幾十年來，使用遺傳材料的科學(xué)家們已經(jīng)考慮了一些基本規(guī)則。首先，DNA被轉(zhuǎn)錄成信使RNA(mRNA)，mRNA被翻譯成蛋白質(zhì)，這對(duì)幾乎所有的生物學(xué)功能都是必不可少的。關(guān)于該翻譯的中心原則長(zhǎng)期以來認(rèn)為，mRNA中只有少量三字母序列(稱為起始密碼子)可以觸發(fā)蛋白質(zhì)的產(chǎn)生。但是，在包括國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)科學(xué)家在內(nèi)的團(tuán)隊(duì)最近的測(cè)量結(jié)果之后，研究人員可能需要重新審視并重寫這一規(guī)則。

該研究結(jié)果將于2017年2月21日在NIST和斯坦福大學(xué)的一項(xiàng)研究合作中由科學(xué)家發(fā)表在“ 核酸研究 ”雜志上發(fā)表，證明至少有47種可能的起始密碼子，每種密碼子可以指導(dǎo)細(xì)胞開始蛋白質(zhì)合成。之前認(rèn)為64種可能的三聯(lián)密碼子中只有7種觸發(fā)蛋白質(zhì)合成。

“可能許多潛在的起始密碼子仍未被發(fā)現(xiàn)，因?yàn)闆]有人能夠看到它們，”主要作者Ariel Hecht說道，他是生物計(jì)量聯(lián)合計(jì)劃的團(tuán)隊(duì)成員，該計(jì)劃包括NIST和斯坦福。

科學(xué)家在20世紀(jì)50年代和60年代發(fā)現(xiàn)了許多關(guān)于DNA和RNA的初步發(fā)現(xiàn)，包括起始密碼子。從那以后，這些想法已經(jīng)成為全球教科書中對(duì)分子生物學(xué)規(guī)則的現(xiàn)代理解。

遺傳密碼通常通過四個(gè)字母-A，C，G和T或U-的序列表示，其對(duì)應(yīng)于稱為腺嘌呤，胞嘧啶，鳥嘌呤和胸腺嘧啶(用于DNA代碼)或尿嘧啶(用于RNA代碼)的分子單元。五十年前，最好的研究工具表明，在大多數(shù)生物中只有少數(shù)起始密碼子(具有AUG，GUG和UUG的序列)。起始密碼子很重要，因?yàn)樗鼈儤?biāo)志著將RNA翻譯成特定氨基酸串(即蛋白質(zhì))的配方的開始。

JIMB團(tuán)隊(duì)認(rèn)識(shí)到，對(duì)于密碼子表現(xiàn)的一般理解可能會(huì)有一些不妥之處，因?yàn)樗鼤?huì)在一輪百吉餅和咖啡上意外地開始。Hecht和他的同事Jeff Glasgow，Lukmaan Bawazer和Matt Munson正在討論同事Paul Jaschke試圖重構(gòu)病毒phiX174的失敗。重構(gòu)是一種用于研究基因組和鑒定必需基因的重編碼或重排。作為此類研究的一部分，phiX174可用于感染大腸桿菌細(xì)胞。

Jaschke用不應(yīng)該開始翻譯的密碼子(AUA和ACG)取代了幾個(gè)基因的起始密碼子。然而，令Jaschke感到意外的是，他仍在檢測(cè)那些因移除而應(yīng)該被沉默的基因的表達(dá)。赫克特思索著一個(gè)似乎是一個(gè)相當(dāng)天真的問題：Jaschke的實(shí)驗(yàn)結(jié)果真的錯(cuò)了嗎?如果結(jié)果表明密碼子不符合傳統(tǒng)的開始描述，但是開始翻譯的可能性不同，該怎么辦?據(jù)他們所知，沒有人曾經(jīng)系統(tǒng)地探討過是否可以從所有64個(gè)密碼子中啟動(dòng)翻譯。沒有人證明你不能從任何密碼子開始翻譯。

“我們都集體問自己：有人看過嗎?” 赫克特說。關(guān)于該主題的現(xiàn)有文獻(xiàn)的進(jìn)一步審查表明答案是否定的。與半世紀(jì)前工作的遺傳學(xué)家不同，JIMB團(tuán)隊(duì)和其他參與細(xì)胞內(nèi)部運(yùn)作的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在擁有更強(qiáng)大的工具，包括綠色熒光蛋白(GFP)，一種改編自水母的蛋白質(zhì)和納米熒光素酶，另一種蛋白質(zhì)改編自深海蝦。GFP和納米熒光素酶均在細(xì)胞內(nèi)表達(dá)時(shí)發(fā)光，并在過去十年內(nèi)進(jìn)行了優(yōu)化，以產(chǎn)生非常強(qiáng)的信號(hào)，可用于深入探測(cè)細(xì)胞。

“十年前，不存在進(jìn)行這種測(cè)量的工具，”Hecht說。

NIST專注于精確測(cè)量過程，并且起始密碼子挑戰(zhàn)證明對(duì)JIMB團(tuán)隊(duì)來說是不可抗拒的。該合作成立于2016年，旨在通過匯集來自學(xué)術(shù)界，政府實(shí)驗(yàn)室和行業(yè)的專家進(jìn)行集體科學(xué)調(diào)查，推進(jìn)生物測(cè)量科學(xué)和促進(jìn)發(fā)現(xiàn)過程。

通過使用GFP和納米熒光素酶，該團(tuán)隊(duì)測(cè)量了來自所有64個(gè)密碼子的細(xì)菌大腸桿菌中的翻譯起始。他們能夠從47個(gè)密碼子中檢測(cè)到蛋白質(zhì)合成的起始。

對(duì)于我們對(duì)生物學(xué)的理解，這項(xiàng)工作的意義可能非常深刻。

“我們希望了解細(xì)胞內(nèi)部的一切，以便我們能夠充分了解分子規(guī)模的生活，并有更好的機(jī)會(huì)與生物學(xué)合作共同發(fā)展，”斯坦福大學(xué)教授兼JIMB同事兼顧問Drew Endy說。“我們認(rèn)為我們知道規(guī)則，但事實(shí)證明我們還需要了解其他整個(gè)層面.DNA的語法可能比我們想象的更復(fù)雜。”

JIMB團(tuán)隊(duì)警告說，這篇論文真的只是第一步，目前還不清楚其他有機(jī)體的研究將會(huì)揭示出來。

“我們需要非常謹(jǐn)慎地從這些發(fā)現(xiàn)中推斷或?qū)⑵鋺?yīng)用于其他生物體而無需進(jìn)一步深入的研究，”Hecht說。他希望本文能夠鼓勵(lì)或激勵(lì)其他研究人員探索這個(gè)主題，以尋找更多的答案。

“可能所有密碼子都可能是起始密碼子，”赫克特說。“我認(rèn)為這只是能夠在適當(dāng)水平上衡量它們的問題。”