Science：宏基因組研究挑戰DNA編碼規則
日期：2014-05-26 09:22:45
人們一直認為DNA編碼的指令是所有生命通用的，例外情況極少。但本期Science雜志上的一項新研究顯示，自然界中的生物又一次打破了既定的規則。
美國能源部聯合基因組研究所的Edward Rubin領導研究團隊，獲得來自1776種環境（包括17個人體區域）的微生物宏基因組數據，以便在其中尋找重編碼事件（對遺傳編碼的解讀不同于絕大多數生物）。
研究團隊專門就終止密碼子（命令蛋白合成停止的遺傳序列）的重編碼進行了分析，尋找那些將終止密碼子當成“前進”信號，還繼續往蛋白上添加氨基酸的事件。他們發現，這樣的事件在環境樣本中大量存在。
這一發現對于合成生物學有著重要的啟示：人們可以利用重編碼讓合成生物抵抗病毒感染，或者阻止合成生物感染計劃以外的宿主。“這項研究向人們展示了遺傳密碼的可變性，”耶魯大學的生物工程師Farren Isaacs說。
從“停”到“行”
研究人員先用傳統的編碼規則預測1kb以上的DNA序列編碼什么樣的蛋白，如果預測的蛋白短得異常，他們就會考慮終止密碼子是不是實際被當成氨基酸用了。結果他們發現重編碼現象廣泛存在，在來自某些環境的樣本中，甚至占到了序列的10%。
研究顯示，人體內的微生物特別容易發生重編碼事件。盡管人體樣本只占總樣本數的10%，但有超過半數的重編碼密碼子來自于人體樣本。
Rubin介紹道，人們曾經在自然界中發現過重編碼現象，但遠沒有達到這樣的水平。這是因為，絕大多數研究都是針對能夠在實驗室里培養的微生物。“當我們將研究范圍擴大，既定的規則就土崩瓦解，”他說。
病毒需要劫持宿主的細胞機器來進行復制。如果病毒和宿主解讀遺傳密碼的方式不同，那它就很難進行感染。重編碼還可以幫助人們阻止人造細菌與天然細菌發生遺傳信息的交換，這一點有望對生物安全產生重大影響，Isaacs說。Isaacs花了六年時間，在大腸桿菌中利用重編碼將一個合成氨基酸整合到它的蛋白中。
然而Rubin的研究顯示，在某些環境中（例如人類口腔）盡管編碼并不兼容，細菌還是會被噬菌體感染。
遺傳學界的大牛George Church并不擔心這個問題，他正在哈佛大學領導一項E. coli的重編碼項目。他認為，人工合成的重編碼生物跳過了進化過程，沒有經歷持續性的進化選擇壓力。在編碼不兼容的情況下，它們不會那么容易受到天然病毒的攻擊。
“如果你趁病毒不注意的時候徹底改變宿主的基因組，”Church說，“對于病毒來說，就會有大量需要同時適應的改變，這遠遠超過了病毒群體的適應能力。”
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