當Crick晚上在實驗室解出DNA的語言是以三個鹽基為一組時，便興奮地跟他的研究助理說：「現在全世界只有你我兩個人知道DNA是以三個字、三個字唸出！」這反映出作科學的人當時快樂的那一刻。
DNA上的訊息在於鹽基的序列，而鹽基的序列可以經由半保留型的模式來複製。複製會發生錯誤，而錯誤的修補有時也會造成另外的錯誤，但這種突變的發生是演化的原動力，因為不同的突變會造成不同的種類，然後再經過自然淘汰與競爭而產生演化，所以在演化上佔有很重要的地位。
基因突變造成蛋白質的變異
突變是演化的原動力，但問題是DNA上的訊息到底是如何傳遞、如何表現出來而成為表現型呢？那時有很多科學家鑽研於解決這個問題，像Linus Pauling（是當時DNA結構失敗的競爭者之一），當他早期做生化方面研究hemoglobin時，發現一種遺傳性貧血症（Sickle-cell anemia）病人的血紅蛋白發生問題，並且以電泳可以解出病人與正常人蛋白質的不同。後來Vernon Ingram發現病人的基因突變只造成其中的一個胺基酸發生改變（在全部的300個胺基酸之中），所以基因突變與蛋白質變化之間似乎存在著某種關係。Charles Yanofsky 主要在研究細菌的分子生物學，在胺基酸 tryptophan 的生化合成路徑中，第一個酵素為 trpA (tryptophan synthetase)，他找出很多突變並且想要探討是那一個胺基酸發生改變，因此他將trpA基因map出很多突變並且發現如果DNA在1的位置發生錯誤，則蛋白質也會大約在1的胺基酸位置發生改變；如果DNA在2的位置發生錯誤，蛋白質也會大約在2的胺基酸位置發生改變，以此類推。也就是DNA壞掉的位置，正好就是胺基酸的同樣位置壞掉。又根據Watson和Crick的觀念，DNA序列攜帶基因遺傳的訊息，所以DNA和蛋白質之間應該有一樣的直線排列的關係，這是首次將DNA和蛋白質的序列連在一起。
RNA是連接基因和蛋白質的物質
可知遺傳訊息的傳導流向為DNA到蛋白質，但是遺傳訊息究竟如何傳導，當時便成為非常熱門的題目。在這期間有些科學家(包括Crick和他的朋友們)提出一個假說（Intermediate hypothesis），認為RNA應該也包括在這個遺傳訊息的傳導流向中。雖然細胞核中有很多雙股的DNA，但在細胞質中除了有很多的蛋白質之外，還發現有很多單股的RNA存在。胚胎細胞在發育時，RNA的數量會增加；大腸桿菌如果長得越快，RNA的數量也會增加的越多；此外，若有病毒感染一個細胞時，在蛋白質合成之前會先合成RNA，而且有些病毒的基因遺傳物質是RNA而非DNA，例如Tobacco Mosaic Virus (TMV)，如果將此病毒的RNA萃取出來注入寄主細胞中，也可以製造新的病毒，所以RNA被認定可以攜帶遺傳訊息。
在DNA遺傳序列轉變成為蛋白質序列的過程中，必須加入RNA序列，也就是DNA必須先轉變成RNA，RNA再轉譯成蛋白質。DNA轉錄成RNA就好像是中文的簡體字轉成繁體字，困難度較小。但RNA轉譯成蛋白質就像是中文要翻譯成英文一樣，複雜性和困難度較高。然而鹽基序列如何轉變成胺基酸序列呢？因為至少有20種不同的胺基酸，所以必須要有至少20種以上不同的鹽基排列順序。當時雖然已經知道核醣體（ribosomes）是製造蛋白質的所在，並且發現在核糖體中有很多RNA，也有很多的蛋白質，但實際的功能和作用還不清楚。
t-RNA的發現
當時有科學家Stephenson, Stephenson, Hogland (1955) 發現有一些小分子的RNA。他們在實驗中把含有放射性同位素的胺基酸放入細胞的萃取液之中，經過離心之後，核糖體會沈澱下來，但小分子的RNA不會沈澱，而且胺基酸會跑到這些小RNA上並與他們結合在一起。他們稱這些小RNA為可溶的RNA（soluble RNA），也就是現在已知的 t-RNA。當時Watson等人認為這些小分子RNA可能就是由RNA轉譯成蛋白質的中間媒介。
攜帶遺傳訊息的是mRNA
有一派理論認為遺傳資訊位於核糖體上，他們認為不同的核糖體有不同的蛋白質，但科學家Brenner、Jacob和Meselson的實驗證實了這個理論是錯誤的。他們將噬菌體T2/T4感染細菌之後，再以放射性同位素P32 標識噬菌體的RNA，在細菌體內就會合成新的噬菌體的RNA及蛋白質，結果發現新合成的RNA（含有P32）都發生在舊的核糖體上，而沒有新的核糖體形成，所以核糖體不可能攜帶遺傳訊息。然而攜帶遺傳訊息的RNA究竟是何種RNA？他們認為一定有一種新合成的RNA可以攜帶新的遺傳訊息，稱之為訊息RNA(messenger RNA)。
現在已知訊息RNA（mRNA）會拷貝一份基因的訊息。在DNA的兩股中，其中一股為sense，另一股為antisense，mRNA拷貝antisense這一股，然後RNA就會由5'往3'的方向合成。RNA和DNA一樣都是由5'往3'的方向合成，但不同的地方在於RNA的合成不需要primer，只要DNA雙股打開一部分，即可利用 RNA polymerase 來合成RNA。這個動作稱為轉錄（transcript），就好像英國英語與美國英語的轉換一樣。然後mRNA會跑到核糖體這個製造蛋白質的大工廠來合成蛋白質。所以mRNA會把遺傳訊息拷貝到核糖體上。但是胺基酸有20種，而RNA只有4種，它們之間要如何配對呢？這就好像英文只有26個字母，而中文卻有上萬個字，它們之間要如何對應？4個RNA中，若以兩個為一組來對應一個胺基酸，則只能產生16種組合（42=16），顯然無法對應20種胺基酸；若以三個為一組，則可產生64種組合（43=64）；若四個為一組，則可產生256種組合（44=256）。所以有可能是以三個為一組，但也有可能是以四個為一組。
Codon是以三個鹼基為一組
當時的生物學家利用噬菌體的交配來解答這個問題。Ethidium bromide和 是環狀結構的化合物，可以插入DNA與DNA之間，使DNA在複製時偶而會不小心產生多一個 [＋1]的突變，造成鏈移突變（frameshift mutation）。利用這個原理，Crick使用噬菌體T4的rII基因來做實驗，發現若將[+1]與[+1]交配（[+1] x [+1]）或 [-1]與[-1]交配（[-1] x [-1]）之後，無法產生好的野生型的重組；若[+1] x [+2]或 [-1] x [-2] ，則重組後可以產生好的野生型基因。他們利用這種方法進行各種不同的組合並仔細分析之後，發現DNA的語言應該是以3個字為一組，所以Crick才會向他的研究助理說：「現在全世界只有你我兩個人知道DNA是以三個字、三個字唸出！」，但他們仍不排除以6個字為一組的可能性。這個就如同孟德爾的實驗一樣，雖然使用的實驗系統很簡單，但卻可以解出想要探討的問題，得到很重要的結果。
遺傳密碼的發現
若遺傳密碼是以3個字為一組，則會產生64種不同的組合。這64種組合如何對應20種胺基酸呢？當時有些分子生物學家會聚在一起開會討論（包括Watson與Crick等人），他們發現有一位年輕人尼倫堡 (Marshall Nirenberg)所發表的一篇報告中，似乎就有他們想要探討的問題。他將一整條都是U的RNA丟入含有細胞萃取液（cell-free extract）的試管中，結果發現有氨基酸的出現並有小的蛋白質合成，產生的蛋白質都是由同一種胺基酸phenylalanine所組成，當時這只是他實驗的一個比較組，沒想到卻意外地解出了第一個遺傳密碼子（codon）。
 尼倫堡 (Marshall Nirenberg)
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PolyU mRNA的解讀破解了第一個遺傳密碼。
圖片來源：
Purves et al., Life: The Science of Biology, 4th Edition, by Sinauer Associates and WH Freeman
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之後Nirenberg馬上又解出了polyC、polyA的密碼，當時解開遺傳密碼成為一股風潮，所以有很多實驗用來解答這個問題，例如polyCA（CACACACA-------）只能產生兩種組合，即CAC和ACA，而所合成蛋白質的氨基酸只有Histidine和Threonine兩種，如此就解出了另外兩個遺傳密碼子。
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以鹼基C和A重複交替的mRNA可得到胺基酸His和Thr交替的蛋白質。
圖片來源：
Purves et al., Life: The Science of Biology, 4th Edition, by Sinauer Associates and WH Freeman
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最後解出的遺傳密碼如下表所示。Methionine是唯一只有一個密碼子與之對應的氨基酸，也是一般通用的起始密碼子（initiation codon）。然而有極少數的生物例外，是使用GUG作為起始密碼子。UAA、UAG、UGA是終止密碼子（stop codon），他們並不對應任何氨基酸，就好像是句子中的「句點」一樣，當轉譯時遇到終止密碼子，轉譯就會停止。
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已知有64個（43＝64）遺傳密碼子，卻只有20種氨基酸，所以一定有很多重複的對應，像Arginine是擁有最多重複對應的氨基酸，可由六種不同的密碼子產生。此外，密碼子的第三個位置似乎較不重要。而且相似的氨基酸都排在一起，所以如果不小心發生突變的話，產生的氨基酸也會類似，例如GAU變成GAA會使Aspartic acid變成Glutamic acid，而Asp和Glu都是酸，屬於親水性，它們的差別只有一個碳；Thr和Ala的密碼是第一個鹼基的A變成G，而這兩個氨基酸都屬於疏水性。這在演化上顯然有很重要的意義。 圖片來源： http://ww2.mcgill.ca/nrs/chap3.html |
生物是一個資訊的系統，在細胞內的遺傳系統是由非常多不同的分子來運作，然而它的中心遺傳解碼器卻都在這裏，奇妙的是這不像自然演化來的，反倒像是經過精心設計而成的。而且生物怎麼知道可以利用翻譯這種方法，這是整個演化上很重要的突破。蛋白質就像是資訊系統的硬體；而DNA則是軟體，主要功能為儲存、複製與傳遞資訊。這兩者之間如何互相結合，主要關鍵就在於翻譯的系統。
以上所指的是大部分通用的遺傳系統，但是有些生物的遺傳密碼表現的不太一樣，特別是粒線體(mitochondria)，雖然大致上一樣，但是有些許的改變。也就是來源一樣，是由同一個祖先發展出來的。
t-RNA是翻譯的單位
遺傳密碼已經發現了，工具也找出來了，但是細節是如何？是如何翻譯的呢？
現在已經知道翻譯的單位是tRNA，它是一個小型的單鏈核酸，只有大約一百個胺基酸。胺基酸的序列是一級結構，它的二級結構的形狀就像是苜蓿的葉片，有三片葉子，是三個大型的單鏈迴環（loop），形狀像是髮夾。最下面的是反密碼子迴環（anticodon loop）。另外有四個雙鏈的區域稱為基幹（stems），這些基幹的含氮鹼基對是以氫鍵相連結。但是真正執行功能的三級結構才能夠有氫鍵及其他的互動。
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這個翻譯的單位有兩個很重要的地方：一個是反密碼子（anticodon）(就像是中文)，另一個是攜帶胺基酸的位置(就像是英文)。如果tRNA的反密碼子是AAA，則它會認識mRNA上的UUU，而這個tRNA上面所攜帶的胺基酸就是phenylalanine。但是這些胺基酸是怎麼掛到tRNA上的呢？這就需要酵素aminoacyl t-RNA synthetase的幫忙，它可以辨識phenylalanine的tRNA，然後把phenylalanine掛上去，所以這個酵素必須至少有二十種以上，用來辨識二十種不同的氨基酸並且使正確的胺基酸加到tRNA上。
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蛋白質的合成
製造蛋白質的工廠是核糖體(ribosome)，可以讓訊息過來並在此合成蛋白質。它有兩個重要的位置：P site和A site。P代表多胜類polypeptide，A代表胺基酸amino acid。
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核糖體是蛋白質合成的所在，由大、小次單元(subunit)組成。
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合成的方式為：mRNA上的AUG對應的CAU（根據慣例，RNA的唸法一定是由5'到3'）會帶一個胺基酸methionine，如果下一個是CCG，相對應的CGG會攜帶胺基酸proline，這兩個胺基酸就會併排，P site的胺基酸就會過來，與A site的胺基酸形成胜肽鍵（peptide bond）而成為雙胜類（dipeptide），之後就會再往下移3個核甘酸，然後由雙胜類（dipeptide）變為三胜類（tripeptide），依此類推。這個過程是P site的胜肽移到A site的胺基酸，並以三個、三個鹼基移動，最後當讀到in-frame(同一個「讀框」稱為in-frame)的終止密碼子（UAA/UAG/UGA）時，蛋白質的合成就會終止，新合成的蛋白質就會掉下來，核糖體的大、小次單元(subunit)也會分開來。通常核糖體的大、小次單元是在合成蛋白質的時候才會連接在一起，合成終止時就會分開。
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核糖體是從什麼時候開始轉譯？它並不是碰到任何的AUG就開始合成蛋白質，因為大約每六十四個(43)密碼子就有一個AUG，所以到處都是AUG。原核生物和真核生物不同，原核生物是靠 r-RNA，它的16S RNA上面有一段序列，其中包括GGTG﹍﹍，若有一段基因與之互補，r-RNA就會靠過來，當附近有起始密碼子（initiation codon）時，就會開始轉譯。這樣的序列稱為 Ribosome Binding Site，簡稱 RBS。 通常距離4到11個核甘酸，不能太遠也不能太近。
大部分的真核生物的mRNA附著到核糖體之後，是從頭開始掃描，通常遇到第一個AUG就開始進行轉譯的工作。所以整體來看，核糖體的大小次單元會一起到mRNA上並互相結合，當遇到initiation codon就開始合成蛋白質，一直到最後遇到stop codon時，新合成的蛋白質會掉下來，核糖體的大小次單元也會分開來。這就是一個編碼蛋白質的轉譯。
在真核細胞中，DNA在細胞核內經由RNA polymerase而轉錄形成mRNA，mRNA會由細胞核移到細胞質內進行蛋白質的合成，所以絕大部分的蛋白質都在細胞核外合成。此外，rRNA和tRNA也是由細胞核內的基因做出來的，但這些基因不做蛋白質，它的工作單位就是RNA。因此並不是所有的基因都做蛋白質，有些基因只做RNA。
原核細胞沒有細胞核膜，轉錄和轉譯的工作同時進行。在電子顯微鏡下可以看到DNA轉錄成RNA（DNA會越來越短），也可以看到核糖體和RNA polymerase（核糖體很大，RNA polymerase很小），在轉錄的同時也可以看到新合成的蛋白質。所以在原核細胞中，轉錄和轉譯是同時發生的。
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蛋白質合成的過程可分為兩部分：
1、轉錄。
2、轉譯。
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絕大多數的蛋白質都是在細胞核外進行，而且遺傳訊息可由DNA複製轉錄成RNA，RNA再轉譯成蛋白質。但現在已知有些病毒的RNA可再變成DNA，這與最早提出的中樞教條有點不同。
基因的表現
電腦的程式不能沒有調控，同樣的，基因也需要調控。在不同的時候、不同的空間、不同的生長速度、不同的溫度、不同的濕度或是人體細胞內不同的空間，如腦細胞與製造胰島素的肝細胞分別做不同的事情並且有不同的功能，所以必須要有不同的調控來控制哪些基因在什麼時候需要表現或是哪些基因不要表現，這是現在分子生物學上非常重要的課題。
人體內就只有這麼多基因，為何有些基因做腦細胞的工作，而有些基因做肝細胞的工作？雖然腦細胞和肝細胞的基因型一樣，但是所做的事情卻完全不同。基因的表現由基因型到表現型必須完成幾個步驟，如果缺少其中任何一個步驟，就等於基因沒有表現而看不出表現型。第一個步驟必須先將基因轉錄成RNA。第二個步驟是RNA需要處理，所以高等生物還必須經過剪接，將不需要的去除或是編輯。有時在某些系統中的RNA還必須加入一個鹽基才可以作出正確的序列。有時必須經過修改才可成為有功能的、好的mRNA。第三個步驟是mRNA再經過轉譯而合成正確的多胜類。第四個步驟中，合成的多胜類的一級結構必須折疊成正確的三度空間才能有功能，這是不容易的事情。細胞內有些蛋白質專門來幫忙他的折合，有些蛋白質必須加入磷酸，有些必須切掉，有些必須將幾個次單元組合成複合體才能有功能，有時一個多胜類就可以組成一個蛋白質，有時卻必須幾個多胜類才能形成一個有功能的蛋白質。這些步驟中間如果有任何錯誤都不行。壞的基因會使基因的表現不完整或甚至沒有表現，這些壞的基因可能是在剪接或修正時發生錯誤，所以基因的表現並不只是單純的基因的轉錄而已，必須能夠整個表現到表現型上。
有些基因只做RNA，所以只需以上第一和第二個步驟。
基因的調控
基因的表現要如何控制？何時打開或何時關掉？第一個被發現的基因調控的經典例子就是 lac operon。這是法國人Jacob 和 Monod在巴斯德研究所研究細菌遺傳學時所發現的大腸菌乳糖的調控。當人類剛出生時，體內的大腸菌是以乳糖為食物，但在斷奶之後即以攝取葡萄糖為主。他們發現如果葡萄糖存在時，消化乳糖的酵素就不產生；如果葡萄糖不存在而乳糖出現時，消化乳糖的酵素就會出現。所以這個酵素必定有受到某些調控。後來他們在遺傳譜上定出這些單位：p、o、z、y、a，其中z、y、a是三個代表代謝的結構基因，比較重要的z是合成酵素β-galactosidase的基因，可將乳糖分解成葡萄糖和半乳糖。y是合成酵素β-galactoside permease的基因，是乳糖和其他半乳糖?進入細胞所需要的酵素。
這三個結構基因連接在一起，在它們前面的 o 顯然是一個能夠讓抑制物蛋白質附著的作用位置。前面的 p 是 promoter，基因的轉錄由此開始。另外有一個調節基因（regulatory gene）i 可以從別的地方過來抑制 o，而且這個 i 有自己的 promoter（任何一段基因都必須要有promoter才可開始轉錄）。lac operon包含 promoter、 operator和三個結構基因。這三個構造基因雖然有相同的轉錄，但卻有各自不同的轉譯事件。當DNA轉錄mRNA時，RBS首先被轉錄，依次為起始密碼子，一直到終止密碼子。當第一個多胜肽做完時就掉落下來，接著開始轉譯第二個多胜肽，然後再轉譯第三個多胜肽。
圖片來源：Purves et al., Life: The Science of Biology, 4th Edition, by Sinauer Associates and WH Freeman
這個系統有多個構造基因，稱為polycistron。如果系統只有一個基因就稱為monocistron。這整個單位叫做操作組（operon）。傳統的基因寫法是以斜體來表示，例如lacZ、lacY、lacA，前面相同的lac代表是同一系統，Z、Y、A分別代表不同的基因。這些基因所合成的蛋白質則以正體來表示，而且第一個字母變成大寫，例如Lac Z、LacY、Lac A。
抑制物蛋白質如果過來附著在操縱子（operator）上， mRNA的轉錄就會被擋住而無法開啟，這種在轉錄上的抑制稱為repression，而此抑制物質稱為 repressor。(另外一種抑制inhibition是指在蛋白質合成時的抑制)。乳糖(lactose)可以和這個抑制物 repressor結合以改變抑制物的結構形狀，使它無法附著在operator上而破壞其抑制作用。在這個非常巧妙的調控中，能夠使這個基因打開(turn on)作用的物質稱為誘導物（inducer），而此現象就稱為induction或derepression。這種基因的表現並不是因為活化而只是將抑制基因的抑制物去除，等於是「解放」這個基因。
圖片來源：
Purves et al., Life: The Science of Biology, 4th Edition, by
Sinauer Associates and WH Freeman
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另外一個基因調控的例子是Jacob研究的tryptophan的操作組(trp operon)，這是負責氨基酸tryptophan的合成。氨基酸tryptophan的生化合成路徑有五個步驟，每一個步驟需要一個特殊的酵素，分別由基因 trp E、trp D、trp C、trp B、trp A 經轉錄與轉譯而得。
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如果tryptophan 生成量很多時，本身就會變成一個迴饋的抑制物（feedback repressor），用來關閉trp的轉錄作用的調節系統。此時 tryptophan 所扮演的角色是 co-repressor ，它會和沒有活性的抑制物結合以改變其構造形狀，然後這個抑制物才可以附著在操縱子上而使轉錄作用被阻擋。因為抑制基因 trp R 所產生的蛋白質是沒有活性的抑制物（inactive repressor），不會單獨與操縱子結合，必須和 tryptophan 結合在一起才可以變成有活性的抑制物（active repressor）。這種在轉錄階段的抑制 （feedback repression），雖然較慢，但較經濟。
圖片來源：
Purves et al., Life: The Science of Biology, 4th Edition, by Sinauer Associates and WH Freeman
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tryptophan的另一種迴饋調節是在蛋白質階段的抑制（feedback inhibition）。它的合成途徑的第一個酵素為TrpE，如果終產物tryptophan過多時，會和TrpE結合而改變其結構與形狀，此種改變可以破壞酵素的活性，這種調節雖然較不經濟，但速度較快。
以上所提到的是抑制性的調節（negative regulation），即調節的物質不存在時，基因自己就會表現出來，但調節的物質可以抑制基因的表現；另外，有一種是促進的調節（positive regulation），即基因平常不表現，但調節的物質可以驅動基因的表現。這種促進基因表現的調節物質稱為activator，例如細菌的ara (arabinose) operon 中，需要一個促進調節的蛋白質AraC和arabinose結合並附著在操縱子上，才可將基因打開。所以這種 activation 的現象與 depression的最後結果雖然一樣，但它們的機制顯然並不相同。
真核生物的調控系統要比原核生物複雜得多。真核生物有許多不同的轉錄因子（transcription factors），而且在同一個基因前面會有好幾個轉錄因子會在不同的時間和不同的細胞循環中進行控制，而這些轉錄因子通常都是促進的調節物質。
此外，真核生物在轉錄時會進行剪接（splicing）的工作。DNA上有許多intron和exon的片段，轉錄時會去掉intron的部分，mRNA最後只保留exon的部份。轉錄的剪接有剪接的訊號，如果剪接訊號錯誤則會造成突變。除了剪接之外，在 5' 處會加上一個柱頭（cap），在後面 3' 的位置則會接上數十到數百個連續的A，這樣可以幫助後來的轉譯工作。經過Capping 、 polyadenylation和 splicing 之後，最後可以用來轉譯的mRNA就成為成熟的mRNA，然後就可再經過轉譯而合成蛋白質。
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圖片來源：Purves et al., Life: The Science of Biology, 4th Edition, by Sinauer Associates and WH Freeman
基因的表現除了在轉錄時可以被調控之外，剪接時也可以被調控，蛋白質合成之後也可被調控，例如不被切割或折合。但是絕大部分細胞的基因調控都在轉錄的時候，這也是最經濟的方式。
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