探讨一下酵母中的替代性密码子使用

　　2016年08月21日讯 当重组蛋白表达失败时，科学家可能归咎于错误的序列数据或者工具包出问题了。但是就一种被称作嗜单宁管囊酵母（Pachysolen tannophillus）的子囊菌酵母而言，研究人员鉴定出一个更加基本的问题：正常情形下翻译为亮氨酸的CUG密码子反而会产生丙氨酸。

　　这种替代性编码与酵母中另一种已知的细胞核有义密码子再分配（nuclear sense codon reassignment）独立地发表在两篇论文中：第一篇论文于2016年5月6日在线发表在Genome Research期刊上，论文标题为“A novel nuclear genetic code alteration in yeasts and the evolution of codon reassignment in eukaryotes”；第二篇论文于2016年8月16日在线发表在PNAS期刊上，论文标题为“Comparative genomics of biotechnologically important yeasts”。这两篇论文的作者们注意到他们在嗜单宁管囊酵母中取得的发现可能在涉及这种微生物的某些生物技术应用和利用酵母研究基于RNA的进化中有重大意义。

　　其他已知的替代性有义密码子是20年前首次在白色念珠菌（Candida albicans）中鉴定出的。这也涉及CUG密码子，但是在蛋白表达时产生丝氨酸。

　　葡萄牙阿威罗大学生物医学研究所主任Manuel Santos（未参与这项研究）说，“这种情形在一种不同的微生物中再次发生是出乎意料之外的。”

　　作为一名广泛地研究过CUG-丝氨酸再分配的科学家，Santos告诉《科学家》杂志，尽管编码改变可能最终赋予进化上适者生存的优势，但是这种初始的再分配也会付出极大的代价。将体积大的疏水性亮氨酸替换为丙氨酸或丝氨酸---都是体积小的极性氨基酸---可能会破坏关键性蛋白的结构和功能。鉴于这种变化是翻译水平上发生的，人们需要比较不同物种之间的序列和密码子使用来鉴定出这种隐藏的变化。

　　作为一项大型的系统发育研究的一部分，来自美国能源部联合基因组研究所（Joint Genome Institute, JGI）的研究人员和他们的同事们对来自29种不同酵母的700个直向同源基因（orthologous gene）的预测蛋白进行比对以便鉴定出保守的氨基酸和确定它们来自哪些密码子。

　　研究人员报道，对研究过的大多数物种而言，CUG在70%--86%的时间编码保守性的亮氨酸，但是对嗜单宁管囊酵母而言，这种标准的编码仅在7%的时间发生，相反在25%的时间，它会编码丙氨酸。

　　为了确定哪些氨基酸确实存在于这些蛋白中，第二篇论文第一作者、JGI生物信息学家Robert Riley和同事们提取出来自体外培养的嗜单宁管囊酵母的肽，然后利用液相色谱-质谱联用法（LC-MS）分析它们。他们发现178个鉴定出的肽与含有CUG的编码序列匹配上；它们当中的90%在LC-MS分析时产生指示丙氨酸的谱峰，仅有9%的谱峰指示亮氨酸的存在。当他们利用野生型的或发生CUG替换的潮霉素（hygromycin）耐药性基因转化嗜单宁管囊酵母时，仅携带发生变化的选择基因的那些酵母在含有潮霉素的平板上生长。

　　Riley注意到，在嗜单宁管囊酵母和其他酵母物种（如酿酒酵母）中表达新的蛋白时，密码子优化可能也是需要的。

　　除了它在这方面和其他的生物技术应用上的潜在影响之外，CUG编码丙氨酸可能改变科学家们考虑密码子和tRNA进化的方式。

　　第一篇论文通信作者、德国马克斯普朗克生物物理化学研究所科学家Martin Kollmar说，基于他的团队对60种酵母物种的tRNA进行的结构分析，他认为tRNA突变促进这种密码子再分配。他的团队发现相比于亮氨酸tRNA或丝氨酸tRNA，嗜单宁管囊酵母的CUG tRNA二级结构更加类似于丙氨酸tRNA。Kollmar 说，他的团队发现液相色谱与质谱串联联用（LC-MS/MS）数据表明嗜单宁管囊酵母的CUG tRNA具有高水平的特异性。他和他的同事们鉴定出大约2600个高质量的与含有CUG的编码序列相匹配的肽，并且证实97.2%的CUG tRNA将这个密码子翻译为丙氨酸。当他们对至关重要的起始密码子AUG进行相同的分析后，他们也观察到类似的比例，从而作出结论：CUG tRNA错载丙氨酸的比例是非常小的。

　　在酵母中，替代性密码子使用的潜在原因和影响一直是争论的焦点。与此同时，还有可能发现更多形式的替代性编码。

　　Santos说，“利用正在真菌和其他有机体中开展的基因组测序研究和我们用来对直向同源基因进行比较的计算工具，将会观察到更多的编码变化。”