人類擁有六種形式的蛋白質(zhì)肌動(dòng)蛋白，它們?cè)隗w內(nèi)發(fā)揮重要作用。兩個(gè)特別是β-肌動(dòng)蛋白和γ-肌動(dòng)蛋白幾乎相同，僅相差四個(gè)氨基酸。然而，這些近雙胞胎蛋白質(zhì)發(fā)揮著不同的作用。對(duì)于生物學(xué)家來(lái)說(shuō)，一個(gè)長(zhǎng)期存在的問(wèn)題是，這怎么可能?

賓夕法尼亞大學(xué)獸醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)教授安娜卡西娜說(shuō)：“過(guò)去40年來(lái)，這一問(wèn)題一直在爭(zhēng)論中。”Kashina及其同事的新發(fā)現(xiàn)指出了一個(gè)令人驚訝的答案。這些蛋白質(zhì)的不同功能不是由它們的氨基酸序列決定，而是由它們的遺傳密碼決定。

“我們喜歡把它稱為'無(wú)聲代碼'，”Kashina說(shuō)。“我們的研究結(jié)果表明，我們認(rèn)為是沉默的基因部分實(shí)際上編碼了非常關(guān)鍵的功能信息。”

研究人員發(fā)現(xiàn)核苷酸序列中的這些“沉默”差異似乎影響核糖體的密度，核糖體是將RNA轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)的分子機(jī)器。這種差異可以使每種肌動(dòng)蛋白形式在細(xì)胞中發(fā)揮不同的作用。

Kashina合著的作品，發(fā)表在雜志上網(wǎng)上生活，與賓州獸醫(yī)的帕Vedula，黑坂聰，尼古拉·阿德里安·列伊，李俊玲汪，斯蒂芬妮英鎊和大衛(wèi)董和健康的尤里一狼全國(guó)學(xué)院和斯韋特蘭娜A. Shabalina。

肌動(dòng)蛋白是如此普遍和必不可少，它被稱為“管家蛋白”。它是大多數(shù)細(xì)胞中最豐富的蛋白質(zhì)，其不同形式在細(xì)胞遷移，肌肉收縮和發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮作用。有一段時(shí)間，科學(xué)家認(rèn)為不同的形式在功能上是多余的，只有在一種形式有缺陷的情況下才能作為備用。

最近，研究人員逐漸認(rèn)識(shí)到形式并不是多余的;一些定位于細(xì)胞的不同部分，一些被整合到細(xì)胞骨架的不同部分。當(dāng)這些蛋白質(zhì)被篡改時(shí)，結(jié)果也不同。

例如，當(dāng)缺乏β-肌動(dòng)蛋白時(shí)，小鼠在胚胎發(fā)育的早期階段死亡。但缺乏γ-肌動(dòng)蛋白的小鼠，雖然通常比正常小和耳聾，但可以存活到成年期。

在2010年的“科學(xué)”雜志上，Kashina的小組邁出了一步，希望了解決定這些差異的因素。觀察通常僅存在于β-肌動(dòng)蛋白中的蛋白質(zhì)修飾，他們發(fā)現(xiàn)它不存在于γ-肌動(dòng)蛋白上的原因是由于兩個(gè)肌動(dòng)蛋白基因之間編碼序列的變化。

“我們希望以此為基礎(chǔ)，”Kashina說(shuō)，“并決定檢驗(yàn)這一假設(shè)，'如果它們的功能差異與它們的氨基酸序列無(wú)關(guān)怎么辦?如果它們都在基因中怎么辦?'”

研究人員利用CRISPR / Cas-9系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的精確基因編輯。雖然兩種肌動(dòng)蛋白同種型僅相差四個(gè)氨基酸，但它們的mRNA編碼序列相差近13%，因?yàn)?ldquo;沉默”的核苷酸差異仍然編碼相同的氨基酸。只改變β-肌動(dòng)蛋白基因中的5個(gè)核苷酸，它們能夠轉(zhuǎn)化它，使其氨基酸輸出與γ-肌動(dòng)蛋白蛋白完全相同。所有能夠區(qū)分它的都是沉默的核苷酸取代。

基因編輯工作。具有這些編輯的小鼠沒(méi)有β-肌動(dòng)蛋白。但與真正的β-肌動(dòng)蛋白敲除不同，它們是完全健康和可行的，就像它們具有β-肌動(dòng)蛋白和γ-肌動(dòng)蛋白的適當(dāng)比例一樣。他們幸存下來(lái)，繁殖并平均與正常動(dòng)物相同的產(chǎn)仔數(shù)。

研究人員進(jìn)行了相同的實(shí)驗(yàn)，編輯γ-肌動(dòng)蛋白基因以編碼β-肌動(dòng)蛋白，但只能改變四種氨基酸中三種的編碼序列。盡管缺乏γ-肌動(dòng)蛋白，但受這種部分替代的小鼠仍顯得正常和健康。

在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，Kashina的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)由編輯的β-肌動(dòng)蛋白基因制成的γ-肌動(dòng)蛋白蛋白形成正常的細(xì)胞骨架，使細(xì)胞能夠以正常方式遷移。

“如果只有核苷酸序列對(duì)蛋白質(zhì)功能很重要，那么小鼠就不應(yīng)該關(guān)心它們含有什么蛋白質(zhì)，”Kashina說(shuō)。“老鼠不在乎。”

研究人員發(fā)現(xiàn)DNA序列如何影響蛋白質(zhì)功能的機(jī)制，發(fā)現(xiàn)β-肌動(dòng)蛋白R(shí)NA上的核糖體密度比γ-肌動(dòng)蛋白R(shí)NA高出一千多倍，實(shí)際上所有六種肌動(dòng)蛋白基因在核糖體密度上都存在差異。

“這表明β-肌動(dòng)蛋白可能轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)，可能比γ-肌動(dòng)蛋白快一千倍，”Kashina說(shuō)。

并且對(duì)這種現(xiàn)象的普遍程度感到好奇，研究人員尋找具有幾乎相同成員的蛋白質(zhì)家族，這些成員由不同的基因編碼，并且在整個(gè)家族中核糖體密度存在顯著差異。他們發(fā)現(xiàn)許多小組在小鼠，斑馬魚(yú)和人類基因組中共享。

“我們認(rèn)為這種功能性調(diào)節(jié)形式是一種全球性現(xiàn)象，”Kashina說(shuō)，而且她的實(shí)驗(yàn)室將繼續(xù)調(diào)查。