進(jìn)化就像是一個(gè)“救世主”,，令生物獲得了優(yōu)化，從而適應(yīng)環(huán)境的變化,，但是在生物學(xué)家們剖析生命的演化歷程的時(shí)候,，總是會(huì)偶然發(fā)現(xiàn)一些無(wú)法解釋，令人迷惑的現(xiàn)象,，而最近發(fā)表的一項(xiàng)新研究成果,，則幫助科學(xué)家們了解了為何自然總是喜歡做一些人類無(wú)法預(yù)測(cè)到的事情。
蛋白質(zhì),，被喻為細(xì)胞機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的齒輪,，是由相同的二十塊稱為氨基酸的積木根據(jù)不同的組合而形成。這些氨基酸根據(jù)來(lái)自機(jī)體DNA的指令,，通過(guò)酶“縫合”在一起,，而DNA序列三個(gè)字母間的組合，也就是密碼子,，能指導(dǎo)酶合成一種氨基酸,，但是由于DNA實(shí)際上有四種這樣的堿基：A，T,，G和C,，因此會(huì)出現(xiàn)64種（4的3次方）組合，這也就給了機(jī)體出現(xiàn)一些錯(cuò)誤的空間——三種不同的密碼子編碼的是相同的氨基酸,。比如說(shuō),，某種生物編碼脯氨酸的是CCA的組合，同時(shí)CCG也可以編碼這種氨基酸,。
其實(shí)這并不奇怪,，事實(shí)證明每一個(gè)生物體都可能在合成某種氨基酸的時(shí)候出現(xiàn)密碼子偏好性，因?yàn)槿绻@種生物體攜帶了這種偏好性密碼子,，那么它的酶就能更快的讀取密碼子,，并合成蛋白。隨著生物體進(jìn)化,，生物學(xué)家認(rèn)為通過(guò)自然選擇,，其DNA會(huì)發(fā)生改變，出現(xiàn)不同于其它個(gè)體的偏好密碼子,。
然而,，大自然偏偏沒(méi)有這樣做,。
在最新出版的Nature雜志上（2月14日），德州大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心的劉一教授領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究組,，與范德堡大學(xué)Carl Johnson領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究組發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)生物體并沒(méi)有選擇特殊蛋白的偏好密碼子,，而當(dāng)研究人員通過(guò)基因遺傳操作迫使這些生物體采用偏好密碼子，他們發(fā)現(xiàn),，修改后的突變型遠(yuǎn)不如野生型的好,。
劉一教授參與了這兩項(xiàng)研究，這位華人學(xué)者主要從事生物晝夜節(jié)律分子機(jī)理與RNAi兩方面的研究,，他曾在Nature封面上發(fā)表文章,，解析其RNA（專訪RNAi前沿科學(xué)家劉一 《Nature》封面文章作者）。
在這項(xiàng)新研究中,，劉一教授選擇了一種真菌：Neurospora crassa,，而且Johnson研究組選擇的是一種光合細(xì)菌：Synechococcus elongatus。在這兩種生物體中,，參與生物鐘的蛋白的合成并沒(méi)有出現(xiàn)偏好密碼子,，“我們對(duì)此感到十分奇怪，為何它們?cè)谶M(jìn)化中沒(méi)有選擇這種方式”,，Johnson博士說(shuō),。
為此，研究人員重新編排了DNA相關(guān)排列,，構(gòu)建了這兩種物種的新突變型,，結(jié)果令他們感到驚訝的是,，他們得到了相反的結(jié)果,。
在Neurospora crass中，重新排列能加速生物鐘蛋白的產(chǎn)生,，但是不能確保蛋白的穩(wěn)定性,，這些蛋白最終降解了，劉教授解釋道,，這是由于雖然快速生成的蛋白序列沒(méi)有錯(cuò),，但是之后的折疊過(guò)程卻出現(xiàn)了錯(cuò)誤。
蛋白是由一系列氨基酸組合而成的長(zhǎng)鏈分子,，因此能進(jìn)行多種方式的折疊,，而這些折疊方式對(duì)于蛋白功能具有至關(guān)重要的作用，等同于氨基酸序列的影響,。劉教授所獲得的發(fā)現(xiàn)其實(shí)并不罕見(jiàn),，如果蛋白沒(méi)有足夠的時(shí)間緊密折疊，那么就無(wú)法正常運(yùn)作,，從而導(dǎo)致生物鐘斷裂,。
而之后的Synechococcus的研究結(jié)果卻相反,。
研究人員最初發(fā)現(xiàn)突變型好像能正常工作——突變細(xì)菌能產(chǎn)生更多生物鐘蛋白，其生物循環(huán)也好似更加穩(wěn)?。ū纫吧透咏?4小時(shí)）,，但奇怪的是，在溫度約為20°C的時(shí)候,，突變型會(huì)生長(zhǎng)的比野生型慢得多,。這一溫度條件下，野生型Synechococcus生物循環(huán)為30個(gè)小時(shí),。
Synechococcus生長(zhǎng)的最佳溫度為30°C左右,，比如夏天淡水環(huán)境，在這一溫度下,，光合細(xì)菌的基因表達(dá)完好,，使得其生物鐘能接近于24小時(shí)循環(huán)——太陽(yáng)出來(lái)的12小時(shí)工作，太陽(yáng)落山的12小時(shí)休息,。
但是在較低的溫度下,，比如在冬季的幾個(gè)月里，其基因的表達(dá)受到阻礙,，生活周期會(huì)延長(zhǎng)到30個(gè)小時(shí),。
“這30小時(shí)的周期似乎是針對(duì)較低的溫度的一種進(jìn)化適應(yīng)性，”Johnson博士說(shuō),。雖然目前還不清楚這種適應(yīng)性的進(jìn)化原理,，但是研究人員認(rèn)為這可能是由于光照時(shí)間的縮短。因此突變型無(wú)法像野生型一樣來(lái)適應(yīng)30個(gè)小時(shí)的生活周期,。
“更好地了解這種細(xì)菌的生命周期,，對(duì)于提高其在生物燃料的生產(chǎn)效率至關(guān)重要，”Johnson博士說(shuō),。
而這對(duì)于科學(xué)家們來(lái)說(shuō),，也是上了一堂課，這告訴我們,，我們的假設(shè)并不是自然進(jìn)化的最優(yōu)選擇,。密碼子的出現(xiàn)，似乎是基因表達(dá)調(diào)控的一個(gè)基本組成部分,，而Neurospora和Synechococcus都沒(méi)有選擇偏好密碼子,，這是因?yàn)檫@能令它們更好的適應(yīng)周邊環(huán)境。（生物谷Bioon.com）
doi:10.1038/nature11942
PMC:
PMID:
Non-optimal codon usage is a mechanism to achieve circadian clock conditionality
Yao Xu, Peijun Ma,，Premal Shah, Antonis Rokas, Yi Liu & Carl Hirschie Johnson
Circadian rhythms are oscillations in biological processes that function as a key adaptation to the daily rhythms of most environments. In the model cyanobacterial circadian clock system, the core oscillator proteins are encoded by the gene cluster kaiABC1. Genes with high expression and functional importance, such as the kai genes, are usually encoded by optimal codons, yet the codon-usage bias of the kaiBC genes is not optimized for translational efficiency. We discovered a relationship between codon usage and a general property of circadian rhythms called conditionality; namely, that endogenous rhythmicity is robustly expressed under some environmental conditions but not others2. Despite the generality of circadian conditionality, however, its molecular basis is unknown for any system. Here we show that in the cyanobacterium Synechococcus elongate, non-optimal codon usage was selected as a post-transcriptional mechanism to switch between circadian and non-circadian regulation of gene expression as an adaptive response to environmental conditions. When the kaiBC sequence was experimentally optimized to enhance expression of the KaiB and KaiC proteins, intrinsic rhythmicity was enhanced at cool temperatures that are experienced by this organism in its natural habitat. However, fitness at those temperatures was highest in cells in which the endogenous rhythms were suppressed at cool temperatures as compared with cells exhibiting high-amplitude rhythmicity. These results indicate natural selection against circadian systems in cyanobacteria that are intrinsically robust at cool temperatures. Modulation of circadian amplitude is therefore crucial to its adaptive significance3. Moreover, these results show the direct effects of codon usage on a complex phenotype and organismal fitness. Our work also challenges the long-standing view of directional selection towards optimal codons4, 5, 6, 7, and provides a key example of natural selection against optimal codons to achieve adaptive responses to environmental changes.
