3月27日，國際著名期刊eLIFE（IF:7.725）正式發表云南大學生命科學研究中心黨云琨研究員課題組與得克薩斯大學西南醫學中心Yi Liu教授課題組合作完成的成果。該成果揭示了密碼子的成因。黨云琨與得克薩斯大學西南醫學中心Zhipeng Zhou博士為共同第一作者，黨云琨與得克薩斯大學西南醫學中心Yi Liu教授為共同通訊作者。本研究得到云南大學楊崇林實驗室和張建實驗室的大力支持。

大多數氨基酸由2-6個同義密碼子編碼而成，但在生物體內這些同義密碼子的使用頻率并不相同，此現象稱為密碼子偏好性。密碼子偏好性在已知所有物種中都存在，但不同物種內同義密碼子第3位的偏好性由很大不同，如酵母、線蟲等物種內偏好使用AU，而小鼠、人等則偏好使用GC。過去的研究表明密碼子偏好性不但可以影響蛋白質翻譯的速度和折疊，還可以影響mRNA轉錄水平。但密碼子的偏好性究竟是如何形成的？它究竟受到了什么選擇壓力的影響？

粗糙脈胞菌是研究生物節律和密碼子偏好性的一個重要研究材料。粗糙脈孢菌與人和小鼠相似，其同義密碼子的第3位傾向于使用G/C。在實驗中研究人員偶然發現，將控制生物節律的鐘擺基因frq的密碼子替換為稀有密碼子（即第3位全部為A/U）會導致FRQ蛋白無法產生，從而導致生物節律的消失。進一步研究發現frq基因的轉錄起始并沒有受到顯著影響，而是由于稀有密碼子組成了轉錄的終止信號（ signals，簡稱PAS）而導致轉錄提前終止。由于轉錄終止信號通常是富含AU，這暗示著在進化過程中，同義密碼子的選擇可能受到了轉錄終止機制的影響。

轉錄終止最顯著的序列特征是位于切割位點上游-30至-10、富含AU的6個堿基（如AAUAAA）。另外，位于切割位點附近富含U或GU的序列對于切割效率也有很大影響。為在基因組水平了解轉錄終止信號與密碼子偏好性的關系，研究人員利用2P-seq測定了粗糙脈胞菌全基因的轉錄終止狀況。發現絕大多數轉錄都終止于3’UTR，但仍有很多發生于閱讀框（ORF）內的轉錄終止。3’UTR的終止信號與閱讀框（ORF）內的終止信號有著非常相似的序列模式，表明ORF內的轉錄終止也是由相同的機制引起，但后者序列模式更為松散，與觀測到的ORF內轉錄終止的效率較差的情況相符。一個重要的發現是，ORF內的轉錄終止頻率與密碼子偏好性呈現顯著負相關，表明稀有密碼子，尤其是多個稀有密碼子聚集后容易形成PAS，從而導致發生閱讀框內的終止。哺乳動物與粗糙脈孢菌有相似的密碼子偏好性。為了進一步證明這一現象是否在哺乳動物中存在，研究人員也分析了小鼠C2C12細胞系內全基因組的轉錄終止情況，并得到了與粗糙脈孢菌一致的結果。這些結果揭示了轉錄終止機制與同義密碼子的選擇之間存在著共進化的模式，從而導致同義密碼子的第三位向GC偏移，以避免轉錄提前終止而影響基因表達。

生命科學研究中心 供稿