生物進(jìn)化并沒(méi)有特殊的偏好密碼子

【資料簡(jiǎn)介】

生物進(jìn)化并沒(méi)有特殊的偏好密碼子
進(jìn)化就像是一個(gè)“救世主”，令生物獲得了優(yōu)化，從而適應(yīng)環(huán)境的變化，但是在生物學(xué)家們剖析生
命的演化歷程的時(shí)候，總是會(huì)偶然發(fā)現(xiàn)一些無(wú)法解釋?zhuān)钊嗣曰蟮默F(xiàn)象，而zui近發(fā)表的一項(xiàng)新研究
成果，則幫助科學(xué)家們了解了為何自然總是喜歡做一些人類(lèi)無(wú)法預(yù)測(cè)到的事情。

蛋白質(zhì)，被喻為細(xì)胞機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的齒輪，是由相同的二十塊稱(chēng)為氨基酸的積木根據(jù)不同的組合而形成
。這些氨基酸根據(jù)來(lái)自機(jī)體DNA的指令，通過(guò)酶“縫合”在一起，而DNA序列三個(gè)字母間的組合，也
就是密碼子，能指導(dǎo)酶合成一種氨基酸，但是由于DNA實(shí)際上有四種這樣的堿基：A，T，G和C，因
此會(huì)出現(xiàn)64種（4的3次方）組合，這也就給了機(jī)體出現(xiàn)一些錯(cuò)誤的空間——三種不同的密碼子編碼
的是相同的氨基酸。比如說(shuō)，某種生物編碼*的是CCA的組合，同時(shí)CCG也可以編碼這種氨基酸
。

其實(shí)這并不奇怪，事實(shí)證明每一個(gè)生物體都可能在合成某種氨基酸的時(shí)候出現(xiàn)密碼子偏好性，因?yàn)?br />如果這種生物體攜帶了這種偏好性密碼子，那么它的酶就能更快的讀取密碼子，并合成蛋白。隨著
生物體進(jìn)化，生物學(xué)家認(rèn)為通過(guò)自然選擇，其DNA會(huì)發(fā)生改變，出現(xiàn)不同于其它個(gè)體的偏好密碼子
。

然而，大自然偏偏沒(méi)有這樣做。

在出版的Nature雜志上（2月14日），德州大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心的劉一教授領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究組，
與范德堡大學(xué)Carl Johnson領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究組發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)生物體并沒(méi)有選擇特殊蛋白的偏好密碼子
，而當(dāng)研究人員通過(guò)基因遺傳操作迫使這些生物體采用偏好密碼子，他們發(fā)現(xiàn)，修改后的突變型遠(yuǎn)
不如野生型的好。

劉一教授參與了這兩項(xiàng)研究，這位華人學(xué)者主要從事生物晝夜節(jié)律分子機(jī)理與RNAi兩方面的研究，
他曾在Nature封面上發(fā)表文章，解析其RNA（專(zhuān)訪RNAi前沿科學(xué)家劉一 《Nature》封面文章作者）
。

在這項(xiàng)新研究中，劉一教授選擇了一種真菌：Neurospora crassa，而且Johnson研究組選擇的是一
種光合細(xì)菌：Synechococcus elongatus。在這兩種生物體中，參與生物鐘的蛋白的合成并沒(méi)有出
現(xiàn)偏好密碼子，“我們對(duì)此感到十分奇怪，為何它們?cè)谶M(jìn)化中沒(méi)有選擇這種方式”，Johnson博士
說(shuō)。

為此，研究人員重新編排了DNA相關(guān)排列，構(gòu)建了這兩種物種的新突變型，結(jié)果令他們感到驚訝的
是，他們得到了相反的結(jié)果。

在Neurospora crass中，重新排列能加速生物鐘蛋白的產(chǎn)生，但是不能確保蛋白的穩(wěn)定性，這些蛋
白zui終降解了，劉教授解釋道，這是由于雖然快速生成的蛋白序列沒(méi)有錯(cuò)，但是之后的折疊過(guò)程卻
出現(xiàn)了錯(cuò)誤。

蛋白是由一系列氨基酸組合而成的長(zhǎng)鏈分子，因此能進(jìn)行多種方式的折疊，而這些折疊方式對(duì)于蛋
白功能具有至關(guān)重要的作用，等同于氨基酸序列的影響。劉教授所獲得的發(fā)現(xiàn)其實(shí)并不罕見(jiàn)，如果
蛋白沒(méi)有足夠的時(shí)間緊密折疊，那么就無(wú)法正常運(yùn)作，從而導(dǎo)致生物鐘斷裂。

而之后的Synechococcus的研究結(jié)果卻相反。

研究人員zui初發(fā)現(xiàn)突變型好像能正常工作——突變細(xì)菌能產(chǎn)生更多生物鐘蛋白，其生物循環(huán)也好似
更加穩(wěn)?。ū纫吧透咏?4小時(shí)），但奇怪的是，在溫度約為20°C的時(shí)候，突變型會(huì)生長(zhǎng)的
比野生型慢得多。這一溫度條件下，野生型Synechococcus生物循環(huán)為30個(gè)小時(shí)。

Synechococcus生長(zhǎng)的*溫度為30°C左右，比如夏天淡水環(huán)境，在這一溫度下，光合細(xì)菌的基因
表達(dá)完好，使得其生物鐘能接近于24小時(shí)循環(huán)——太陽(yáng)出來(lái)的12小時(shí)工作，太陽(yáng)落山的12小時(shí)休息
。

但是在較低的溫度下，比如在冬季的幾個(gè)月里，其基因的表達(dá)受到阻礙，生活周期會(huì)延長(zhǎng)到30個(gè)小
時(shí)。

“這30小時(shí)的周期似乎是針對(duì)較低的溫度的一種進(jìn)化適應(yīng)性，”Johnson博士說(shuō)。雖然目前還不清
楚這種適應(yīng)性的進(jìn)化原理，但是研究人員認(rèn)為這可能是由于光照時(shí)間的縮短。因此突變型無(wú)法像野
生型一樣來(lái)適應(yīng)30個(gè)小時(shí)的生活周期。

“更好地了解這種細(xì)菌的生命周期，對(duì)于提高其在生物燃料的生產(chǎn)效率至關(guān)重要，”Johnson博士
說(shuō)。

而這對(duì)于科學(xué)家們來(lái)說(shuō)，也是上了一堂課，這告訴我們，我們的假設(shè)并不是自然進(jìn)化的*選擇。
密碼子的出現(xiàn)，似乎是基因表達(dá)調(diào)控的一個(gè)基本組成部分，而Neurospora和Synechococcus都沒(méi)有
選擇偏好密碼子，這是因?yàn)檫@能令它們更好的適應(yīng)周邊環(huán)境。