重新破解遗传密码–我们可能只有从头开始对表面进行刮擦

研究人员确定了用于将DNA转化为蛋白质的遗传密码的变化。

破解一本生物学教科书，您会发现分子生物学的标准图标：该表概述了标准遗传密码。这是指一组规则，通过该规则，细胞可以“解码” DNA中包含的信息，并将其“翻译”为组成蛋白质的氨基酸。例如，在几乎所有生物中，密码子（3个字母的DNA序列）“ AGA”告诉翻译机器添加氨基酸天冬酰胺。尽管已知各种生物体使用的遗传密码存在一些偏差，但今年早些时候发表在《分子生物学与进化论》以及本期《基因组生物学与进化论》上的研究表明，我们可能只是在表面上摸索了一些。所有活生物体的遗传密码中存在的变异。

在四月份的《分子生物学与进化》杂志上，来自蒙特利尔大学，蒙特利尔科学研究所和麦吉尔大学的包括伊曼纽尔·努塔希（Emmanuel Noutahi），维珍妮·卡德隆（Virginie Calderon），马修·布兰切特（Mathieu Blanchette），纳迪亚·马布鲁克（Nadia El-Mabrouk）和伯恩德·弗朗兹·朗（Bernd Franz Lang）在内的一组研究人员发表了论文。对51种绿藻和陆地植物线粒体基因组的分析（Noutahi等人。2019).该分析依赖于该小组先前开发的生物信息学工具CoreTracker的新扩展版本（Noutahi et al。2017).CoreTracker根据在密切相关物种中通常在该位置发现的氨基酸来识别DNA序列和预期氨基酸之间的差异。使用此工具，Noutahi及其同事确定了14个新的密码子重分配，其中涉及将一种氨基酸替换为另一种氨基酸，其中绝大多数是在一群被称为Sphaeropleales的藻类中发现的。这些藻类具有异常的线粒体基因组结构，似乎位于较大的祖先基因组与某些亲戚的紧密衍生基因组之间。

这组作者说，基因组数据（基因组加上相应的转录组）的快速增长推动了遗传密码进化领域的发展。因此，“ CoreTracker之类的比较/进化生物信息学程序现在不仅可以预测遗传密码的偏离，而且可以提供有关潜在机制的线索。”实际上，根据他们的研究结果，研究人员提出，鳞茎线粒体线粒体的遗传密码变异实际上是导致其异常的基因组组织的原因。基于该理论，在基因组还原过程中一些线粒体基因迁移到核基因组之后，“ UCA”（通常编码氨基酸丝氨酸）被重新分配给终止密码子。这样就不可能将其他线粒体基因转移到细胞核，从而导致线粒体基因组的大小处于中等水平。

在Noutahi等人发表该文章之前，来自俄斯特拉发大学的研究人员David Zihala和Marek Elias还独立地发现了乳草目中遗传密码的大量变化。在Elias的研究小组在多个生物中纯粹偶然发现新的遗传密码之后，Zihala和Elias受到激励，“进行系统的筛选，以寻找可能具有新的遗传密码变体或先前遗漏了标准遗传密码的生物的其他病例。 ”。像Noutahi等人一样，他们的方法包括根据相关基因组中存在的序列鉴定DNA序列和预期氨基酸之间的差异，尽管他们也进行了一定量的手动管理。

该分析发表在本期《基因组生物学与进化》（Zihala和Elias，2019年）上，该研究确定了在Sphaeropleales中还有一些密码子重分配，原因是它们包括了该群体的更广泛的样本。否则，尽管所采用的方法略有不同，但两项研究的结果是完全一致的。除了遗传密码的改变之外，Zihala和Elias还鉴定了线粒体释放因子（一种识别终止密码子的蛋白质）中的突变，据Elias称，“可能与某些鳞翅目线粒体在密码子处终止翻译的引人入胜的能力有关。通常被解读为编码氨基酸的氨基酸。因此，我们为这种异常能力的分子基础提供了第一个特定的假设。”

总体而言，两项研究的结果都表明，有必要对生命之树上的遗传密码差异有更深的认识。否则，从DNA序列推断蛋白质序列时使用不正确的代码可能会导致用于系统发育和分子生物学分析的预测蛋白质序列不准确。此外，根据Noutahi及其同事的说法，“这两个出版物通过使用公开可用的数据（没有进行生化实验，但具有很高的信心）成功地预测了密码子含义的特定变化。”

但是，他们还指出，两项研究本质上都是严格的计算性研究，“这种类型的“纸生化”具有局限性。只能推断出进化上公认的密码子进化实例（即，不包括初始或不完整阶段的案例），尽管可以推断出tRNA组成，结构和特异性的变化，但至关重要的是需要进行生化确认。 Elias也指出了这一局限性，他指出，他的小组计划采用蛋白质组学方法来验证其有关各种可能重新分配的密码子的某些生物信息学预测。“不幸的是，” Elias继续说道，“通常在难以通过直接生化或遗传方法研究的生物中发现非标准的遗传密码，因此，要深入了解所观察到的密码子变化背后的分子机制仍然是一项挑战。意义。”

未来的调查几乎可以肯定会发现各种生物体中遗传密码的其他尚未确定的变化。的确，埃里亚斯（Elias）指出，“我们还在分析某些令人迷惑的原生生物的核基因组中令人兴奋的遗传密码修改新案例，这些案例在我们对公开序列数据的调查中并未发现。”此外，Noutahi等人的著作。研究指出，鉴于“该领域的发展速度之快，由于有关偏离标准遗传密码的报道不断增加，特别是在真核生物及其细胞器中…，了解密码子进化及其所有机制含义的旅程只是开始。”

参考：

Emmanuel Noutahi，Virginie Calderon，Mathieu Blanchette，Nadia El-Mabrouk和Bernd Franz Lang的“绿色藻类线粒体基因组中的快速遗传密码进化”，分子生物学与进化。DOI：
10.1093 / molbev / msz016

DavidŽihala和MarekEliáš的“线粒体遗传密码在绿藻谱系中的进化和史无前例的变体”，2019年10月16日，基因组生物学与进化。DOI：
10.1093 / gbe / evz210