遗传学史上最伟大的发现(科学家解开遗传密码进化的谜题)

遗传学史上最伟大的发现(科学家解开遗传密码进化的谜题)(1)

大自然是不断进化的——其极限仅取决于威胁物种生存能力的变异。研究遗传密码的起源和发展,对于解释生命的进化非常重要。最近在《Science Advances》发表的一项研究中,专门从事这一领域的一组生物学家,解释了遗传密码进一步发展的一个限制,我们知道,遗传密码是一套通用的规则,地球上所有生物都用其,将核酸(DNA和RNA)基因序列翻译成氨基酸序列,组成蛋白质,执行细胞功能。

在生物医学研究所(IRB巴塞罗那)ICREA研究员Lluís Ribas de Pouplana和基因组调控中心的Fyodor A. Kondrashov的共同指导下,该科学家小组已经证明,遗传密码进化到包括最多20种氨基酸,它无法进一步增长,是因为转移RNA分子的功能性限制——转移RNA这种分子是基因及其编码蛋白之间的语言翻译器。这会使发生30亿多年前的生命复杂性的增加停止,在细菌、真核生物和古细菌类独立进化之前,因为所有生物都使用相同的遗传密码,用遗传信息生成蛋白质。

这项研究的作者解释说,将基因翻译成蛋白质的机器,无法识别超过20种氨基酸,因为这会使它们迷惑,导致蛋白质不断突变,从而引起基因信息的错误翻译,产生“灾难性的后果”。 研究人员说:“基于遗传密码的蛋白质合成是生物学系统的决定性特征,对于确保信息的忠实翻译,是至关重要的。”

由形状引起的一个限制

遗传密码的饱和,起源于转移RNA(tRNA),这种分子负责识别遗传信息,并将相应的氨基酸携带到核糖体——在那里,根据编码在给定基因中的信息,氨基酸链被制成蛋白质。然而,tRNAs必须符合核糖体的腔洞,意味着这些分子必须采用一种L型的空间,在它们之间很少有变异的可能性。Ribas解释道: “因为新的氨基酸会给系统带来益处,事实上,我们使用超过20种氨基酸,但更多的氨基酸是通过不连接到遗传密码的、非常复杂的通路被合并进来。当大自然无法创建明显不同于现有tRNAs的新tRNAs、而不引起正确氨基酸识别的问题时,问题来了。这发生在20种氨基酸被延伸时。”

在合成生物学中的应用

合成生物学的一个目标是,增加遗传密码,并修改它来构建具有不同氨基酸的蛋白质,以实现新的功能。为此,研究人员在严格控制的条件下,使用生物(如细菌)来制造具有指定特征的蛋白质。研究人员总结道:“但这是非常难做的,我们的工作表明,如果我们要实现更有效的生物技术系统,就必须避免实验室合成的tRNAs和现有tRNAs之间的识别冲突。”

遗传密码是生命的通用语言。它描述了信息如何被编码进遗传物质,并且对所有生物(从简单的细菌到动物到人类)都是相同的。遗传密码的起源一直是个谜。在过去的两年里,维也纳的研究人员发现了几条令人惊讶的线索,可以帮助解开这个谜。相关研究结果以一系列论文的形式发表,最近一篇论文发表在2014年12月份的《Nucleic Acids Research》杂志(解开遗传密码的起源之谜 )。

2014年6月,日本RIKEN、东京大学等机构的科学家们在Nature杂志上发表文章,描述了一个确保tRNA合成酶、tRNA和氨基酸正确配对的巧妙机制。正是在这种机制的保驾护航之下,细胞才能够将遗传密码精确翻译成为细胞所需的功能性蛋白(Nature:深入第二套遗传密码)。

另外,凯斯西储大学的科学家们发现,在谈及信使RNA(mRNA)如何解译遗传密码中的关键信息时速度很重要。遗传密码是对维持生命至关重要的一连串复杂的指令。发表在2015年3月12日《细胞》(Cell)杂志上的研究结果,为科学家们确定如何更好地操控细胞来治疗疾病,并最终阻止疾病形成,提供了重要的新信息(Cell揭示遗传密码中的隐秘信息)。

(生物通:王英)

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