DNA 最引人注目的特性之一是它的精確性。細胞將遺傳指令讀取為一組稱為密碼子的三個字母。每個密碼子對應一個特定的胺基酸。這些氨基酸以預定的順序連接在一起形成蛋白質。這些都是執行生命大部分重要功能的分子
加州大學柏克萊分校的研究人員發現了一些微生物，它們違反了這項長期接受的規則。他們的發現顯示至少有一種微生物可以容忍其遺傳密碼的模糊性。這推翻了生物學的關鍵假設。
這種生物是古細菌中產生甲烷的一種微生物。它專門處理三字母序列。這基本上是一個終止密碼子，以兩種不同的方式標記蛋白質的末端。有時細胞會停止製造蛋白質。有時它會插入氨基酸並繼續。這會產生來自相同遺傳順序的兩種不同蛋白質。儘管解釋存在一定的靈活性，但微生物醋酸甲烷八疊球菌似乎功能正常。這表明生活可以用稍微不精確的程式碼來工作。
科學家認為，這種模糊性可能已經進化到允許生物體將一種稱為吡咯賴氨酸的稀有氨基酸插入到分解甲胺的酶中。它是一種常見於環境和人類腸道中的化合物。
「理想情況下，這將是一個好主意，」加州大學柏克萊分校分子和細胞生物學助理教授迪普蒂·納亞克（Dipti Nayak）說，他也是該雜誌上發表的一篇描述研究結果的論文的資深作者。遺傳密碼的模糊性被認為是危險的。因為最終你會隨機產生一組蛋白質。 」 美國國家科學院院刊“但是生物系統比我們想像的更加模糊。這種模糊性確實是一個特徵。這不是一個缺陷。”
為什麼甲胺代謝很重要？
使用甲胺的古細菌共有一些可能獲得相同能力的細菌。它對人類健康起著重要作用。當人們吃紅肉時，肝臟會將某些副產物轉化為三甲胺 N-氧化物，這是一種與心血管疾病相關的化合物。在甲胺到達肝臟之前清除甲胺的微生物有助於限制這種潛在有害分子的產生。
這些發現也提出了新的醫療策略的可能性。一些遺傳性疾病是由關鍵基因中的過早終止密碼子引起的。這導致蛋白質變得不完整並且無法發揮作用。這些病症約佔遺傳性疾病的 10%。這些包括囊性纖維化和杜氏肌肉營養不良症。研究人員推測，使終止密碼子稍微「洩漏」可能會讓細胞產生足夠的全長蛋白質來緩解症狀。
遺傳密碼通常如何運作？
儲存在DNA中的遺傳訊息首先被複製到RNA中。細胞機器讀取 RNA 來組裝蛋白質。在迄今為止研究的幾乎所有生物中，RNA 由四個化學字母組成：腺嘌呤 (A)、胞嘧啶 (C)、鳥嘌呤 (G) 和尿嘧啶 (U)。每個三字母代碼標識一個特定的胺基酸或表示蛋白質的末端。翻譯系統嚴格遵循這種一對一的關係。
一生都會有變化。有些生物體將不同的胺基酸分配給某些密碼子。有些物種使用20多個標準胺基酸，多個密碼子可以對應同一個胺基酸。即便如此，傳統上每個程式碼都被理解為只有一個意義。
「它基本上就像一個代碼，」納亞克說。 “你正在用一種語言將某些東西翻譯成另一種語言。核苷酸就是氨基酸。”
許多年前，科學家就知道許多古細菌都可以產生吡咯賴氨酸。透過提供它們 21 種氨基酸（而不是通常的 20 種），額外的構建模組可以擴展它們的生化能力。
「現在你有了一種新的氨基酸。世界都是你的牡蠣，」她說。 “你可以開始使用更大的代碼。這就像在字母表中再添加一個字母。”
研究人員推測，生物體只是重新分配了 UAG 終止密碼子來代表吡咯賴氨酸。
終止密碼子有兩個意義。
在這項新研究中，Nayak 和前研究生 Katie Shalvarjian 研究了各種古細菌物種，發現許多譜係都產生焦賴氨酸。
「我們發現，製造焦賴氨酸所需的機制在古細菌中廣泛存在。在使用甲基化胺的含甲烷古細菌中尤其如此，」現為勞倫斯利弗莫爾國家實驗室博士後研究員的 Shalvarjian 說。
她想了解攜帶 21 種氨基酸（而不是 20 種）如何影響這些生物。同時研究產甲烷菌如何調節焦賴氨酸的產生。她注意到一些意想不到的事情：UAG 代碼並不總是翻譯為吡咯賴氨酸 (Pyl)。
「UAG 代碼就像岔路口。這可以解釋為停止代碼或焦賴氨酸殘留物，」Chalvajian 說。 “我們認為這種蛋白質主要以拉長或截短的形式存在嗎？它可能會觸發細胞的控制信號。”
研究人員尋找可能決定如何解釋 UAG 的特定序列或結構訊號，但沒有發現明確的觸發因素。
「Methanogen 不會編碼任何新的 UAG，也不會添加任何新的因素以使其具有確定性，」Nayak 說。 “他們在是否應該停止這樣做之間來回猶豫。還是我們應該繼續添加這種新的氨基酸？他們無法決定。他們只是兩者兼而有之，而且他們似乎對這種隨機選擇感到滿意。”
初步證據顯示細胞內吡咯賴氨酸的存在可能會影響結果。當存在更多氨基酸時，UAG 往往會被解讀為焦賴氨酸，並且蛋白質會繼續生長。當焦賴氨酸低時，相同的密碼子充當停止信號。這種生物體有 200 到 300 個含有 UAG 的基因，這意味著許多蛋白質可以根據細胞狀況以兩種形式產生。
Nayak 說：“這為尋找有趣的方法來控制細胞如何解釋停止代碼打開了大門。”
該研究得到了塞爾學者計劃、玫瑰山創新者資助、貝克曼青年研究員獎、阿爾弗雷德·P·斯隆研究獎學金、西蒙斯基金會海洋微生物生態學和進化獎早期職業研究員以及帕卡德科學與工程獎學金的支持。納亞克也是一名偵探。陳-祖克柏生物中心 – 舊金山
其他合著者包括加州大學柏克萊分校的 Grayson Chadwick 和 Paloma Pérez，以及加州理工學院的 Philip Woods 和 Victoria Orphan。
