生物進化并沒有特殊的偏好密碼子

【資料簡介】

生物進化并沒有特殊的偏好密碼子
進化就像是一個“救世主”，令生物獲得了優化，從而適應環境的變化，但是在生物學家們剖析生
命的演化歷程的時候，總是會偶然發現一些無法解釋，令人迷惑的現象，而zui近發表的一項新研究
成果，則幫助科學家們了解了為何自然總是喜歡做一些人類無法預測到的事情。

蛋白質，被喻為細胞機器運轉的齒輪，是由相同的二十塊稱為氨基酸的積木根據不同的組合而形成
。這些氨基酸根據來自機體DNA的指令，通過酶“縫合”在一起，而DNA序列三個字母間的組合，也
就是密碼子，能指導酶合成一種氨基酸，但是由于DNA實際上有四種這樣的堿基：A，T，G和C，因
此會出現64種（4的3次方）組合，這也就給了機體出現一些錯誤的空間——三種不同的密碼子編碼
的是相同的氨基酸。比如說，某種生物編碼*的是CCA的組合，同時CCG也可以編碼這種氨基酸
。

其實這并不奇怪，事實證明每一個生物體都可能在合成某種氨基酸的時候出現密碼子偏好性，因為
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
生物體進化，生物學家認為通過自然選擇，其DNA會發生改變，出現不同于其它個體的偏好密碼子
。

然而，大自然偏偏沒有這樣做。

在出版的Nature雜志上（2月14日），德州大學西南醫學中心的劉一教授領導的一個研究組，
與范德堡大學Carl Johnson領導的一個研究組發現了兩個生物體并沒有選擇特殊蛋白的偏好密碼子
，而當研究人員通過基因遺傳操作迫使這些生物體采用偏好密碼子，他們發現，修改后的突變型遠
不如野生型的好。

劉一教授參與了這兩項研究，這位華人學者主要從事生物晝夜節律分子機理與RNAi兩方面的研究，
他曾在Nature封面上發表文章，解析其RNA（專訪RNAi前沿科學家劉一 《Nature》封面文章作者）
。

在這項新研究中，劉一教授選擇了一種真菌：Neurospora crassa，而且Johnson研究組選擇的是一
種光合細菌：Synechococcus elongatus。在這兩種生物體中，參與生物鐘的蛋白的合成并沒有出
現偏好密碼子，“我們對此感到十分奇怪，為何它們在進化中沒有選擇這種方式”，Johnson博士
說。

為此，研究人員重新編排了DNA相關排列，構建了這兩種物種的新突變型，結果令他們感到驚訝的
是，他們得到了相反的結果。

在Neurospora crass中，重新排列能加速生物鐘蛋白的產生，但是不能確保蛋白的穩定性，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有錯，但是之后的折疊過程卻
出現了錯誤。

蛋白是由一系列氨基酸組合而成的長鏈分子，因此能進行多種方式的折疊，而這些折疊方式對于蛋
白功能具有至關重要的作用，等同于氨基酸序列的影響。劉教授所獲得的發現其實并不罕見，如果
蛋白沒有足夠的時間緊密折疊，那么就無法正常運作，從而導致生物鐘斷裂。

而之后的Synechococcus的研究結果卻相反。

研究人員zui初發現突變型好像能正常工作——突變細菌能產生更多生物鐘蛋白，其生物循環也好似
更加穩健（比野生型更接近于24小時），但奇怪的是，在溫度約為20°C的時候，突變型會生長的
比野生型慢得多。這一溫度條件下，野生型Synechococcus生物循環為30個小時。

Synechococcus生長的*溫度為30°C左右，比如夏天淡水環境，在這一溫度下，光合細菌的基因
表達完好，使得其生物鐘能接近于24小時循環——太陽出來的12小時工作，太陽落山的12小時休息
。

但是在較低的溫度下，比如在冬季的幾個月里，其基因的表達受到阻礙，生活周期會延長到30個小
時。

“這30小時的周期似乎是針對較低的溫度的一種進化適應性，”Johnson博士說。雖然目前還不清
楚這種適應性的進化原理，但是研究人員認為這可能是由于光照時間的縮短。因此突變型無法像野
生型一樣來適應30個小時的生活周期。

“更好地了解這種細菌的生命周期，對于提高其在生物燃料的生產效率至關重要，”Johnson博士
說。

而這對于科學家們來說，也是上了一堂課，這告訴我們，我們的假設并不是自然進化的*選擇。
密碼子的出現，似乎是基因表達調控的一個基本組成部分，而Neurospora和Synechococcus都沒有
選擇偏好密碼子，這是因為這能令它們更好的適應周邊環境。