生物鐘通過(guò)協(xié)調(diào)發(fā)生在24個(gè)小時(shí)周期內(nèi)的具有晝夜循環(huán)的基因表達(dá)從而在生理學(xué)過(guò)程中控制每日的振蕩。兩項(xiàng)研究如今顯示,，在真菌粗糙脈孢菌和藍(lán)藻聚球藻中,，基因編碼的生理節(jié)奏機(jī)制的核心組件表現(xiàn)出了一種不是最佳的密碼子偏倚，并且這是對(duì)于保持一種適當(dāng)?shù)纳砉?jié)奏的適應(yīng),。
被豐富的tRNA（所謂最優(yōu)密碼子）解碼的密碼子在高度表達(dá)的基因中被過(guò)度表達(dá),，這被預(yù)測(cè)可以確保mRNA的快速和準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)化，以實(shí)現(xiàn)高水平的蛋白質(zhì)生,。研究小組開(kāi)始在生物鐘基因中評(píng)估密碼子的使用偏倚,，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)粗糙脈孢菌frq和聚球藻kaiB及kaiC（這對(duì)于各自生物體中的生物鐘功能而言是必不可少的）展示出了非最佳的密碼子使用。
為了評(píng)估密碼子最佳化對(duì)粗糙脈孢菌生物鐘功能的影響,，周等人構(gòu)建了兩個(gè)frq變異型：在第一個(gè)中,，最佳密碼子被用來(lái)替代了所有氨基末端編碼frq末端（m-frq結(jié)構(gòu)）的非最優(yōu)密碼子，而在第二個(gè)中,，這一區(qū)域中的所有密碼子都是最優(yōu)化的（f-frq結(jié)構(gòu)）,。與野生型相比,，F(xiàn)RQ水平在m-frq和f-frq菌株中都被增強(qiáng)了，但蛋白質(zhì)的節(jié)奏表達(dá)卻被削弱了,。更進(jìn)一步的分析表明,，密碼子最佳化版本的FRQ是過(guò)度磷酸化的，并且它們對(duì)于凍融循環(huán)和胰蛋白酶消化表現(xiàn)出了高度的敏感性,，所有這些意味著蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)中存在著擾動(dòng),。作者推斷，這些擾動(dòng)是由于更快的密碼子最優(yōu)化frq mRNA的轉(zhuǎn)化導(dǎo)致的錯(cuò)誤的蛋白質(zhì)聯(lián)合轉(zhuǎn)化折疊所致,。與這種假設(shè)相一致的是,，與25攝氏度相比，由f-frq菌株在18攝氏度產(chǎn)生的FRQ變異型對(duì)于凍融循環(huán)和胰蛋白酶消化更為耐受,，這大概因?yàn)檗D(zhuǎn)化的整體效率在較低的溫度下被減少了,。
在第二項(xiàng)研究中，許等人發(fā)現(xiàn),，聚球藻kaiB及kaiC的密碼子最優(yōu)化同時(shí)導(dǎo)致了編碼蛋白質(zhì)水平的增加,；然而，這并沒(méi)有消除它們的節(jié)奏表達(dá),。事實(shí)上,，攜帶了這些基因的密碼子最優(yōu)化版本的菌株（optKaiB和optKaiBC菌株）竟然具有一個(gè)比野生型更為強(qiáng)壯的生物鐘，并且它們?cè)谳^低的溫度時(shí)（18攝氏度到23攝氏度）最為強(qiáng)壯,，這是這種淡水細(xì)菌在自然環(huán)境中有可能遇到的情況,。
那么為什么kaiB和kaiC沒(méi)有進(jìn)化出最優(yōu)化的密碼子呢？許等人在一系列溫度下比較了野生型細(xì)菌與optKaiBC菌株的生長(zhǎng)速度,。他們發(fā)現(xiàn),，盡管在最佳生長(zhǎng)溫度30攝氏度時(shí)，optKaiBC菌株比野生型菌株長(zhǎng)得要略快一些,，但密碼子最優(yōu)化菌株在18攝氏度以及20攝氏度時(shí)表現(xiàn)出了嚴(yán)重的生長(zhǎng)損傷,。這意味著在更冷的溫度下，強(qiáng)壯的生理節(jié)奏是一個(gè)不利條件,。在這樣的低溫下,，聚球藻的生理節(jié)奏能夠擴(kuò)展至30多個(gè)小時(shí)，這被預(yù)計(jì)將破壞基因表達(dá)的正確時(shí)間,。因此,，非最優(yōu)化密碼子使用的偏倚可能作為一種機(jī)制被進(jìn)化出來(lái)，即“適應(yīng)”生物鐘以便使其在節(jié)奏基因表達(dá)可能受損的某種環(huán)境條件下變?nèi)酢?/p>
總而言之,，這兩項(xiàng)研究揭示了細(xì)菌和真菌都利用非最優(yōu)化密碼子偏倚作為一種策略來(lái)控制生理節(jié)奏,，但每種生物體的結(jié)果卻是不同的。在粗糙脈孢菌中，非最優(yōu)化密碼子使用似乎確保了轉(zhuǎn)化慢得足以產(chǎn)生正確折疊的生物節(jié)奏蛋白質(zhì),，而在聚球藻中,，它使得生物體能夠適應(yīng)不同環(huán)境狀況下的生理節(jié)奏調(diào)整的強(qiáng)度。最終,，這些數(shù)據(jù)凸顯了密碼子使用在蛋白質(zhì)表達(dá),、結(jié)構(gòu)和功能調(diào)整中的一般重要性。（生物谷Bioon.com）
doi:10.1038/nrmicro2996
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Microbial physiology: Optimal codons break the clock's rhythm
Christina Tobin Kåhrström
Circadian clocks control daily oscillations in physiological processes by coordinating gene expression with the light–dark cycle that occurs over a 24-hour period. Two studies now reveal that in the fungus Neurospora crassa and in the cyanobacterium Synechococcus elongatus, genes encoding central components of the circadian machinery display a non-optimal codon bias, and that this is an adaptation to maintain an appropriate circadian rhythm
