刘一教授连发两篇Nature 破解生命谜题

生物通,2013-02-19

进化就像是一个“救世主”，令生物获得了优化，从而适应环境的变化，但是在生物学家们剖析生命的演化历程的时候，总是会偶然发现一些无法解释，令人迷惑的现象，而最近发表的一项新研究成果，则帮助科学家们了解了为何自然总是喜欢做一些人类无法预测到的事情。

蛋白质，被喻为细胞机器运转的齿轮，是由相同的二十块称为氨基酸的积木根据不同的组合而形成。这些氨基酸根据来自机体DNA的指令，通过酶“缝合”在一起，而DNA序列三个字母间的组合，也就是密码子，能指导酶合成一种氨基酸，但是由于DNA实际上有四种这样的碱基：A，T，G和C，因此会出现64种（4的3次方）组合，这也就给了机体出现一些错误的空间——三种不同的密码子编码的是相同的氨基酸。比如说，某种生物编码脯氨酸的是CCA的组合，同时CCG也可以编码这种氨基酸。

其实这并不奇怪，事实证明每一个生物体都可能在合成某种氨基酸的时候出现密码子偏好性，因为如果这种生物体携带了这种偏好性密码子，那么它的酶就能更快的读取密码子，并合成蛋白。随着生物体进化，生物学家认为通过自然选择，其DNA会发生改变，出现不同于其它个体的偏好密码子。

然而，大自然偏偏没有这样做。

在最新出版的Nature杂志上（2月14日），德州大学西南医学中心的刘一教授领导的一个研究组，与范德堡大学Carl Johnson领导的一个研究组发现了两个生物体并没有选择特殊蛋白的偏好密码子，而当研究人员通过基因遗传操作迫使这些生物体采用偏好密码子，他们发现，修改后的突变型远不如野生型的好。

刘一教授参与了这两项研究，这位华人学者主要从事生物昼夜节律分子机理与RNAi两方面的研究，他曾在Nature封面上发表文章，解析其RNA（专访RNAi前沿科学家刘一 《Nature》封面文章作者）。

在这项新研究中，刘一教授选择了一种真菌：Neurospora crassa，而且Johnson研究组选择的是一种光合细菌：Synechococcus elongatus。在这两种生物体中，参与生物钟的蛋白的合成并没有出现偏好密码子，“我们对此感到十分奇怪，为何它们在进化中没有选择这种方式”，Johnson博士说。

为此，研究人员重新编排了DNA相关排列，构建了这两种物种的新突变型，结果令他们感到惊讶的是，他们得到了相反的结果。

在Neurospora crass中，重新排列能加速生物钟蛋白的产生，但是不能确保蛋白的稳定性，这些蛋白最终降解了，刘教授解释道，这是由于虽然快速生成的蛋白序列没有错，但是之后的折叠过程却出现了错误。

蛋白是由一系列氨基酸组合而成的长链分子，因此能进行多种方式的折叠，而这些折叠方式对于蛋白功能具有至关重要的作用，等同于氨基酸序列的影响。刘教授所获得的发现其实并不罕见，如果蛋白没有足够的时间紧密折叠，那么就无法正常运作，从而导致生物钟断裂。

而之后的Synechococcus的研究结果却相反。

研究人员最初发现突变型好像能正常工作——突变细菌能产生更多生物钟蛋白，其生物循环也好似更加稳健（比野生型更接近于24小时），但奇怪的是，在温度约为20°C的时候，突变型会生长的比野生型慢得多。这一温度条件下，野生型Synechococcus生物循环为30个小时。

Synechococcus生长的最佳温度为30°C左右，比如夏天淡水环境，在这一温度下，光合细菌的基因表达完好，使得其生物钟能接近于24小时循环——太阳出来的12小时工作，太阳落山的12小时休息。

但是在较低的温度下，比如在冬季的几个月里，其基因的表达受到阻碍，生活周期会延长到30个小时。

“这30小时的周期似乎是针对较低的温度的一种进化适应性，”Johnson博士说。虽然目前还不清楚这种适应性的进化原理，但是研究人员认为这可能是由于光照时间的缩短。因此突变型无法像野生型一样来适应30个小时的生活周期。
“更好地了解这种细菌的生命周期，对于提高其在生物燃料的生产效率至关重要，”Johnson博士说。

而这对于科学家们来说，也是上了一堂课，这告诉我们，我们的假设并不是自然进化的最优选择。密码子的出现，似乎是基因表达调控的一个基本组成部分，而Neurospora和Synechococcus都没有选择偏好密码子，这是因为这能令它们更好的适应周边环境。（生物通：张迪）

论文链接：Non-optimal codon usage is a mechanism to achieve circadian clock conditionality