解開遺傳密碼的起源之謎

日期：2014-12-23 08:58:20

遺傳密碼是生命的通用語言。它描述了信息如何被編碼進遺傳物質，并且對所有生物（從簡單的細菌到動物到人類）都是相同的。然而，遺傳密碼的起源仍然是個謎。在過去的兩年里，維也納大學和維也納醫科大學Max F. Perutz實驗室(MFPL)的研究小組，發現了幾條令人驚訝的線索，可以幫助解開這個謎。相關研究結果以一系列論文的形式發表，最近一篇論文發表在12月份的《Nucleic Acids Research》雜志。

關于活生物體的所有信息都存儲在它們的基因中。例如，基因編碼我們的身高、眼睛顏色或對不同疾病的易患性。為了讓細胞能夠讀取基因中包含的信息，每個基因首先被復制到一個所謂的信使RNA（mRNA）中，然后其內容被翻譯成蛋白質。mRNAs中的信息是使用一個核酸堿基四字母表進行編碼，蛋白質是使用一個20字母的氨基酸表進行構建。科學家已經在50年前破解了用以將mRNAs翻譯成蛋白質的語言——遺傳密碼。雖然我們現在知道如何讀取核酸堿基組成的單詞，并理解它們代表哪個氨基酸，但是這種通用語言的起源，仍然是神秘的。

來自結合的編碼

一種想法，所謂的立體化學假設，表明遺傳密碼可能是合適的核酸堿基的氨基酸直接結合傾向的一個結果。簡單的說，該假設認為，遺傳密碼（核酸堿基）中的符號，可能直接結合它們所代表的對象（氨基酸）。但是，像這樣的傾向似乎是很弱的，所以很難得到有力的實驗證據支持這一假說。

另一方面，如果著眼于完整的mRNAs及它們編碼的蛋白質，你也許會得到放大的信號——Bojan Žagrović及其同事在過去兩年一直都在探索。該研究小組已經收集證據表明，現代生物的大多數mRNAs確實表現出與它們所編碼蛋白質互補結合的特征。研究人員在15種不同生物的整套蛋白質（完整蛋白質組）中研究了這種關系，涵蓋三種主要的生物。

互補相互作用

使用實驗和計算得出的數據，他們發現，mRNAs中不同核酸堿基的密度分布，非常類似于它們所編碼的蛋白質中這些相同核酸堿基的氨基酸親密度分布。此外，他們發現，遺傳密碼進行了高度最佳化，以最大化這種匹配。重要的是，這不僅表明遺傳密碼確實已經進化為mRNAs和蛋白質之間直接相互作用的一個結果，而且也意味著，在當今的生物體中這種相互作用可能仍然是相關的。后者可能代表一種仍然未知的基因調控層次。

類似于一個餅干模具

Bojan Žagrović解釋說：“想象一下，讓一組朋友烘焙一種圣誕樹形狀的餅干。如果樹的外觀和形狀是以書面形式向他們解釋，那么所作出的餅干沒有完全一模一樣的。但是，如果給他們一種圣誕樹形狀的餅干模具，那么所作出的餅干圣誕樹都將是相同的：關于餅干形狀的信息，被忠實地編碼入其模具的互補形狀中。我們的研究結果表明，遺傳密碼可能有一個簡單的開始，其中蛋白質序列的信息被儲存在互補的mRNAs序列中。有可能，我們的分析實際上揭示了當今生物分子中這樣一個舊時代的痕跡。”

原始事件的回聲仍然引起今天的共鳴？

雖然大多數的mRNAs堿基核酸被證明直接偏愛它們所編碼的氨基酸，只有一個——腺嘌呤，表現出相反的行為。這可能表明，為了調節和削這種弱結合，腺嘌呤在其發育第二階段就進入遺傳密碼。科學家們現在正尋找實驗證據來支持這些說法，但是他們也正在進一步分析mRNA-蛋白直接相互作用在當今生物學中可能發揮的作用。Bojan Žagrović說：“mRNAs及其同源蛋白質比鄰存在的最明顯的一個過程是——翻譯。例如，新合成的蛋白質，通過競相與翻譯機制結合，抑制其自身mRNA的翻譯。我們會繼續研究，是否我們的結果與今天細胞中的這種調節過程確實有關聯。如果原始事件的回聲在當今生物學領域內仍然引起共鳴，這將是非常有趣的。”