列第一位时，编码甲酰甲硫氨酸，这时AUG是翻译的起始密码，从甲酰甲硫氨酸和甲硫氨酸的区别可以理解，起始密码编码甲酰甲硫氨酸，起了保证蛋白质合成总是从N端（—NH2端）向C端（—COOH端）延伸的作用。
（3）密码表中有三个密码子UAA、UAG和UGA都不编码任何氨基酸，当这些密码子出现在信使RNA中时，会使翻译终止，称为终止密码。如果突变使编码某些氨基酸的密码子变为终止密码，会使多肽链因终止延伸而产生一段功能缺陷的短肽。
（4）遗传密码表最重要的特征是它的普遍性。艾仁斯坦（G.von Ehrenstein）和李普曼（F.A.Lipmann）在遗传密码破译后不久，就证实兔子编码血红蛋白的mRNA能利用大肠杆菌的无细胞蛋白合成系统来合成兔子的血红蛋白。另外，从病毒、细菌到高等真核生物的突变也证实了遗传密码的普遍性（详见第3章）。
遗传信息的翻译，即蛋白质的生物合成，是一个复杂而又协调的细胞生化反应。它涉及mRNA、各种tRNA、多种激酶辅助因子，以及蛋白质合成的细胞器——核糖体。
蛋白质合成大致分为五步。
第一步，由适当的氨基 转运RNA合成酶（激酶）把经过ATP活化的氨基酸结合于相应的tRNA 3′端的腺嘌呤。每种氨基酸至少有一种与其相对应的特异性激酶，因此这种结合是高度特异性的。tRNA是由80个左右核苷酸组成的单链核糖核酸分子，借助链内卷曲折叠多数碱基互相配对形成链内碱基对，使tRNA呈现出L形结构，L形的一端是结合氨基酸的3′端，另一端是和mRNA上密码子互补配对的反密码子。
蛋白质合成的细胞器是核糖体，由两个亚单位组成，在大肠杆菌中小的亚单位为30S，包括一分子16S核糖体RNA（rRNA）和21种蛋白质，大的亚单位为50S，包括一分子23S rRNA和一分子5 S rRNA，以及34种蛋白质。
第二步，mRNA、结合了甲酰甲硫氨酸的tRNA和核糖体的30S亚单位组成蛋白质合成的起始复合体。mRNA上起始密码子是AUG，AUG前方（5′端）有一个富嘌呤区段能和16S rRNA结合，这是起始复合体形成的关键，反应还需要起始因子参加。
第三步，核糖体的50S亚单位和起始复合体结合，形成完整的70S复合体，完成蛋白质合成的起始阶段。
第四步，根据mRNA的密码子顺序依次结合相应的带了氨基酸的tRNA，并在核糖体上形成肽键。随着mRNA分子在核糖体上的移动，肽链不断延伸。蛋白质合成的方向是从N端向C端。整个过程所需的能量均通过从水解GTP来获取，并需要延伸因子参与。
第五步，合成终止。当mRNA上的终止密码移入核糖体后，肽链合成终止。在终止因子参与下，已合成的肽链和最后一个tRNA之间的氨酰基水解后分开，释放出新合成的肽链。随之70S核糖体重新离解为两个亚单位，并进入新的循环。这就是翻译过程的概况（图1-24）。
1953—1966年，经过遗传学家和生化学家一系列的理论和实验研究，多个国家的多个实验室通力协作勾画出了DNA异体催化的基本框架，阐明了分子遗传学的中心法则，确定了遗传密码表。转录和翻译的大致轮廓充分显现出来了，这十来年被认为是分子遗传学发展的黄金时期。
当然，蛋白质合成是生命体的一个最基本的也是最重要的分子生物学功能，它不仅仅是简单地从mRNA到多肽的线性反应，还包括了mRNA剪接、多肽的修饰，以及细胞内的运输等一系列复杂而有序的调节和控制过程，我们将会在后续章节中讨论这些问题。
图1-24 蛋白质合成示意
据biochemistry course资料，aa1～aa7代表不同的氨基酸。
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