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Nucleic Acids Res:改写教科书!起始密码子至少有47种!

来源:生物谷 2017-03-10 23:35


图片来自Jeff Glasgow/Ariel Hecht/Kelly Irvine/NIST。

2017年3月10日/生物谷BIOON/---几十年来,研究遗传物质的科学家们将一些基本原则牢记在心。为了发挥作用,DNA先经过转录产生信使RNA(mRNA),然后mRNA经过翻译产生蛋白,这对几乎所有的生物功能都是必需的。基于这种中心法则,人们长期认为在翻译时,mRNA中仅有少量三联密码子能够启动蛋白产生,因此这些三联密码子也被称作起始密码子。但是,在一项新的研究中,来自美国国家标准技术研究所、斯坦福大学和澳大利亚麦考瑞大学的研究人员在开展一系列测量后,提出人们可能需要重新审视和甚至改写这种法则。相关研究结果近期发表在Nucleic Acids Research期刊上,论文标题为“Measurements of translation initiation from all 64 codons in E. coli”。

这项研究证实至少有47种可能的起始密码子都能够指导细胞开始蛋白合成。在此之前,人们认为在64种可能的三联密码子中,仅有7种能够启动蛋白合成,亦即仅有7种起始密码子。

论文第一作者Ariel Hecht说,“很多潜在的起始密码子未被发现的原因很可能是没有人能够观察到它们。”

遗传密码是由四种碱基(A、C、G、T或U)组成的。DNA的分子单元是A(腺嘌呤)、C(胞嘧啶)、G(鸟嘌呤)和T(胸腺嘧啶),而RNA的分子单元是A、C、G和U(尿嘧啶)。50年前,当时最好的研究工具表明在大多数生物中,仅有几种起始密码子,如AUG、GUG和UUG。起始密码子是非常重要的,这是因为它们标志着mRNA翻译的起始位置。

Hecht和他的团队意识到对密码子如何发挥作用的一般理解可能出现差错。令人意外的是,他们是在吃面包和喝咖啡时开始意识到这一点的。当时,Hecht和他的同事Jeff Glasgow、Lukmaan Bawazer和Matt Munson正在讨论同事Paul Jaschke不能成功地重构病毒phiX174的实验。重构(refactoring),也被称作重新编码或重排,用于研究基因组和鉴定必需基因。作为这些实验的一部分,phiX174能够被用来感染大肠杆菌细胞。

Jaschke利用应当不会启动mRNA翻译的密码子(AUA和ACG)替换几种基因中的起始密码子。然而,令Jaschke吃惊的是,他仍然检测到这些基因的表达,而按照之前的观点,由于起始密码子被移除,它们应当不会表达。

Hecht考虑了一个貌似非常幼稚的问题:Jaschke的实验结果真地是错误的吗?这些结果是否表明密码子并不符合传统描述的mRNA翻译起始,相反具有不同的概率启动翻译?据他们所知,没有人系统性地探究mRNA翻译是否能够由所有的64种密码子启动。在此之前,没有人证实过任何一种密码子能够都启动mRNA翻译。

不同于半个世纪前的遗传学家的是,Hecht团队如今在研究细胞的内部工作机制时,能够使用更加强大的工具,包括绿色荧光蛋白(GFP)和纳米荧光素酶(nanoluciferase)。当在细胞内部表达时,GFP和纳米荧光素酶会发光。在经过过去十年的优化后,它们产生非常强的信号,从而能够被用来深入地分析细胞。

通过使用GFP和纳米荧光素酶,Hecht团队在大肠杆菌中测量了64种密码子启动的mRNA翻译。他们能够检测到47种密码子启动蛋白合成。这一发现可能对我们理解生物学特征是非常深远的。

斯坦福大学教授Drew Endy说,“我们想要知道细胞内发生的一切,这样我们才能够充分地在分子水平上理解生命,我们才能够有更好的机会与生物共同繁荣生长。我们原以为我们懂得这些原则,但是结果证实我们还需要在一个全新的水平上了解它们。DNA语法可能远比我们想象中的更加复杂。”

不过,Hecht团队提醒道,这篇论文仅仅是第一步,而且针对其他有机体的研究会揭示出什么仍然是不清楚的。

Hecht说,“在没有进一步开展更加深入的研究的情形下,我们需要对利用这些发现进行推断或将它们应用到其他的有机体中保持非常谨慎的态度。”

Hecht说,“很可能出现的情形是所有的密码子都能够是起始密码子。我认为仅需能够在合适的水平上对它们进行测量。”(生物谷 Bioon.com)

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原始出处:

Ariel Hecht Jeff Glasgow Paul R. Jaschke et al. Measurements of translation initiation from all 64 codons in E. coli. Nucleic Acids Research, Published: 21 February 2017, doi:10.1093/nar/gkx070.

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