這是一個基于古細菌,、細菌和真核生物基因組tRNA組成的系統(tǒng)樹(Credit: Image: Eva Novoa (IRB Barcelona))
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近日，來自國外的一項研究解釋了不同物種之間基因組的趨異進化（divergent evolution）,，酶功能以及基因組組成之間的關系重新闡釋了眾多基因之間的進化以及結構,，并且解釋了古細菌、細菌和真核生物之間的不同,。地球上所有活的有機體可以被分為三大塊,，古細菌、細菌和真核生物,，早在生命建立初期,，30億年之前，每一個組的基因組都已經朝著特殊的結構來變化,，并且趨向于分離,。
研究中，科學家分析了來自三大塊超過500個物種的轉移RNA（tRNA）的分布以及豐度,，研究者們發(fā)現(xiàn)其基因組的結構更適合于某些酶的活性,，這在細菌和真核生物中表現(xiàn)并不一樣，而且在古細菌中完全不存在,。這些酶的活性可以修飾tRNAs,，并且允許其識別三個不同的密碼子，細菌和真核生物的酶活性并不相同,，這就解釋了為什么細菌,、真核生物以及古細菌的基因組以及基因組成會出現(xiàn)分叉，這項發(fā)現(xiàn)讓我們更好地理解了基因組結構以及各自基因的蛋白質合成的速度,，因此,，就像研究者Ribas de Pouplana解釋說，基因密碼子的豐度可以通過修飾tRNAs來進行閱讀,，并且具有高的表達水平,，我們的發(fā)現(xiàn)對于理解蛋白質翻譯機器如何來工作以及解釋為什么每一個物種的基因組都有特異的密碼子組成提供了一定的理論基礎。
研究者的研究發(fā)現(xiàn)為很多應用技術鋪好了路,，其中一項就是生物技術,，這種修飾關聯(lián)度的發(fā)現(xiàn)將會允許蛋白質工業(yè)生產中的技術改進。文章的第一作者Eva Novoa表示,，我們現(xiàn)在又另外一種優(yōu)化蛋白質合成技術的一些參數(shù),，比如說,，單組分人胰島素注射液是在細菌中人工操作來生產的，但是如果考慮到生產過程中的酶活性的話,，將會使得注射液產品的產量明顯增加,。當然了，我們的研究發(fā)現(xiàn)也可以癌癥研究相關,，有可能這種酶的修飾在某些種類癌癥中是過度表現(xiàn)的,，事實上這也符合邏輯,，因為癌癥細胞在產生蛋白質上是高效的,。
研究者的研究成果刊登在了近日的國際著名雜志Cell上，文章闡釋了有機體如何以不同的方式來變異進而達到更好的適應以及最大化的優(yōu)化其蛋白質翻譯效率的,。研究者還表示,，我們并不知道為什么這些酶可以在細菌和真核生物中表現(xiàn)出差異，但是事實上,，這對于兩個種類之間基因組的分離非常重要,，遺傳密碼子是相同的，但是在不同密碼子之間什么改變了卻顯得尤為重要,，這將會最終造成不同基因組之間出現(xiàn)分化,。（生物谷：T.Shen編譯）
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doi:10.1016/j.cell.2012.01.0502
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A Role for tRNA Modifications in Genome Structure and Codon Usage
Eva Maria Novoa, Mariana Pavon-Eternod, Tao Pan, Lluís Ribas de Pouplana
Transfer RNA (tRNA) gene content is a differentiating feature of genomes that contributes to the efficiency of the translational apparatus, but the principles shaping tRNA gene copy number and codon composition are poorly understood. Here, we report that the emergence of two specific tRNA modifications shaped the structure and composition of all extant genomes. Through the analysis of more than 500 genomes, we identify two kingdom-specific tRNA modifications as major contributors that separated archaeal, bacterial, and eukaryal genomes in terms of their tRNA gene composition. We show that, contrary to prior observations, genomic codon usage and tRNA gene frequencies correlate in all kingdoms if these two modifications are taken into account and that presence or absence of these modifications explains patterns of gene expression observed in previous studies. Finally, we experimentally demonstrate that human gene expression levels correlate well with genomic codon composition if these identified modifications are considered.
