北京基因組所等密碼子偏好性研究獲進展

　　在遺傳信息編碼過程中，編碼同一種胺基酸的多個同義密碼子（Synonymous Codons）的使用頻率並不相等，這種現象稱為密碼子使用偏好（Codon Usage Bias，CUB）。密碼子使用偏好在不同物種甚至某一物種內的不同基因都具有特異性，隱藏在這種偏好性背後的是基因與物種長期進化過程中突變、選擇和漂變的綜合作用。密碼子使用偏好與基因表達緊密關聯，通過比較密碼子偏好性差異可以推斷基因是否受到不同程度的翻譯選擇（Translational Selection）。大量研究證實，在同一物種內，高表達水平的基因由於需要提高翻譯準確性及效率而傾向於使用最優密碼子，因此表現出高的密碼子使用偏好性。

　　翻譯選擇的研究主要集中在原核生物以及單細胞真核生物（例如大腸桿菌、酵母）。人的基因組結構極為複雜，使得關於翻譯選擇的相關研究變得非常困難，甚至無法確切判斷是否有翻譯選擇存在。已有研究報導，不改變蛋白質序列，因為翻譯準確性或效率的改變會導致人類疾病，例如囊性纖維化（CF）。基因組水平的大規模SNP篩查顯示大量的同義突變與多種人類疾病存在相關性，但對很多同義突變的具體作用方式了解較少。

　　為更加全面與深入了解密碼子使用偏好性的生物學意義以及基因表達調控的機制與進化，中國科學院北京基因組研究所基因組科學與信息重點實驗室章張研究組與張治華研究組，與沙特阿卜杜拉國王科技大學崔鵬博士、美國麻州總醫院和哈佛醫學院朱江博士，針對人類基因的翻譯選擇這一問題開展合作研究，相關研究成果於2014年7月發表在期刊Biology Direct 上。

　　在北京基因組所高性能計算平臺的有力支撐下，研究發現人類基因中也存在翻譯選擇，但與細菌以及酵母不同的是，翻譯選擇並非僅與表達量密切相關。通過高通量測序數據，研究團隊將人類基因按照表達模式分為三類：組織特異基因（僅在一個組織中表達，Tissue-Specific Genes）、普遍表達但表達水平可變的基因（Expression Variable Genes；EVG）、普遍表達且表達水平相對恆定的基因（ Expression Invariable Genes；EIG）。通過這三類基因的比較分析發現，EIG的表達量與密碼子使用偏好性存在相對較強的相關性，進一步分析顯示這種較強的相關性並非完全與高的表達量相關。通過與tRNA使用頻率的關聯分析，發現EIG對最優密碼子的使用存在明顯偏好。這一研究結果顯示，在大量組織中表達且表達水平相對恆定的EIG基因，受到了明顯的翻譯選擇。與TS和EVG相比，EIG的密碼子使用偏好相對更多來自於翻譯選擇的作用。

　　上述研究揭示了翻譯選擇的普遍性以及作用在不同物種中存在有差異性，為後續從原核生物到真核生物的翻譯選擇作用水平的演化及其機制研究提供了新思路。

　　該研究得到了中國科學院、科技部和國家自然科學基金委的資助。

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密碼子使用偏好性與基因表達的相關性