Science重要論文：揭示隱藏的遺傳密碼

　　科學家們常常試圖通過重編程細菌來生成蛋白質藥物，生物燃料及更多的東西，為了讓這些細菌聽從指令他們一直在付出極大的努力。一個隱藏的遺傳密碼特征有可能讓細菌遵循這一程序。這一特征控制了細菌能生成多少想要的蛋白質。來自哈佛大學Wyss生物啟發工程研究所的一個研究小組將這一研究成果在線發表在9月26日的《科學》(Science)雜志上。

　　這些研究成果有可能讓生物技術人員獲益，并有可能幫助合成生物學家重編程細菌從而生產出新藥以及生物設備。

　　通過將高速的“新一代”DNA測序與DNA合成技術相結合，Wyss研究所研究人員Sri Kosuri博士，Wyss研究所核心成員和哈佛醫學院遺傳學教授George Church博士，以及Wyss研究所研究生Daniel Goodman，發現利用靠近基因起始位點附近的較罕見的密碼子可為蛋白質生成清除路障。

　　Kosuri說：“現在我們了解了罕見密碼子控制基因表達的機制，就可以更好地預知如何能夠合成出能在細胞中生成酶、藥物或任何你想要的東西的基因。”

　　為了合成出一種蛋白質，細胞必須首先要生成編碼這一蛋白質的信使RNA (mRNA)，mRNA是由一連串特定的密碼子構成。每個密碼子代表了20種不同氨基酸其中的一種，細胞利用這些氨基酸來組裝蛋白質。然而由于細胞有61 種密碼子，但它們僅代表20種氨基酸，許多的密碼子是代表相同氨基酸的同義密碼子。

　　就如同在書籍中，一些詞匯相比于另一些使用更為頻繁，細菌中的密碼子也是如此。在過去的幾年里分子生物學家注意到一些罕見密碼子更頻繁地出現在靠近基因起始位點。更重要的是，開放序列中這些罕見密碼子越多的基因，相比于開放序列中沒有這些罕見密碼子的基因生成的蛋白質也更多。

　　沒有人知道為什么罕見密碼子會造成這樣的影響，而許多的生物學家懷疑它們的功能是作為構建蛋白質的分子機器——核糖體的一條高速公路駛入坡道。根據這一密碼子坡道假說，核糖體等待于駛入坡道上，隨后沿著mRNA高速公路緩慢加速，使得細胞按謹慎的速度生成蛋白質。沒有這一駛入坡道，核糖體會沿著 mRNA高速公路向下加大油門，隨后像碰碰車一樣發生碰撞，引起交通事故減慢蛋白質生成。其他的生物學家則懷疑罕見密碼子是通過不同的機制來起作用。這些機制中包括mRNA折疊，有可能生成了核糖體路障阻塞高速公路減慢蛋白質生成。

　　為了驗證這些想法是否正確，三名研究人員開發出了一種高速多路操作方法，他們將這種方法報告在今年8月的《美國科學院院刊》(PNAS)雜志上。

　　首先，他們通過大量生成具有常見或稀有密碼子的14,000個DNA片段，檢測了罕見密碼子激活基因的情況;將它們接合到靠近一個可讓細胞發綠光的基因的起始位點，隨后把這些融合基因分別插入到不同的細菌中。他們培養這些細菌，根據它們的發光強度對它們進行分選，并對這些片段進行了測序來尋找罕見密碼子。

　　他們發現，開放序列中具有罕見密碼子的基因總是生成更多的蛋白質，而一個密碼子改變就可以促使細胞的蛋白質生成量提高60倍。

　　“這對細胞來說是一件大事，尤其是如果你想要產出大量你正在制造的蛋白質，”Goodman說。

　　這些結果也與密碼子坡道假說一致：是罕見密碼子自身，而非折疊mRNA減慢了蛋白質生成。但研究人員也發現，mRNA折疊越多，對應生成的蛋白質就越少——這一結果則不利于這一假說。

　　為了采用一種確定的測試方法來驗證這一假說，Wyss研究小組生成并對超過14,000個mRNAs進行了測試，其中一些具有罕見密碼子但沒有很好地折疊，而另一些沒有罕見密碼子但折疊極好。通過快速檢測每個mRNA的蛋白質生成及對結果進行統計分析，他們能夠區分兩種效應。

　　Goodman說，結果清楚地表明，是RNA折疊而非罕見密碼子自身控制了蛋白質生成，科學家們可通過改變折疊來提高蛋白質生成。

　　這一新方法有可能幫助解答分子生物學中其他棘手的爭論。“將高通量合成與新一代測序相結合，使得我們能夠解答從前無法梳理分析的大型復雜問題，”Church說。

　　Wyss 研究所創立人及主任Don Ingber 博士說：“這些關于密碼子利用的研究發現有可能幫助科學家已從所未有的精確性操控細菌，它們還為大大提高微生物生產效率提供了一條途徑，有可能具有極大的商業價值。并且它們還強調了George領導的合成生物學平臺生成的新自動化技術難以置信的重要價值，使得我們能夠比以往更迅速地合成和分析基因。”