幾十年來，使用遺傳材料的科學家們已經考慮了一些基本規(guī)則。首先，DNA被轉錄成信使RNA(mRNA)，mRNA被翻譯成蛋白質，這對幾乎所有的生物學功能都是必不可少的。關于該翻譯的中心原則長期以來認為，mRNA中只有少量三字母序列(稱為起始密碼子)可以觸發(fā)蛋白質的產生。但是，在包括國家標準與技術研究院(NIST)科學家在內的團隊最近的測量結果之后，研究人員可能需要重新審視并重寫這一規(guī)則。

該研究結果將于2017年2月21日在NIST和斯坦福大學的一項研究合作中由科學家發(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細胞開始蛋白質合成。之前認為64種可能的三聯(lián)密碼子中只有7種觸發(fā)蛋白質合成。

“可能許多潛在的起始密碼子仍未被發(fā)現，因為沒有人能夠看到它們，”主要作者Ariel Hecht說道，他是生物計量聯(lián)合計劃的團隊成員，該計劃包括NIST和斯坦福。

科學家在20世紀50年代和60年代發(fā)現了許多關于DNA和RNA的初步發(fā)現，包括起始密碼子。從那以后，這些想法已經成為全球教科書中對分子生物學規(guī)則的現代理解。

遺傳密碼通常通過四個字母-A，C，G和T或U-的序列表示，其對應于稱為腺嘌呤，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，在大多數生物中只有少數起始密碼子(具有AUG，GUG和UUG的序列)。起始密碼子很重要，因為它們標志著將RNA翻譯成特定氨基酸串(即蛋白質)的配方的開始。

JIMB團隊認識到，對于密碼子表現的一般理解可能會有一些不妥之處，因為它會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試圖重構病毒phiX174的失敗。重構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胞。

Jaschke用不應該開始翻譯的密碼子(AUA和ACG)取代了幾個基因的起始密碼子。然而，令Jaschke感到意外的是，他仍在檢測那些因移除而應該被沉默的基因的表達。赫克特思索著一個似乎是一個相當天真的問題：Jaschke的實驗結果真的錯了嗎?如果結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?據他們所知，沒有人曾經系統(tǒng)地探討過是否可以從所有64個密碼子中啟動翻譯。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。關于該主題的現有文獻的進一步審查表明答案是否定的。與半世紀前工作的遺傳學家不同，JIMB團隊和其他參與細胞內部運作的團隊現在擁有更強大的工具，包括綠色熒光蛋白(GFP)，一種改編自水母的蛋白質和納米熒光素酶，另一種蛋白質改編自深海蝦。GFP和納米熒光素酶均在細胞內表達時發(fā)光，并在過去十年內進行了優(yōu)化，以產生非常強的信號，可用于深入探測細胞。

“十年前，不存在進行這種測量的工具，”Hecht說。

NIST專注于精確測量過程，并且起始密碼子挑戰(zhàn)證明對JIMB團隊來說是不可抗拒的。該合作成立于2016年，旨在通過匯集來自學術界，政府實驗室和行業(yè)的專家進行集體科學調查，推進生物測量科學和促進發(fā)現過程。

通過使用GFP和納米熒光素酶，該團隊測量了來自所有64個密碼子的細菌大腸桿菌中的翻譯起始。他們能夠從47個密碼子中檢測到蛋白質合成的起始。

對于我們對生物學的理解，這項工作的意義可能非常深刻。

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

JIMB團隊警告說，這篇論文真的只是第一步，目前還不清楚其他有機體的研究將會揭示出來。

“我們需要非常謹慎地從這些發(fā)現中推斷或將其應用于其他生物體而無需進一步深入的研究，”Hecht說。他希望本文能夠鼓勵或激勵其他研究人員探索這個主題，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。“我認為這只是能夠在適當水平上衡量它們的問題。”