Science:宏基因組研究挑戰DNA編碼規則

2020-11-23 生物谷

人們一直認為 DNA 編碼的指令是所有生命通用的,例外情況極少。但一項刊登在《科學》雜誌上的最新研究發現,自然界中的生物又一次打破了既定的規則。

美國能源部聯合基因組研究所的 Edward Rubin 領導研究團隊,獲得來自 1776 種環境(包括 17 個人體區域)的微生物宏基因組數據,以便在其中尋找重編碼事件(對遺傳編碼的解讀不同於絕大多數生物)。

研究團隊專門就終止密碼子(命令蛋白合成停止的遺傳序列)的重編碼進行了分析,尋找那些將終止密碼子當成「前進」信號,還繼續往蛋白上添加胺基酸的事件。他們發現,這樣的事件在環境樣本中大量存在。

這一發現對於合成生物學有著重要的啟示:人們可以利用重編碼讓合成生物抵抗病毒感染,或者阻止合成生物感染計劃以外的宿主。「這項研究向人們展示了遺傳密碼的可變性,」耶魯大學的生物工程師 Farren Isaacs 說。

從「停」到「行」

研究人員先用傳統的編碼規則預測 1kb 以上的 DNA 序列編碼什麼樣的蛋白,如果預測的蛋白短得異常,他們就會考慮終止密碼子是不是實際被當成胺基酸用了。結果他們發現重編碼現象廣泛存在,在來自某些環境的樣本中,甚至佔到了序列的 10%。

研究顯示,人體內的微生物特別容易發生重編碼事件。儘管人體樣本只佔總樣本數的 10%,但有超過半數的重編碼密碼子來自於人體樣本。

Rubin 介紹道,人們曾經在自然界中發現過重編碼現象,但遠沒有達到這樣的水平。這是因為,絕大多數研究都是針對能夠在實驗室裡培養的微生物。「當我們將研究範圍擴大,既定的規則就土崩瓦解,」他說。

病毒需要劫持宿主的細胞機器來進行複製。如果病毒和宿主解讀遺傳密碼的方式不同,那它就很難進行感染。重編碼還可以幫助人們阻止人造細菌與天然細菌發生遺傳信息的交換,這一點有望對生物安全產生重大影響, Isaacs 說。 Isaacs 花了六年時間,在大腸桿菌中利用重編碼將一個合成胺基酸整合到它的蛋白中。

然而 Rubin 的研究顯示,在某些環境中(例如人類口腔)儘管編碼並不兼容,細菌還是會被噬菌體感染。

哈佛大學遺傳學大牛 George Church 並不擔心這個問題,他正領導一項 E. coli 的重編碼項目。Church 認為,人工合成的重編碼生物跳過了進化過程,沒有經歷持續性的進化選擇壓力。在編碼不兼容的情況下,它們不會那麼容易受到天然病毒的攻擊。他表示:「如果你趁病毒不注意的時候徹底改變宿主的基因組。對於病毒來說,就會有大量需要同時適應的改變,這遠遠超過了病毒群體的適應能力。」(生物谷Bioon.com)

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