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美国院士挑战DNA编码规则

来源/作者:genelibs   发表时间:2016-04-05 11:00:49  
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  2016年3月16日在化学领域顶级期刊《Angewandte Chemie International Ed》发表的一项研究中,来自美国能源部联合基因组研究所(DOEJGI)和耶鲁大学的研究人员发现,微生物可识别一个以上的硒代半胱氨酸的密码子。

 

A、C、G和T——代表四个化学碱基,存储着DNA中的信息。一系列这样的四个碱基,以一种特定的顺序进行重复,定义了一个有机体。在更短的基因组序列中,三字母的密码子代表着20种经常使用的氨基酸当中的一个,64个三字母密码子中有三个终止密码子。这些氨基酸是执行许多功能的蛋白质的构建模块。例如,丙氨酸可以由三字母的密码子GCU表示,半胱氨酸可由三字母的密码子UGU表示。在一些生物中,三字母的密码子UGA,通常表示一个蛋白编码基因的末端,被用来编码一种罕见的基因编码氨基酸,称为硒代半胱氨酸。

2016年3月16日在化学领域顶级期刊《Angewandte Chemie International Ed》发表的一项研究中,来自美国能源部联合基因组研究所(DOEJGI)和耶鲁大学的研究人员发现,微生物可识别一个以上的硒代半胱氨酸的密码子。这项结果为最近的一些研究(表明一个生物体的遗传词汇并不像普遍认为的那样受限制),增加了可信度。

这项工作是2014年两项研究的后续研究,JGI研究小组2014年在Science发表的一篇论文发现,一些生物将终止翻译的这三个“终止”密码子,理解成没有任何含义(Science:宏基因组研究挑战DNA编码规则;“再编码”广泛存在于自然界)。同年耶鲁大学研究小组发表在《Angewandte Chemie International Ed》的一项合成生物学实验,揭示了令人吃惊的事实:大肠杆菌中几乎所有的密码子可能被硒代半胱氨酸所取代。这提出了质疑:是否同样的现象也发生在自然界?

这项最新研究是在美国科学院院士、耶鲁大学分子生物物理学和生物化学教授Dieter Soll的带领下完成的,Dieter Soll教授是蛋白质生物合成研究领域的领导者,致力于翻译机器的功能基因组学研究,迄今已在Nature和Science上发表多篇研究论文。他指出:“我们可以使用JGI的巨大资源,这让我们能够快速检测研究项目中所产生的假设。”因此,产生了富有成效的合作;联合小组扫描了国家生物技术信息中心和DOE JGI整合微生物基因组(IMG)数据管理系统中的公共微生物基因组和未装配宏基因组数据的几万亿个碱基对,以寻找细菌和噬菌体中的终止密码子再分配。通过深入研究来自不可培养的微生物的基因组数据,研究人员能够有机会,更多地了解微生物在其自然环境中表现如何,进而为我们管理帮助维持地球的各种生物地球化学循环,提供了信息。

根据大约6.4万亿个宏基因组序列和微生物基因组的碱基,该研究小组发现,除了10个有义密码子之外,还有几个能够识别终止密码子UAG和UAA的物种,作为硒代半胱氨酸密码子UGA的可接受变体。

该研究小组报道称,这些研究结果,打开了我们的思路,可能还存在的其他编码方案。总的来说,我们的方法提供了新的证据表明,遗传密码具有有限、但明确的可塑性,它们的秘密仍然隐藏在大多数未测序的生物中。

这一发现也说明了遗传密码的背景依赖性,它们准确地“阅读”代码(并解释DNA序列),和最终“书写”DNA(在生物能源或环境科学中,合成序列执行定义的功能),这需要超越初级课程的水平来研究DNA的语言。

推荐原文摘要:
Facile Recoding of Selenocysteine in Nature
Abstract: Selenocysteine (Sec or U) is encoded by UGA, a stop codon reassigned by a Sec-specific elongation factor and a distinctive RNA structure. To discover possible code variations in extant organisms we analyzed 6.4 trillion base pairs of metagenomic sequences and 24 903 microbial genomes for tRNASec species. As expected, UGA is the predominant Sec codon in use. We also found tRNASec species that recognize the stop codons UAG and UAA, and ten sense codons. Selenoprotein synthesis programmed by UAG in Geodermatophilus and Blastococcus, and by the Cys codon UGU in Aeromonas salmonicida was confirmed by metabolic labeling with 75Se or mass spectrometry. Other tRNASec species with different anticodons enabled E. coli to synthesize active formate dehydrogenase H, a selenoenzyme. This illustrates the ease by which the genetic code may evolve new coding schemes, possibly aiding organisms to adapt to changing environments, and show the genetic code is much more flexible than previously thought.

 

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