【教學參考】第22種胺基酸的發現

2021-02-13 生物印記
第22種胺基酸的發現

1986年以前,人們一直認為,出現在蛋白質分子中的由遺傳密碼編碼的標準胺基酸只有20種

1986年,科學家們終於在含硒蛋白中發現第二十一種標準胺基酸——含硒半胱氨酸。

時隔16年之後,2012來自俄亥俄州立大學的兩個研究小組報導,他們識別出世界上第22種由遺傳基因編碼的胺基酸,這一生物學發現可與物理學家發現了一個新基本粒子或化學家發現了一種新新基本粒子或化學家發現了一種新元素相媲美。

 兩個研究小組的文章都發表在本期的《科學》雜誌上。此前,科學家們一直認為,蛋白質的基本組成單位——胺基酸,天然形式只有21種。

自破解DNA的雙螺旋結構,揭開三聯體遺傳密碼之謎30年來,科學家們一直認為只存在20種天然胺基酸。然而在1986年,一個研究小組打破了這一數字藩籬,宣布他們發現了第21種胺基酸——硒代半胱氨酸。

硒代半胱氨酸

    而這次第22種胺基酸的發現意味著,利用現代基因組測序技術,可能會有更多的胺基酸浮出水面。

    這一發現來自於對一種特殊類型微生物——產甲烷菌——如何將含甲基化合物轉化為甲烷的基礎生化研究。雖然研究人員早就了解醋酸鹽和二氧化碳轉化成甲烷的生化機制,但他們不知道一種普通化合物——甲胺——究竟是如何轉化成這種氣體的。

    由微生物學副教授Joseph A. Krzycki領導的研究小組對產甲烷菌的一個特殊株系——巴氏甲烷八疊球菌(Methanosarcina barkeri)已進行了幾年的研究。巴氏甲烷八疊球菌是最近識別出的古菌之一,它能夠將一甲銨、二甲甲胺和三甲胺轉化成二氧化碳、甲烷等導致溫室效應的氣體。

    Krzycki的研究小組1995年就已分離出與此過程有關的特異蛋白。兩年後,他們又分離並測序了其中一個有關基因。在接下來的1998年,他們發表文章,宣布該基因一個叫做框內琥珀密碼子(in-frame amber codon)的成分行為異常。

    密碼子是存在於mRNA中的三個相鄰的核苷酸序列,是蛋白質合成中某一特定胺基酸的編碼單位。正常情況下,密碼子會發出開始或結束一種蛋白質合成的信號。但奇怪的是,Krzycki研究小組發現的這個密碼子本應發出停止蛋白質合成的信號,但它卻沒有。

    「Joe和他的同事發現,這一意外事件對於所有三種甲胺化合物都十分重要--這種情況本不該發生。」俄亥俄州立大學的生物化學和化學副教授Michael Chan解釋說。Chan領導的另一研究小組識別並確定了這個胺基酸的結構。

    這個密碼子怪異的行為提示我們可能存在一種新胺基酸,但研究人員知道也存在其它的可能性。Krzycki和他的同事將蛋白質降解為多肽小片段,開始對其進行測序——這一過程最終可以揭示組成蛋白質的胺基酸序列。

    「所有疑點都指向一種正常的胺基酸——賴氨酸。」Chan說。儘管如此,Krzycki仍然要求Chan和他的博士研究生Bing Hao推算含有這種胺基酸的蛋白質的晶體結構。經過兩年的努力,Hao和Chan終於確定了該蛋白質的晶體結構,其中一部分顯示出一種新胺基酸的跡象。

    同時,Krzycki 也在尋找其它的證據。他和他的博士研究生Gayathri Srinivasan和Carey James最終發現了插入這個新胺基酸到蛋白質中所需的特異轉運RNA(tRNA),以及另外一個插入過程必需的酶。這兩個發現,以及蛋白質詳細晶體結構的破譯,證實了兩個研究小組的推測:他們發現了一種新的由遺傳基因編碼的胺基酸——吡咯賴氨酸(pyrrolysine )——這是迄今發現的第22種天然胺基酸。

    「我們意識到我們必需查明究竟是哪個tRNA破譯這個琥珀密碼子。」Krzycki解釋說。「這是揭開謎底的必經之路。」

    他認為,這是一種非常罕見的胺基酸,因而如此之久才被發現。然而,Krzycki 相信這種胺基酸也可能存在於產甲烷菌以外的其它生物體中。他對這項發現的意義有著自己的見解:「吡咯賴氨酸的發現告訴我們,遺傳密碼,以及與此有關的進化的可塑性比我們想像的要強得多。」

    Chan對此表示贊同,他指出,第22種胺基酸的發現極有可能鼓勵研究人員去尋找第23種、第24種胺基酸。「現在已有這麼多研究人員,破譯了這麼多基因組,我們有理由相信有更多的胺基酸等著我們去發現。」

    「我認為,這項工作將促使研究人員重新審視以前發現的那些認為只是簡單異常的遺傳序列。」他說。「由此,他們可能會有和我們一樣的發現。」

    該研究由美國國家科學基金會、國家衛生院、能源部以及Alfred P. Sloan基金會資助。其它參與研究的研究人員還包括Weimin Gong 和Tsuneo Ferguson。

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