允許細(xì)胞存儲(chǔ)生命必需信息的遺傳密碼是眾所周知的。四個(gè)核苷酸，縮寫(xiě)為A，C，G和T，拼寫(xiě)出編碼所有蛋白質(zhì)細(xì)胞所需的DNA序列。麻省理工學(xué)院的研究人員現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)了另一層控制，可以幫助細(xì)胞在緊急情況下迅速轉(zhuǎn)移資源。許多細(xì)菌，包括導(dǎo)致結(jié)核病的菌株，使用這種策略進(jìn)入休眠狀態(tài)，使其在缺乏氧氣或營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的惡劣環(huán)境中存活。對(duì)于肺結(jié)核，肺部感染可持續(xù)數(shù)年，最終“重新覺(jué)醒”并再次引發(fā)疾病。

麻省理工學(xué)院生物工程學(xué)院的Underwood-Prescott教授Peter Dedon說(shuō)：“這項(xiàng)研究所做的是揭示一種細(xì)菌用來(lái)關(guān)閉自己并在受到壓力時(shí)進(jìn)入其中一種持續(xù)狀態(tài)的系統(tǒng)。”Dedon和他的同事們研究了一種叫做牛分枝桿菌的細(xì)菌，這是一種可以導(dǎo)致人類??結(jié)核病的細(xì)菌菌株之一。該菌株比較致命的結(jié)核分枝桿菌引起更輕微的疾病，并且在一些國(guó)家用于接種結(jié)核病疫苗。

針對(duì)這種新發(fā)現(xiàn)的遺傳控制系統(tǒng)，可以幫助科學(xué)家開(kāi)發(fā)出抗結(jié)核病和其他疾病的新抗生素，Dedon說(shuō)，他是11月11日出版的“ 自然通訊 ” 雜志上一篇論文的高級(jí)作者。新加坡 - 麻省理工學(xué)院研究與技術(shù)聯(lián)盟(SMART)的博士后Yok Hian Chionh是該論文的第一作者。

快速反應(yīng)

Dedon及其同事之前已經(jīng)證明輻射或有毒化學(xué)物質(zhì)等應(yīng)激會(huì)激發(fā)酵母細(xì)胞打開(kāi)一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)化學(xué)修飾來(lái)轉(zhuǎn)移RNA(tRNA)，從而將細(xì)胞的蛋白質(zhì)構(gòu)建機(jī)器從常規(guī)活動(dòng)轉(zhuǎn)移到緊急行動(dòng)。

在這項(xiàng)新研究中，研究人員深入研究了這種轉(zhuǎn)換如何影響tRNA和信使RNA(mRNA)之間的相互作用，這些信號(hào)攜帶了從細(xì)胞核到稱為核糖體的細(xì)胞結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)構(gòu)建指令。mRNA中的遺傳密碼在核糖體上被“讀取”為一系列稱為密碼子的三字母序列，每個(gè)密碼子都需要特定的氨基酸(蛋白質(zhì)的構(gòu)建塊)。

那些氨基酸通過(guò)tRNA遞送至核糖體。與其他類型的RNA一樣，tRNA由四個(gè)主要核糖核苷-A，G，C和U的序列組成。(RNA中的U代替DNA中的T.)每個(gè)tRNA分子都有一個(gè)與mRNA密碼子匹配的反密碼子，確保將正確的氨基酸插入蛋白質(zhì)序列中。然而，許多氨基酸可由不止一個(gè)密碼子編碼。例如，氨基酸蘇氨酸可以由ACU，ACC，ACA或ACG編碼?？偟膩?lái)說(shuō)，遺傳密碼具有61個(gè)密碼子，其僅對(duì)應(yīng)于20 個(gè)氨基酸。

一旦制造出tRNA分子，就可以通過(guò)幾十種不同的化學(xué)修飾來(lái)改變它。據(jù)信這些修飾會(huì)影響tRNA反密碼子與核糖體上mRNA密碼子的結(jié)合程度。

在這項(xiàng)研究中，Dedon及其同事發(fā)現(xiàn)，當(dāng)細(xì)菌被剝奪氧氣并停止生長(zhǎng)時(shí)，某些tRNA修飾會(huì)顯著增加。

在ACG蘇氨酸反密碼子上發(fā)現(xiàn)了其中一種修飾，因此研究人員分析了牛分枝桿菌的整個(gè)基因組，尋找與其他蘇氨酸密碼子相比含有高百分比的ACG密碼子的基因。他們發(fā)現(xiàn)具有高水平ACG的基因包括稱為DosR調(diào)節(jié)子的家族，其由48個(gè)基因組成，這些基因是細(xì)胞停止生長(zhǎng)并在休眠狀態(tài)下存活所需的。

When oxygen is lacking, these bacterial cells begin churning out large quantities of the DosR regulon proteins, while production of proteins from genes containing one of the other codons for threonine drops. The DosR regulon proteins guide the cell into a dormancy-like state by shutting down cell metabolism and halting cell division.

“作者提出了一個(gè)令人印象深刻的例子，即轉(zhuǎn)移RNA的新興深層生物學(xué)，它將所有生物體中的遺傳密碼翻譯成蛋白質(zhì)，”斯克里普斯研究所細(xì)胞和分子生物學(xué)教授Paul Schimmel說(shuō)。沒(méi)有參與這項(xiàng)研究。“幾十年來(lái)，這種眾所周知的功能被簡(jiǎn)單，直接地看待。它們提供了一個(gè)強(qiáng)大而全面的分析，以顯示這種翻譯功能有更深層次的層次和層次。”

“替代遺傳密碼”

研究人員還表明，當(dāng)他們將不同的蘇氨酸密碼子交換到通常發(fā)現(xiàn)ACG的基因組位置時(shí)，當(dāng)氧氣水平降低時(shí)，細(xì)菌細(xì)胞未能進(jìn)入休眠狀態(tài)。因?yàn)橹圃爝@種tRNA修飾開(kāi)關(guān)對(duì)細(xì)菌細(xì)胞應(yīng)對(duì)壓力的能力至關(guān)重要，負(fù)責(zé)這種轉(zhuǎn)換的酶可以成為新抗生素的良好靶點(diǎn)，Dedon說(shuō)。

Dedon懷疑其他基因家族，例如那些需要應(yīng)對(duì)饑餓或產(chǎn)生耐藥性的基因，可能會(huì)通過(guò)其他tRNA修飾以類似的方式進(jìn)行調(diào)控。

他說(shuō)：“它確實(shí)是一種替代遺傳密碼，其中任何需要改變細(xì)胞表型的基因家族都富含特定密碼子”，這些密碼子與特定的修飾tRNA相對(duì)應(yīng)。

研究人員還在其他物種中看到了這種現(xiàn)象，包括引起瘧疾的寄生蟲(chóng)，現(xiàn)在他們正在人類中研究它。