遗传密码的简并性难以否定获得性遗传
——力求文科生能看懂
如果下面两点知识你听说过，那么我就能跟你讨论这个有趣的问题。
一、预备知识
第一点知识是“获得性遗传”，简单说就是“用进废退”，长颈鹿努力够树顶的叶子，把脖子拉长，这个长脖子就能传给下一代，一代代传下来，长颈鹿的脖子就达到今天这么吓人的长度。
这种说法最早来自拉马克，现代遗传学已经基本否定了这种猜想，认为后天获得的性状（比如脖子被拉长）不可能传给后代。认为一鹿生九子，子子不同，天生脖子长的占优势，存活几率大，这样才造成今天的长颈鹿，这叫做“自然选择”，而且遗传基因还有可能产生“突变”，一旦变出优势基因（比如长脖），就可能通过生存竞争传下去。这个学说现已被摩尔根基因学说所证实，而且已经找到了遗传物质DNA，而且DNA也确实有突变。
第二点知识是遗传密码，即遗传分子DNA靠一套分子密码本把遗传信息翻译过去，从而合成了蛋白质，即生命。比如你是双眼皮，这个信息就“写”在DNA里，然后在“造人”时，通过密码翻译，把这个信息传达到你的小宝宝体内，使他也长出双眼皮。
至于“简并性”下面再说。
为什么今天要谈这个问题呢？我在上世纪九十年代曾在《生物学杂志》上发表过一篇遗传学的论文《从遗传学与物理学的类比分析中考察获得遗传的可能性》，主要从分子遗传学角度论证获得性遗传的可能性，在投稿之前请一位遗传学博士看看，他看了之后说，你这篇从理论上也没什么错，但也无法证明它对。只是，你说蛋白质信息有可能流向核酸，但也许遗传密码的简并性会阻碍这种流向，使信息流不过去，从而使获得性遗传无法实现。
虽然后来论文在《生物学杂志》上发表了，但博士所言的那个“漏洞”在我心头始终是一个压力，是一个未解之谜。今天我就解一下这个谜。
二、最有趣的是三位一组的密码
在遗传密码里有一个小小的数学游戏。而玩这个数学游戏的人是一位伟大的俄籍美国科普作家盖莫夫（也叫伽莫夫，我家有他好几本书）。这家伙伟大到哪儿了？在天文学和遗传学里他都有惊人的猜想并被证实。
在天文学里他根据星球光谱的红移，反向推演，猜想宇宙可能是由大爆炸形成的！
在遗传学里，他根据当时已知的遗传物质，通过一个简单的数学计算，猜想出了遗传密码应该是“三位数”！
为什么是三位数？举个例子，去电报局里发电报，每个汉字由四位数字组成，比如：有（2589）、事（0057）、速（6643）、来（0171）。为什么只要四位数字就够了呢？因为阿拉伯数字共有10个，四位数字就是10的四次方，能组成一万个不同的编码。而汉字虽然有几万个，但常用汉字不超过一万个，所以四位数字就够用了。
生物遗传密码也是这样，生命主要是由蛋白质组成的，而蛋白质又是由氨基酸组成的，氨基酸一共就二十几个。要想造一个生物，就得以遗传分子DNA为蓝图，来制造氨基酸，那么DNA里一定有一组组密码来对应或表达一个个氨基酸，从而按照密码依次制造出氨基酸来，这个对应就好比用一组组数字来对应或表达一个个汉字一样。
DNA的“密码字母”有几个呢？四个，即DNA分子是由四种碱基A、C、U、G组成的，那么密码得几位呢？
一位显然是不够的，A、C、U、G。只有4种花样，远远不够表达20多种氨基酸。
两位行不行？比如：AA、AC、AU、AG、CA、CC……，我们知道4的2次方是16，也只能玩出16种花样来，相对于20多种氨基酸还是少了点儿。
那么三位？比如：AAA、AAC、AAU、AAG、ACA、ACU、ACG……，4的3次方是64，能变出64种不同组合的花样来，足够了，而且还有富余。
当时遗传学界已经知道蛋白质由20多种氨基酸组成，又刚刚知道DNA中有四种碱基，于是盖莫夫适时地做出了伟大的猜想——遗传密码一定是三位！即每三个碱基组成一个密码，来表达一种氨基酸。
最后的实验结果果然证实了遗传密码的确是三位。比如：
UUU 苯丙氨酸、UUC 苯丙氨酸、UUA
亮氨酸，等等，可以列出一个完整的表来，这就是遗传密码本。
有趣的是64组密码里居然还有“起始”“终止”，有点儿类似于文书中的“抬头”和“句号”。而且有三组密码都表示“终止”，我不知道是不是类似于文书中的“逗号”“分号”“句号”？或者全一样，都是句号？
DNA分子链非常长，根据人类基因组计划，人类DNA分子中，共有3亿碱基对（这里面包含了大约有两万多基因。），也就是说，大致能表达出一亿个氨基酸的有序队列。
每百十个氨基酸就能组成一个肽链，若干肽链组成一个蛋白质，十几万种不同的蛋白质就组成了我们人体。
三、富余造成了“简并”
现在的问题出在哪儿了呢？就在“富余”二字上，用64种密码来表达20几种氨基酸，显得有点儿“浪费”。怎么办呢？有时候好几种密码只用来表达一种氨基酸。比如ACU,ACC,ACA,ACG都是苏氨酸的密码子，这种情况在遗传学里叫做“简并”。字面意思也许是指“简化合并”？就这么理解吧。
这种“简并”有什么毛病呢？就是密码无法完全准确的来回翻译，英译汉然后再汉译英，也存在同样的不是一一对应的问题，翻译就有可能走样子。
如果氨基酸也恰好有62种，那就再好没有了。一个密码对应一个氨基酸，再加两个密码“起始”“终止”，正好64个。就像汉字的电报码一样，一一对应。一串汉字译成电报码，然后再由电报码翻译回来，还是那一串汉字。
可惜氨基酸与碱基密码不是一一对应，而是“简并”对应。从一长串碱基密码“文字”翻译成氨基酸，这没问题，因为多对一，肯定翻译得准确。但如果再从这一串氨基酸序列翻译回来（为什么要翻译回来？因为你还得复制传给下一代的DNA，就得用翻译过来的碱基序列再反回去复制DNA，就跟用钥匙模子翻出来钥匙，然后再用钥匙反回去翻制一套模子），一对多，就无法保证还能回到原来的碱基序列了。
从DNA复制出蛋白质，很像从钥匙模子复制出钥匙一样。如果能从蛋白质复制出DNA，就相当于从要是复制出模子。是个反向继续的过程。
这就好比汉字与拼音码就不是一一对应，一音可能对应多个汉字。比如“同意”这个词，翻译成拼音，肯定是tongyi，但从tongyi再翻译回来，就不知道应该是“同意”，还是“统一”，或者“同一”？
四、为什么博士说，简并也许阻碍获得性遗传？
我为什么要挑“简并”的毛病呢？因为这就涉及到前面讲的“获得性遗传”了。
现代遗传学认为，遗传信息是单向的，只能由DNA（核酸）往蛋白质那边传（其中需要借助RNA转录一下），不能反过来传，不能由蛋白质往DNA传。这叫做“中心法则”。
中心法则——遗传信息只能从DNA往蛋白质方向传递，不能反向传递
什么意思呢？比如长颈鹿的“长颈”这个性状就“写”在它的DNA分子上的某一段基因里，在遗传时，这个基因就传给了下一代，或者说，以DNA为蓝图来制造蛋白质，就把这个信息从DNA传到了蛋白质上，于是制造生产出一个小长颈鹿。天生就有“长颈”的性状。
但反过来不行，比如一头一般的鹿，由于长年努力去够树稍，吃叶子，脖子“锻炼”得格外长，或者说，它的蛋白质里从此有了“长颈”这个信息。这个信息能不能传给下一代呢？不行，因为这样就等于把信息从蛋白质传到DNA那儿去，违背了中心法则。
那么为什么这样反过来传就不行呢？按博士的说法，也许在反方向传递信息时，因为遇到了“简并”这个坎儿，有可能传不过去，传不准确。
前面说，因为64个碱基密码比20几个氨基酸要多，用碱基密码来表达氨基酸没问题，但是反过来，用氨基酸来表达碱基密码就不能保证完全准确的翻译。
因为碱基是DNA的部件，氨基酸是蛋白质的部件，所以，上面的意思也就是——从DNA可以准确把信息翻译到蛋白质那边去，但反过来，从蛋白质把信息翻译到DNA这边就有困难，就可能产生歧义，多义。
获得性遗传基本被现代遗传学所否定，但是不是一定不存在呢？目前尚无定论，因为找不到能否定它的理论依据。
要想否定获得性遗传，一定要从分子机制上找到依据，才具有根本的判决性，目前还没找到分子依据。
那么，因“简并”而造成的翻译不可逆，是不是能成为获得性遗传不可能的分子依据呢？除了博士有这种担心之外，查了一下网上，发现还没有人从这个角度来论证。
五、博士的担心可能是多余的
博士认为：简并也许阻碍了获得性遗传，但我觉得他可能是错的。
虽然从蛋白质把信息传到DNA时不确定，有可能产生多义，但不见得就一定会阻碍生出信息准确的一代。
我们知道，要想把信息遗传给下一代，一定得通过DNA这个环节过渡一下，不可能由上一代蛋白质直接复制出下一代的蛋白质。这个道理很像做钥匙，先有一个钥匙，然后再用它压一个钥匙模子，模子跟原来的钥匙恰好是反的，钥匙凸起之处，模子就凹下去。然后用模子再复制钥匙，就变成跟原来钥匙一样的了。如果说上一代蛋白质是钥匙，DNA就是模子，下一代蛋白质就是用模子翻出来的新钥匙。所以，蛋白质要想把信息传下去，一定得需要一个模子过渡一下。
具体说，如果获得性遗传存在的话，信息流向应该是这样的：
上一代蛋白质的信息（钥匙）——上一代的DNA（模子）——下一代的蛋白质（新钥匙）。
那么，这里就有空子可钻了，尽管鹿在后天获得的“长脖”这个蛋白质信息，传入或翻译成DNA时，一对多，有可能多义，得到几种不同的DNA密码。但最终还是得把DNA密码再传到（或翻译）下一代的蛋白质中时，又成了多对一，仍然是正确的蛋白质，仍然能把“长脖”这个信息传到下一代。
这就像钥匙翻成模子时，可能翻成了不同材质：铜模、铁模、银模，但这都不要紧，不管哪个模子再翻成新钥匙，仍然跟原来的钥匙一样。
我们具体拿生物来说，比如上一代的蛋白质信息中有个“苏氨酸”，它翻译成DNA时有可能是ACU、ACC、ACA、ACG这四种密码中的任意一个，但没关系，等用这个DNA再复制下一代蛋白质时，仍然翻译成了“苏氨酸”，跟上一代一样，没毛病。
遗传学家还有这样的说法：遗传密码子的简并增强了它的容错性，从而增加了翻译的速度。既然是“容错”，也就是说，对于像苏氨酸这样一对四的氨基酸（四重简并）来说，翻译成DNA时，第三位不管翻成啥都可以，都能保证复制下一代蛋白质时是正确的。
有的氨基酸是一对三（三重简并），比如：异亮氨酸——AUU、AUC、AUA。那么翻译时第三位只要别翻成G就行了。
有的氨基酸是一对二（二重简并），比如：苯丙氨酸——UUU、UUC。只要第三位别翻成A或G都可以。
但也有个别氨基酸是一对一，没简并，比如色氨酸——UGG，这个不能错。
密码本里还有一对六的（六重简并），比如：丝氨酸——UCU、UCC、UCA、UCG、AGU、AGC，它的容错功能就更强了。
总之，从“容错性”这个概念可以知道，密码的简并性对获得性遗传并没有构成阻碍。
中心法则还有一个版本，遗传信息也有可能通过调控方式从蛋白质向DNA方向传递，即图中虚线所示，之所以是虚线，是因为这种方式目前尚未得到完全证实，如果能证实，将是进化论最重大的突破。
六、结语
那么最终结论，获得性遗传存在不存在呢？可能不可能呢？达尔文学说认为两种遗传途径（获得性遗传和突变+自然选择遗传）都有可能。
到了现代，后一种遗传途径已经被证实，而前一种方式获得性遗传一直未得到证实，所以基本倾向于否定，但也无法彻底否定。
既然连遗传学家们都无法判定获得性遗传对还是错，我们当然更没办法了。
但不管怎么说，遗传密码的简并性对遗传的信息的反向流动，即从蛋白质流向核酸，并不构成阻碍，所以获得性遗传仍然有可能存在。
美首次发现获得性性状不依赖于DNA遗传的证据
2011年12月08日07:19腾讯科技
[导读]哥伦比亚大学医学中心（CUMC）的研究人员通过RNAi（RNA干扰）首次发现，获得性性状（acquired
trait）可以通过小RNA进行遗传，而不需要基因组DNA的参与。
美首次发现获得性性状不依赖于DNA遗传的证据
拉马克进化学说认为，长颈鹿进化出长颈是由于它们长期以高大树木上的树叶为食的结果，这一后天获得的优势再由后代继承传递下去。
腾讯科技讯
（嘟嘟/编译）据国外媒体报道，哥伦比亚大学医学中心（CUMC）的研究人员通过RNAi（RNA干扰）首次发现，获得性性状（acquired
trait）可以通过小RNA进行遗传，而不需要基因组DNA的参与。该发现表明长期以来遭受人们误解的生物学家拉马克的观点并非完全错误。这项研究成果将发表在12月9日的《细胞》（Cell）杂志上。
该研究报告的主要作者、CUMC生物化学系和分子生物物理学系教授乌迪德·瑞卡维（Oded
Rechavi）说：“在我们的最新研究中，具有抗病毒免疫力的线虫（roundworm）能将这一性状传给它们连续几代的后代。免疫力通过RNA干扰的方式遗传，而不依赖于DNA遗传。”
在早期的进化理论，伟大的生物学家拉马克（Jean
Baptiste Larmarck
，1744-1829)提出了以自然选择为基础的进化学说，他认为物种进化时，适应环境的个体将后天获得的性状遗传给后代。例如，长颈鹿进化出长颈是由于它们长期以高大树木上的树叶为食的结果，这一后天获得的优势再由后代继承传递下去。相比之下，查尔斯·达尔文（Charles
Darwin，1809-1882）后来的理论认为，由于随机突变为生物体提供了竞争优势，从而推动了物种的进化。由于颈部较长的长颈鹿能够获得更多的食物，因而具有这种性状的长颈鹿才能更多地生育后代。后来由于遗传性基因的发现支持了达尔文的理论，从而使得拉马克的理论黯然失色，并遭到人们的质疑甚至否定。
然而，一些证据表明后天性状可以继承。瑞卡维博士说：“典型的例子就是第二次世界大战时期的荷兰饥荒事件。长期处于饥饿状态的母亲生出的孩子更容易出现肥胖和其它代谢紊乱疾病，这一患病风险延续到了他们的后代。”控制实验（Controlled
experiments
）也表明了类似的结果，包括最近的一项研究表明长期高脂肪饮食的雄性大鼠生育的雌性后代更容易出现肥胖。此项研究的领导者、CUMC的生物化学系和分子生物物理学系教授和霍华德休斯医学研究所（Howard
Hughes Medical Institute ）的研究员奥利弗·霍伯特（Oliver
Hobert）表示，拉马克的理论一直具有争议性，而且一直没有人能够清楚地描述这个似是而非的生物学机制。
为了进一步研究这些现象，CUMC研究人员转向研究线虫，因为线虫有不寻常的利用RNAi抗病毒的能力。在目前的研究中，研究人员利用一种昆虫病毒Flock
house
virus(FHV)感染线虫，发现线虫通过RNA干扰的方式沉默病毒基因从而获得了针对这一病毒的免疫力。当它们的后代被暴露在病毒中，它们仍然能够用免疫力保护自己。瑞卡维博士说：“我们在近一年的时间里对超过100代的线虫进行了追踪，发现它们持续地保有了这一免疫特性。”实验被设计成使线虫无法通过基因突变获得抗病毒性。研究人员由此得出结论，抵御病毒的能力是通过某些病毒RNA分子而非DNA储存的形式传递到了后代体细胞中。
CUMC研究团队现正研究其它性状是否也通过小RNA继承。瑞卡维博士说：“在一项实验中，我们在培养皿里复制了荷兰饥荒事件，我们让蠕虫挨饿，由于饥饿，我们看到小RNA分子正在生成，并传递给了下一代。”
通过这些研究，哥伦比亚大学医学中心的研究人员验证了拉马克的“获得性遗传”理论。返回腾讯网首页>>
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(2016-12-30 20:28:12)