12 月 28 日消息，科学家发现了一种能打破生物学“遗传密码铁律”的微生物。

长期以来，生物学界普遍认为，遗传密码的解读方式具有高度确定性：DNA 或 RNA 中每一个由三个核苷酸组成的密码子，只对应一种特定的氨基酸（或作为结束蛋白质合成的终止信号）。这一规则被视为生命运行的基本法则之一。

然而，美国加州大学伯克利分校的研究团队近日发现，一种古菌能以两种不同方式解读同一密码子，推翻了屹立 60 年的遗传学说。

这种微生物属于一种产甲烷古菌 ——Methanosarcina acetivorans。

研究显示，这种微生物在翻译遗传信息时，会对一个通常作为终止信号的密码子（UAG）作出不同处理：有时将其识别为终止密码子，停止蛋白质合成；有时则继续翻译，并在该位置加入一种罕见氨基酸，生成更长版本的蛋白质。由此，该生物体内会同时存在同一蛋白的两种形式。

科学家认为，这种遗传密码的“可变性”可能是在进化过程中形成的一种适应策略，以便该生物体能将一种名为吡咯赖氨酸的稀有氨基酸添加到一种酶中，帮助古菌分解甲胺类物质（IT之家注：甲胺广泛存在于自然环境中，也存在于人体肠道）。

模糊性作为一种优势

“客观地说，遗传密码的模糊性应该是有害的；你最终会生成一堆随机蛋白质，”UCB 分子与细胞生物学助理教授、论文通讯作者迪普蒂・纳亚克（Dipti Nayak）表示，“但生物系统比我们想象的要更具模糊性，而这种模糊性实际上是一个特性 —— 不是缺陷。”

食用甲胺的古菌，以及可能也获得此能力的细菌，在人体中扮演着重要角色。在肝脏中，红肉释放的代谢物被转化为氧化三甲胺，这与心血管疾病相关。我们依赖这些微生物在甲胺到达肝脏之前将其清除。

研究人员认为，这一发现对医学研究也具有潜在意义。约 10% 的遗传性疾病（如囊性纤维化和杜氏肌营养不良症）由“提前终止密码子”引发，导致蛋白质无法正常合成。有科学家提出，如果能适度让终止密码子产生一点“渗漏”，或许能让细胞生成足够数量的功能性蛋白，从而缓解疾病症状。

遗传密码

基因组中的 DNA 首先被转录为 RNA，然后该遗传密码被细胞机器读取以生产蛋白质。组成 RNA 的核酸有四种 —— 腺嘌呤（A）、胞嘧啶（C）、鸟嘌呤（G）和尿嘧啶（U）。

在迄今为止研究的大多数生物中，三个核酸组成的密码子要么被分配给一个单一氨基酸，要么分配给一个所谓的终止密码子，后者终止该蛋白质的合成。然而，并非所有生物都以相同方式解码 RNA。一些生物将不同的氨基酸分配给特定的密码子，一些生物体内有超过标准的 20 种氨基酸，且密码子是冗余的 —— 多个密码子可以编码同一种氨基酸。但在整个生命树中，一个统一的原则是每个密码子只有一个含义 —— 没有如果、而且或但是。

“这本质上就像一个密码，”纳亚克说，“你把一种语言的东西翻译成另一种，从核苷酸到氨基酸。”

古菌中的意外发现

科学家很早就知道许多古菌能生产吡咯赖氨酸，这使它们有 21 种而非通常的 20 种氨基酸来制造蛋白质。纳亚克表示，这具有优势。

“一旦你有了一个新的氨基酸，世界就任你探索了，”她说，“你可以开始玩转这个大得多的密码。这就像在字母表中增加了一个字母。”

人们曾认为这些生物仅仅是将 UAG 终止密码子的解读改为了编码吡咯赖氨酸。在这项新研究中，纳亚克和前研究生凯蒂・沙瓦尔詹调查了古菌，并在许多谱系中发现了吡咯赖氨酸的生产。

“我们发现，创造吡咯赖氨酸所需的机器在古菌中广泛存在，尤其是在这些消耗甲基化胺的产甲烷古菌中，”现在劳伦斯利弗莫尔国家实验室的博士后研究员沙瓦尔詹说。

密码中的岔路

然而，她很好奇拥有 21 种而非 20 种氨基酸如何影响这些生物及其生理机能。在研究产甲烷菌生产吡咯赖氨酸的遗传控制时，她注意到 UAG 密码子并不总是被解读为吡咯赖氨酸。

“UAG 密码子就像一个岔路口，它可以被解读为终止密码子，也可以被解读为一个吡咯赖氨酸残基，”沙瓦尔詹说，“我们认为蛋白质主要以其延伸形式还是截短形式存在，可能会为细胞形成一个调控信号。”

纳亚克和沙瓦尔詹寻找了可能影响 UAG 密码子解读的序列或结构依赖信号，但一无所获。

“这些产甲烷菌没有重新编码 UAG，也没有添加任何新因子使其变得确定，”纳亚克说，“它们在决定是将其视为终止信号还是通过添加这个新氨基酸继续前进之间摇摆不定。它们无法决定。它们只是两者都做，而且似乎通过这种随机选择过得很好。”

细胞的平衡术

初步证据表明，细胞中吡咯赖氨酸的供应可能是决定因素。如果它充斥细胞，可能会使 UAG 的解读更偏向于将该氨基酸纳入蛋白质。在这种生物体中，有 200 到 300 个基因含有 UAG 密码子，因此有能力生产含有吡咯赖氨酸的蛋白质。然而，当这种氨基酸很少时，UAG 就被解读为终止密码子，产生另一种可能具有功能也可能没有功能的蛋白质，这取决于具体情况。

“这确实为寻找控制细胞如何解读终止密码子的有趣方法打开了大门，”纳亚克说。

IT之家附论文地址：

https://doi.org/10.1073/pnas.2517473122