1、mRNA在基因表達(dá)中作用的發(fā)現(xiàn)mRNA在基因表達(dá)中作為遺傳信息的傳遞者，有著至關(guān)重要的作用。高中生物學(xué)必修二對于mRNA在基因表達(dá)中的發(fā)現(xiàn)沒有涉及。這一內(nèi)容教學(xué)有助于滲透科學(xué)思維過程?？茖W(xué)家如何發(fā)現(xiàn)mRNA在基因表達(dá)中的作用？在明確DNA含有基本的遺傳信息后很長的一段時(shí)間內(nèi)，人們對于遺傳信息是如何表達(dá)的可以說是一無所知。核苷酸序列的差異是怎樣轉(zhuǎn)化成一頭大象和一只跳蚤之間的懸殊差別呢？即使在Watson和Crick于1953年提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)以后的幾年里，科學(xué)家對上述問題仍然是一籌莫展。1960年，Jacob和Meselson確定了蛋白質(zhì)是在細(xì)胞質(zhì)的核糖體上組裝的。這個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)表明細(xì)胞核里

2、的染色體和細(xì)胞中的核糖體之間必然有一種聯(lián)系的橋梁，即細(xì)胞內(nèi)存在一種將細(xì)胞核里的遺傳信息轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)的機(jī)制。于是，他們提出了mRNA假說。1.發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)的合成場所核糖體Jacob和Meselson開始選用細(xì)菌為研究對象。他們將放射性35S加入到細(xì)菌的培養(yǎng)基，以追蹤蛋白質(zhì)的合成，因?yàn)榻?jīng)過幾代的培養(yǎng)，細(xì)胞內(nèi)的含硫氨基酸半胱氨酸（Cys）和甲硫氨酸（Met）應(yīng)該被35S標(biāo)記，而被標(biāo)記的Cys和Met會被摻入到合成的多肽鏈上，而不會摻入到DNA或糖類上。經(jīng)過一段時(shí)間標(biāo)記以后，他們使用溫和的方法將細(xì)菌打破，然后使用蔗糖密度梯度離心對細(xì)胞的組分進(jìn)行分離，結(jié)果發(fā)現(xiàn)同位素標(biāo)記的新合成的蛋白質(zhì)與核糖體結(jié)合。如果先

3、讓35S短暫標(biāo)記（脈沖），然后使用大量的32S進(jìn)行追蹤，那么，就會發(fā)現(xiàn)與核糖體結(jié)合的放射性存留的時(shí)間很短，在追蹤實(shí)驗(yàn)不久，就發(fā)現(xiàn)核糖體失去絕大多數(shù)放射性，而失去的35S標(biāo)記出現(xiàn)在細(xì)胞的可溶性蛋白上。這說明在脈沖標(biāo)記期間合成的蛋白質(zhì)已經(jīng)完成并離開了核糖體。上述實(shí)驗(yàn)表明，蛋白質(zhì)是在含有RNA的核糖體上從氨基酸合成而來，一旦合成完成以后，就從核糖體上釋放出來。2.核糖體RNA（rRNA）不是模板當(dāng)確定核糖體是蛋白質(zhì)合成的場所以后，Jacob和Meselson曾想過：會不會是核糖體里面的RNA作為翻譯的模板呢？也許核糖體RNA負(fù)責(zé)將細(xì)胞核里的遺傳信息傳到細(xì)胞質(zhì)。如果的確如此，那么細(xì)胞內(nèi)應(yīng)該有許多不同的

4、核糖體。不同的核糖體應(yīng)該含有不同的RNA模板，而不同的RNA模板應(yīng)該來自不同的基因，編碼大小不一的蛋白質(zhì)。然而，這種可能性很快就被排除，因?yàn)樗麄儼l(fā)現(xiàn)核糖體是完全一樣的。3.提出信使RNA假說既然編碼遺傳信息的DNA在細(xì)胞核里，而遺傳信息最后的表達(dá)發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)的核糖體，而現(xiàn)在又發(fā)現(xiàn)核糖體RNA也不可能是傳遞信息的媒介，那么，在細(xì)胞內(nèi)肯定存在其他的成分充當(dāng)遺傳信息傳遞的載體。鑒于細(xì)胞內(nèi)大多數(shù)RNA是rRNA，但并不都是rRNA，那么，也許細(xì)胞內(nèi)還有其他種類的RNA充當(dāng)遺傳的信使。1961年，Jacob和Meselson提出了信使RNA假說，認(rèn)為細(xì)胞內(nèi)肯定存在一種特殊的RNA是直接從DNA上合成的，

5、它們的序列與DNA上的基因序列互補(bǔ)，然后被運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞質(zhì)為蛋白質(zhì)合成提供模板。在一種蛋白質(zhì)合成結(jié)束以后，它的mRNA將離開核糖體。mRNA的假說很快得到了Brenner、Jacob和Meselson的實(shí)驗(yàn)確認(rèn)。他們使用噬菌體感染大腸桿菌，發(fā)現(xiàn)感染后不久，就有一種病毒特異性的RNA被合成并很快和細(xì)菌內(nèi)本來存在的含有細(xì)菌rRNA的核糖體結(jié)合。但這種新的病毒RNA并不是核糖體的永久性成分，而只與核糖體短暫結(jié)合。mRNA假說的主要內(nèi)容是，細(xì)胞內(nèi)應(yīng)該有一類充當(dāng)信使的RNA分子，它們由許多不同的mRNA分子組成，每一種mRNA在核苷酸序列上對應(yīng)于DNA分子上一段特定的核苷酸序列。按照這種假說，核糖體RNA無

6、基因特異性，這是與mRNA最重要的差別；核糖體僅僅是作為一種被動的制造蛋白質(zhì)的工廠，相同的核糖體可以翻譯各種不同的mRNA分子。基因特異性的遺傳信息在假定的mRNA分子上，而不是在核糖體。4.實(shí)驗(yàn)證據(jù)信使RNA假說首先將大腸桿菌放在含有15NH4Cl和13C-葡萄糖的培養(yǎng)基上培養(yǎng)幾代，讓細(xì)菌利用培養(yǎng)基中重的同位素碳源和氮源作為合成糖類、蛋白質(zhì)和核酸的原料，那么經(jīng)過若干代培養(yǎng)以后，細(xì)菌上各種成分（包括細(xì)菌核糖體）被重的同位素標(biāo)記。然后，他們使用T4噬菌體感染細(xì)菌以改變遺傳信息。當(dāng)時(shí)已經(jīng)知道，這一類病毒感染宿主細(xì)胞以后，會破壞細(xì)菌DNA，并以自身的DNA作為遺傳信息的來源，指導(dǎo)病毒蛋白質(zhì)的合成。如

7、果核糖體帶有基因特異性的信息，那么，新的由病毒指導(dǎo)的核糖體也應(yīng)該產(chǎn)生；相反，如果核糖體僅僅是一種被動的合成蛋白質(zhì)的工廠，那么，老的細(xì)菌核糖體在病毒控制細(xì)菌以后照樣被用來合成由病毒DNA指導(dǎo)的蛋白質(zhì)。于是，他們的實(shí)驗(yàn)要解決的核心問題是，感染細(xì)菌的病毒用來制造病毒蛋白質(zhì)的核糖體需要按照病毒的指令合成新的，還是原有的細(xì)菌核糖體就行。于是，Brenner、Jacob和Meselson，先使用重同位素標(biāo)記細(xì)菌，然后，在T4噬菌體感染細(xì)菌以后，將細(xì)菌轉(zhuǎn)移到正常的輕的培養(yǎng)基上培養(yǎng)，同時(shí)，將放射線標(biāo)記的RNA合成前體（14C-尿嘧啶）加到培養(yǎng)基上?？梢灶A(yù)計(jì)，新制造的核糖體將是輕的，新合成的RNA將會帶放射性。

8、按照上述程序，病毒指導(dǎo)的合成進(jìn)行一段時(shí)間以后，裂解細(xì)菌，對核糖體進(jìn)行CsCl 密度梯度離心分析（如圖）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，病毒感染的細(xì)胞沒有制造新的輕核糖體，它們使用的核糖體仍然是以前重的舊核糖體。由此可見，T4噬菌體實(shí)際上“用舊瓶裝新酒”，利用老的細(xì)菌核糖體合成新的病毒蛋白質(zhì)。新的病毒指導(dǎo)的含有14C標(biāo)記的RNA在病毒感染以后被合成，這種新合成的RNA先與細(xì)菌內(nèi)舊的核糖體結(jié)合在一起，然后再發(fā)生解離。當(dāng)將病毒指導(dǎo)合成的含有14C標(biāo)記的RNA與病毒DNA混合在一起時(shí)，發(fā)現(xiàn)它們很容易雜交，而將病毒RNA與細(xì)菌DNA混合在一起時(shí)，并無雜交事件發(fā)生。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明mRNA假說是正確的。（內(nèi)容參考網(wǎng)絡(luò)資源

9、）例、大豆蛋白在人體內(nèi)經(jīng)消化道中酶的作用后，可形成小肽（短的肽鏈）。回答下列問題：（1）在大豆細(xì)胞中，以mRNA為模板合成蛋白質(zhì)時(shí)，除mRNA外還需要其他種類的核酸分子參與，它們是 、 。（2）大豆細(xì)胞中大多數(shù)mRNA和RNA聚合酶從合成部位到執(zhí)行功能部位需要經(jīng)過核孔。就細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)這兩個(gè)部位來說，作為mRNA合成部位的是 ，作為mRNA執(zhí)行功能部位的是 ；作為RNA聚合酶合成部位的是 ，作為RNA聚合酶執(zhí)行功能部位的是 。（3）部分氨基酸的密碼子如表所示。若來自大豆的某小肽對應(yīng)的編碼序列為UACGAACAUUGG，則該小肽的氨基酸序列是 。若該小肽對應(yīng)的DNA序列有3處堿基發(fā)生了替換，但小肽的氨基酸序列不變，則此時(shí)編碼小肽的RNA序列為 。（密碼子：色氨酸UGG 谷氨酸GAA GAG 酪氨酸UAC UAU 組氨酸CAU CAC）答案：（1）rRNA tRNA（2）細(xì)胞核 細(xì)胞質(zhì) 細(xì)胞質(zhì) 細(xì)胞核（3）酪氨酸-谷氨酸-組氨酸-色氨酸 UAUGAGCACUGG解析：該試題考查基因的表達(dá)。（1）翻譯過程中除了需要mRNA外，還需要的核酸分子組成核糖體的rRNA和運(yùn)輸氨基酸的tRNA。（2）就細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)這兩個(gè)部位來說，mRNA是在細(xì)胞核內(nèi)以DNA的一條鏈為模板合成的，合成后需進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)翻譯出相應(yīng)的蛋白質(zhì)。RNA聚合酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋