第六章第十三节遗传学的中心法则
早在1909年，伽罗德在《先天性代谢差错》一书中，就描述了黑尿病基因与尿黑酸氧化酶
的关系。以红色面包霉（链孢霉）为材料而开创生化遗传学研究的比德尔，1941年与塔特姆
一起提出“一个基因一种酶”的假说，认为基因是通过酶来起作用的。
基因（DNA）主要位于细胞核中。如果酶（化学本质是蛋白质）是在细胞核内合成的，问题
倒也简单，由基因直接指导酶的合成就是了。可事实却并非如此。
早在20世纪40年代，汉墨林和布拉舍就分别发现伞藻和海胆卵细胞在除去细胞核之后，仍然
能进行一段时间的蛋白质合成。这说明细胞质能进行蛋白质合成。1955年李托菲尔德，和19
59年麦克奎化伦分别用小鼠和大肠杆菌为材料，证明细胞质中的核糖体是蛋白质合成的场所
。这样，细胞核内的DNA就必须通过一个“信使”将遗传信息传递到细胞质中去。
1955年，布拉舍用洋葱根尖和变形虫为材料进行实验，他用核糖核酸酶（RNA酶）分解
细胞中的核糖核酸（RNA），蛋白质的合成就停止。而如果再加入从酵母中抽提的RNA，蛋白
质的合成就有一定程度的恢复。同年，戈尔德斯坦和普劳特观察到
用放射性标记的RNA从细胞核转移到细胞质。因此，人们猜测RNA是DNA与蛋白质合成之间的
信使。1961年，雅可布和莫诺正式提出“信使核糖核酸”（mRNA）的术语和概念。1964年马
贝克斯从兔的网络红细胞中分离出一种分子量较大而寿命很短的RNA，被认为是mRNA。
实际上，早在1947年，法国科学家布瓦旺和旺德雷利就在当年的《实验》杂志上联名发表了
一篇论文，讨论DNA、RNA与蛋白质之间可能的信息传递关系。一位不知名的编辑把这篇论文
的中心思想理解为DNA制造了RNA，再由RNA制造蛋白质。10年以后，1957年9月，克里克提交
给实验生物学会一篇题为《论蛋白质合成》的论文，发表在该学会的论文集《Symposium o
f the Society for Experimental Biology》第12卷第138页。这篇论文被评价为“遗传学
领域最有启发性、思想最解放的论著之一”。在这篇论文中，克里克正式提出遗传信息流的
传递方向是DNA→RNA→蛋白质，后来被学者们称为“中心法则”。
遗传密码子是三联体
既然mRNA是DNA与蛋白质合成之间的信使，人们自然设想，mRNA是指导蛋白质合成的模
板。但mRNA由4种核苷酸组成，蛋白质却由20种氨基酸组成。4种碱基是如何排列组合起来以
决定每一种氨基酸的呢？这就是分子遗传学中著名的“遗传密码”问题。
1954年，美籍俄裔理论物理学家莫夫应用排列组合计算来研究遗传密码。
DNA中的4种核苷酸，每次取3个来进行组合，其组合种数是：
恰好与蛋白质中氨基酸的种数20相应。伽莫夫于是提出遗传密码的三联体假说。当时，伽
莫夫很得意，他将20称为“生物学上的神奇数字”。
伽莫夫认为DNA的3个核苷酸组成一个密码子来决定蛋白质中的一个氨基酸，后来证明是对的
。1961年，克里克用吖啶黄引起的移码突变证明遗传密码确实是三联体。当DNA中插入一个
或两个核苷酸而引起“移码”时，基因即失去正常功能成为“突变型”。而当
再插入一个核苷酸，即总共插入3个核苷酸时，突变基因又回复成正常的基因。但伽莫夫的
计算前提是“组合”（不计核苷酸的排列顺序），后来则证明是错误的。遗传密码的三联体
是核苷酸按一定顺序排列而成的。
遗传密码的解读
那么，究竟是哪3个核苷酸组成1个密码子来决定哪个氨基酸呢？这是多年来一直困扰分子
遗传学家与生化学家的一个老大难问题。这个问题的解决，美国科学家尼伦伯格与美籍印裔
科学家霍拉纳贡献卓著。
阐明遗传密码这个难题，在1961年终于露出一线曙光。尼伦伯格先合成了一条全部由尿
嘧啶核苷酸（U）组成的多苷酸链，即UUU……然后将这种多聚U加入到含有20种氨基酸以
及有关酶的缓冲液中，结果只产生了一种由苯丙氨酸组成的多肽链。这是一个惊人的发现：
与苯丙氨酸对应的遗传密码是UUU。这是世界上解读出的第一个遗传密码子。后来，尼伦伯
格及其合作者参考霍利的研究结果，将人工合成的密码子（核苷酸三联体）“栽种”在核糖
体上，这个人工密码子便像天然的mRNA一样，从介质中“捞起”完全确定的tRNA及其所携带
的氨基酸。尼伦伯格及其合作者合成了64种理论上可能的核苷酸三联体密码子，终于将64个
密码子的含义一一解读出来。在这64个密码子中，有3个并不编码任何氨基酸，而是作为
蛋白质合成的终止信号（“句点”），称为终止密码子。
霍拉纳则按照事先的设计合成具有特定核苷酸排列顺序的人工mRNA（这个结果本身已是
卓越的成就），并用它来指导多肽或蛋白质的合成，以检测各个密码子的含义，证实了构成
基因编码的一般原则和单个密码的词义。霍拉纳确定，在一个分子中，每个三联体密码子是
分开读取的，互不重叠，密码子之间没有间隔。1966年，霍拉纳宣布基因密码已全部被破译
。
遗传密码的破译，是生物学史上一个里程碑。尼伦伯格与霍拉纳于1968年荣获诺贝尔生理学
医学奖。
中心法则的补充和发展
中心法则在具体细节上经过完善后，在遗传信息流传递方向上又有补充和发展。1970年
，巴尔的摩和梯明在致癌的RNA病毒中，发现一种酶，能以RNA为模板合成DNA。他们称这种
酶为依赖RNA的DNA多聚酶，现在一般称为逆转录酶。这就是说，遗传信息流也可以反过来，
即RNA→DNA。这是一项重要的发现。巴尔的摩和梯明于1975年荣获诺贝尔奖。
巴尔的摩1938年3月7日生于美国纽约，在中学时代就对生物学有浓厚兴趣。1960年毕业
于宾夕法尼亚州斯沃思莫大学，1964年获洛克菲勒大学哲学博士学位。梯明
1934年12月10日生于美国费城。1955年毕业于宾夕法尼亚州斯沃思莫大学，1959年获加州理
工学院哲
学博士学位。巴尔的摩与梯明发现了逆转录酶，还发现了逆转录病毒的复制机理。逆转录病
毒是RNA病毒，病毒的RNA逆转录出DNA，再整合到寄主细胞的染色体中，使寄主细胞发生癌
变，这一成果也使癌症研究进入了一个新阶段。
对于逆转录酶的发现，巴尔的摩的华裔夫人黄诗厚也做出了重大贡献。当巴尔的摩在麻
省理工学院进行癌症研究时，寻找逆转录酶遇到困难。当时正好从事病毒学研究的黄诗厚博
士发现，在某些RNA病毒的蛋白质外壳中带有“转录酶”——RNA多聚酶。这个发现给了巴尔
的摩极大的启示，他也果然在RNA肿瘤病毒的蛋白质外壳中找到了逆转录酶。
根据中心法则，DNA中的信息转录到RNA分子中后，要进一步转译成蛋白质，才能表达
为酶的活性。
基因工程
基因工程是人类根据一定的目的和设计，对DNA分子进行体外加工操作，再引入受体生
物，以改变后者的某些遗传性状，从而培育生物新类型或治疗遗传疾病的一种现代的、崭新
的、分子水平的生物工程技术。发明基因工程的思想渊源，在于可以应用体外的DNA来改变
生物的遗传性状。这一概念可以追溯到1944年艾弗里等人发现，DNA可以导致肺炎球菌的遗
传转化。50年代以来，就不断有各种DNA转化生物的遗传性状并用于育种实践的报道，这些
工作，可以认为是基因工程的前驱。
自70年代末以来，基因工程发展迅速。1980年，肯普和霍尔将大豆种子的贮藏蛋白基因引入
向日葵中，得到“向日豆”。近年来维尔莫特将人的AAT蛋白基因导入绵羊体内，使羊奶中
含有人的AAT蛋白（一种治疗囊性纤维变性的药物），都是比较有名的例子。维尔莫特所在
的英国罗斯林研究所，曾向德国一家药厂出售一头这样的转基因羊，获得50万英镑。维尔莫
特研究小组继克隆羊多莉之后，又对含有人AAT蛋白基因的转基因羊进行了克隆，无性繁殖
出两头分别名为波莉和莫莉的克隆羊。
基因工程的研究目前在我国也已经普及，获得了累累硕果。