遗传密码子及其应用

作为生命信息的基本遗传单位,基因组遗传密码的破译对于人们加深对生命本质的认识具有重要的理论价值和现实意义.目前,遗传密码子的研究重心已由遗传密码子的破译及反常密码子的发现转入到遗传密码子的起源与进化及扩张等研究.遗传密码子的起源与进化是当今基因组学研究的热点命题之一,相关的学说、假设层出不穷,但尚未取得实质性突破.另一方面,无义密码子的再定义及遗传密码的扩张等研究却极大的丰富和发展了遗传密码子的科学内涵,推动了生命科学研究的发展.文章综述了遗传密码子的多态性、起源与进化、无义密码子的再定义及遗传密码的扩张等方面的研究进展,并就其应用价值作了评述,期待为其在基因组学、医学等相关领域的应用研究提供参考.     

第22种氨基酸和无义密码子的重新诠释

遗传密码字典的破译,通用性作为遗传密码的基本特点之一被人们认可.近年来的研究发现了一些例外.除线粒体使用一组密码子其含义有别于核基因之外,原先被认为仅用作终止信号的无义密码子在某些情况下可重新诠释,编码特定的氨基酸.在揭示了硒代半胱氨酸由UGA编码后,最近的研究表明,在某些古细菌和真细菌中,无义密码子UAG可重新诠释,编码组成蛋白质的第22种天然氨基酸——吡咯赖氨酸.     

遗传密码子的起源——从能量转化到信息化

大自然将奥秘或法则隐匿于一套密码之中,藉此创作出数以千万计的物种,之后又将其销毁,周而复始,生生不息……虽然遗传密码子的破译已过去了半个多世纪,但对它的起源人们依然一无所知,有人甚至宣称这是不可知的,还有一些人则认为它源自外来的设计。生命/遗传密码子的起源被誉为现代生命科学的最大谜团之一,但它却关乎人们对生命本质与演化的认知。关于遗传密码子的起源,已提出了各式各样的假说,如凝固事件假说、立体化学假说、共进化假说、综合进化假说,等等。但这些假说有两个致命缺陷:首先,没有哪一个能解释为何遗传密码子要如此演化;其次,都未从生化系统演化的视角来予以解释(部分与整体的关系)。近年,虽然对密码子变异或可塑性及其与氨基酸分配的关系等研究很多,但在密码子起源方面几乎没有取得实质性进展。本文从密码子与生化系统的内在关联之中探寻它们可能的协同演化机理,认为遗传密码是原始细胞从能量转化到信息化演化过程的产物,而三磷酸腺苷(ATP)扮演了最重要的角色。本文提出的"ATP中心假说"认为,ATP既是能量的载体,也是信息的载体,在核酸和蛋白质之间搭起了桥梁,是遗传密码子出现的始作俑者:(a)ATP是光能转化成化学能的终端;(b)导演了一系列的生化循环(如卡尔文循环、糖酵解和三羧酸循环等)及令人眼花缭乱的元素重组;(c)它通过自身的转化与缩合将错综复杂的生命过程信息化——筛选出用4种碱基编码20多种氨基酸的三联体密码子系统(43=64,还有相当大的编码冗余),精巧地构建了一套遗传信息的保存、复制、转录和翻译以及多肽链的生产体系;(d)演绎出蛋白质与核酸互为因果的反馈体系,并在个体生存的方向性筛选中,构筑了对细胞内成百上千种同步发生的生化反应进行秩序化管控(自组织)的复杂体系与规则,最终建立起个性生命的同质化传递机制——遗传。当然,未来还需要更多的实验证据来验证这一假说。     

密码子

遗传学上把决定氨基酸的不同碱基排列顺序,叫做遗传密码。而密码子是指mRNA上决定一个氨基酸的3个相邻的碱基,即三联体密码予。1密码子的发现和破译最早提出遗传密码这一名词的是量子力学奠基人之一,奥地利物理学家施勒丁格（E．Schrodinser,1944）。第一个提出遗传密码具体设想的是美国物理学家G．Gamov,他通过推算提出了三联体密码子的概念,并且进一步推论一种氨基酸可能不止有一个密码子。克里克（Crick）、布伦纳（S．Brenner）等人以T。噬菌体作为主要研究材料,证实了三联体密码子决定20种不同的氨基酸。第一个用实验破译…     

比较基因组学在哺乳动物进化研究中的应用

哺乳动物经过长期进化,使其基因组在结构和功能上存在着明显的差异,构成了表型进化的基础。随着人类、部分哺乳动物基因组测序的完成,以比较基因组学为主要研究手段的哺乳动物进化研究应运而生,从而为在基因组水平上深入认识哺乳动物进化关系、揭示生命的起源和进化提供依据。对比较基因组学的主要研究方法进行了综述,进而探讨其在哺乳动物进化研究中的应用,并对哺乳动物比较基因组学的发展进行了展望。     

简并性还是多态性?——遗传密码子设定的进化特点的剖析(英文)

遗传密码子的设定表现出令人困惑的多态性特点 :不同氨基酸拥有的密码子的数目 ,除 5个外 ,从 1个到 6个都有 .这种特点显示出密码子无论在翻译行为还是进化轨迹上 ,都存在诸多的异质性 .因此 ,简并性一词的收敛含义 ,并不能表征这种多态性的进化内涵 .没有同义密码子的AUG(Met)和UGG (Trp)并无简并现象 .其余的密码子则可分为两大类 :一类是 ,4个同义密码子为 1组 ,具有相同的第 1、2位碱基 ,并遵循“3中读 2”的读出规则 .同组的 4个同义密码子 ,不过是来自同一个双字母原始密码子 (XYN)的孑遗物 ,从这个意义上讲 ,也不宜视为简并现象 ;另一类则主要是 ,2个同义密码子为一组 ,并遵循“3中读 3”读出规则 .它们是由编码 2个氨基酸的双义原始密码子 ,第 3位的未定碱基N进一步设定形成 .至于有 6个同义密码子的 ,特别令人困感不解的组别 ,实际上是 4 + 2个 ,这启示它们可能源于上述两大类 .遗传密码子多态性的起源 ,可能始于最初阶段 ,氨基酸同某类寡核苷酸的起始二联体的相互作用 ,而完成于所有的双义原始密码子的第 3位碱基的分化 .这种进化轨迹被传统的简并性一词所模糊 ,并导致鉴定各有关理论可信性的坚实依据和令不同观点取得共识的基础被掩盖起来 .这可能就是在遗传密码子起源领域里 ,长期存在着众     

遗传密码的新排列和起源探讨

根据DNA核苷酸组分的动态变化规律将遗传密码的传统排列按密码子对GC和嘌呤含量的敏感性进行了重排.新密码表可划分为2个半区（或1/2区）和4个四分区（或1/4区）.就原核生物基因组而言,当GC含量增加时,物种蛋白质组所含的氨基酸倾向于使用GC富集区和嘌呤不敏感半区所编码的氨基酸,它们均使用四重简并密码,对DNA序列的突变具有相对鲁棒性（Robustness）.当GC含量降低时,大多数密码子处于AU富集区和嘌呤敏感半区,这个区域编码的氨基酸具有物理化学性质的多样性.因为当密码子第三位核苷酸（CP3）在嘌呤和嘧啶之间发生转换时,密码子所编码的氨基酸也倾向于发生变化.关于遗传密码的进化存在多种假说,包括凝固事件假说、共进化假说和立体化学假说等,每种假说均试图解释遗传密码所表现出来的某些化学和生物学规律.基于遗传密码的物理化学性质、基因组变异的规律和相关的生物学假说,本研究提出了遗传密码分步进化假说（The Stepwise Evolution Hypothesis for the Genetic Code）.在人们推断的最原始的RNA世界里,原初（Primordial）遗传密码从只能识别嘌呤和嘧啶开始,编码一个或两个简单而功能明确的氨基酸.由于胞嘧啶C的化学不稳定性,最初形成的遗传密码应该仅仅由腺嘌呤A和尿嘧啶U来编码,却可得到一组7个多元化的氨基酸.随着生命复杂性的增加,鸟嘌呤G从主载操作信号的功能中释放出来,再伴随着C的引入,使遗传密码逐步扩展到12,15和20个氨基酸,最终完成全部进化步骤.遗传密码的进化过程同时也伴随以蛋白质为主体的分子机制和细胞过程的进化,包括氨酰tRNA合成酶（AARS）从初始翻译机器上的脱离、DNA作为信息载体而取代RNA以及AARS和tRNA共进化等基本过程.分子机制和细胞过程是生命的基本组成元件,它们不但自己不断地趋于完善,也促使生命体走?     

线粒体遗传密码及基因组遗传密码的对称分析

病毒、细菌和真核生物的氨基酸编码都使用相同的遗传密码,表明它们可能有共同的来源。但人和牛的线粒体的遗传密码和基因组的遗传密码相比,出现以下不同;（1）ATA编码甲硫氮酸M而不是异亮氨酸I。（2）TGA不再是终止密码子X而编码色氨酸W。（3）AGA和AGG不再是精氨酸R的密码子而变为终止密码子X。应用高维空间拓扑分析的方法,对线粒体遗传密码和基因组遗传密码的6维编码空间进行对称性分析,得到如下结果：（1）线粒体遗传密码的起始密码子是2个而不是1个。（2）线粒体遗传密码的终止密码子是4个而不是3个。（3）线粒体遗传密码空间只有2、4、6三种偶数简并度而没1、3两种奇数简并度,表明其对称度较高。（4）线粒体遗传密码空间除丝氨酸S分成两个平行的子空间之外,终止密码子X亦分成两个平行的子空间,表明其连通度较低。（5）线粒体遗传密码一基因组遗传密码相比,共有3个简并平面出现变异,即：1001λλ（M和I）,011λ1λ（W和X）,以及1011λλ（S和X或S和R）。（6）基因组遗传密码的1、3两种奇数简并度可能来源于线粒体遗传密码的1001λλ平面和011λ1λ平面的对称性破缺。对线粒体遗传密码变异的生物学意义及遗传密码的起源进行了分析和讨论。     

同义密码子使用偏嗜性对mRNA半衰期及翻译调控的影响北大核心CSCD

随着基因组学和转录组学在不同生物体遗传和细胞生物学领域的广泛应用,同义密码子使用的偏嗜性逐渐被接受,并且在研究生物进化与生物表型之间的深层联系时,同义密码子使用模式受到相关领域研究人员的重视。信使RNA(messenger RNA,mRNA)最终表达出具有正常生物活性的蛋白产物是生命活动的重要环节。被称为“第二遗传密码”的同义密码子使用模式,可以通过精微调控翻译选择压力等分子机制,从转录调控、翻译调控及代谢活动等水平表达其承载的遗传信息。研究表明,mRNA半衰期的长短对mRNA活性以及转录和翻译过程有显著的影响。因此,系统地归纳同义密码子使用模式在基因转录、翻译调控及翻译后修饰等生命活动中所扮演的角色,将有助于全方位审视生物体如何巧妙利用密码子使用模式所产生的遗传效应来精准合成不同种类蛋白质,并以此保障生长或分化的特定基因表达程序顺利执行、维持正常的生命周期。     

密码子使用偏性量化方法研究综述

在基因组学水平上研究密码子使用偏性模式、成因并分析进化过程中的选择压力在基因组学研究中有重要意义。文章概述了目前提出的密码子使用偏性的量化方法及实现原理。目前研究发现：有些量化密码子偏性的方法受高表达基因参考数据集未完全注释的限制,不同密码子位置对变异和选择的影响不同,以及不同密码子位置处GC含量和嘌呤含量的贡献不同。由此展望密码子偏性量化方法发展方向为：需要设计不需要相关参考基因集合先验知识的密码子使用偏性量化方法;考虑不同位置处背景核苷酸组成的密码子使用偏性的量化方法;同时考虑基因表达水平的密码子使用偏性量化方法。最后,归纳了目前可用的密码子使用偏性的量化工具和数据库。     

Evolution of the Genetic Code by Incorporation of Amino Acids that Improved or Changed Protein Function

Fifty years have passed since the genetic code was deciphered, but how the genetic code came into being has not been satisfactorily addressed. It is now widely accepted that the earliest genetic code did not encode all 20 amino acids found in the universal genetic code as some amino acids have complex biosynthetic pathways and likely were not available from the environment. Therefore, the genetic code evolved as pathways for synthesis of new amino acids became available. One hypothesis proposes that early in the evolution of the genetic code four amino acids—valine, alanine, aspartic acid, and glycine—were coded by GNC codons (N = any base) with the remaining codons being nonsense codons. The other sixteen amino acids were subsequently added to the genetic code by changing nonsense codons into sense codons for these amino acids. Improvement in protein function is presumed to be the driving force behind the evolution of the code, but how improved function was achieved by adding amino acids has not been examined. Based on an analysis of amino acid function in proteins, an evolutionary mechanism for expansion of the genetic code is described in which individual coded amino acids were replaced by new amino acids that used nonsense codons differing by one base change from the sense codons previously used. The improved or altered protein function afforded by the changes in amino acid function provided the selective advantage underlying the expansion of the genetic code. Analysis of amino acid properties and functions explains why amino acids are found in their respective positions in the genetic code.     

Unassigned Codons, Nonsense Suppression, and Anticodon Modifications in the Evolution of the Genetic Code

The origin of the genetic code is a central open problem regarding the early evolution of life. Here, we consider two undeveloped but important aspects of possible scenarios for the evolutionary pathway of the translation machinery: the role of unassigned codons in early stages of the code and the incorporation of tRNA anticodon modifications. As the first codons started to encode amino acids, the translation machinery likely was faced with a large number of unassigned codons. Current molecular scenarios for the evolution of the code usually assume the very rapid assignment of all codons before all 20 amino acids became encoded. We show that the phenomenon of nonsense suppression as observed in current organisms allows for a scenario in which many unassigned codons persisted throughout most of the evolutionary development of the code. In addition, we demonstrate that incorporation of anticodon modifications at a late stage is feasible. The wobble rules allow a set of 20 tRNAs fully lacking anticodon modifications to encode all 20 canonical amino acids. These observations have implications for the biochemical plausibility of early stages in the evolution of the genetic code predating tRNA anticodon modifications and allow for effective translation by a relatively small and simple early tRNA set.     

基因组学方法在玉米种质资源研究中的应用

近年来,分子生物学和植物基因组学得到了飞速发展,包括分子标记技术在内的基因组学方法在玉米种质资源研究中得到了广泛应用。本将对玉米种质资源研究的主要领域如玉米的起源和进化、遗传多样性的形成机制及评估、基于多样性的新基因发掘等方面的最新进展进行评述,并提出我国在应用基因组学方法进行玉米种质资源研究的策略。     

泛基因组研究在遗传多样性和功能基因组学中的应用

相对于单个参考基因组仅聚焦于个体遗传信息的挖掘,泛基因组研究则能够反映整个物种或类群全部的遗传信息。随着基因组测序和分析技术的不断发展,泛基因组学逐渐成为新的研究热点,并已在植物、动物和微生物多个物种中获得了广泛应用,为全面解析物种或类群水平的遗传变异和多样性、功能基因组和系统进化重建等研究提供了强有力的工具,取得了很多显著的研究成果。尽管如此,由于泛基因组学研究尚处于发展阶段,测序费用和分析成本仍然较高,难以广泛普及; 且存在分析标准不一、数据挖掘不够全面深入、理论难以应用于生产实际等尚待解决的问题,仍有较大的发展空间。该文系统总结了泛基因组在生物遗传多样性挖掘和功能基因组学中的研究进展,主要包括其在泛基因组图谱的构建、基因组变异和有利基因的发掘、功能基因的多态性、群体遗传多样性和系统进化等多个领域中的应用和研究,探讨了其在不同领域的应用潜力。同时,讨论了目前泛基因组研究中存在的局限性和可能的解决方法,并对其将来的发展前景进行了展望。     

Genetic Code Expansion Through Quadruplet Codon Decoding

Noncanonical amino acid mutagenesis has emerged as a powerful tool for the study of protein structure and function. While triplet nonsense codons, especially the amber codon, have been widely employed, quadruplet codons have attracted attention for the potential of creating additional blank codons for noncanonical amino acids mutagenesis. In this review, we discuss methodologies and applications of quadruplet codon decoding in genetic code expansion both in vitro and in vivo.     

微生物单细胞基因组技术及其在环境微生物研究中的应用

单细胞及单细胞基因组学研究是近年生命科学研究的热点之一,微生物单细胞基因组学研究是继微生物元基因组学(又称宏基因组学,Metagenomics)之后新发展起来的,可有效获取环境中大量无法培养的微生物遗传信息的技术。微生物单细胞基因组技术包括单细胞获取、全基因组扩增、全基因组测序以及数据分析等步骤,目前该技术在环境微生物研究中的应用主要集中于探索未被元基因组技术或其它常规技术探测到的新型功能基因,或是对环境中物种丰度极小的未培养微生物的发现,以及对微生物细胞生命进化过程的研究等。本文对微生物单细胞基因组技术中单细胞获取和全基因组扩增所涉及到的不同方法以及应用此技术对环境微生物取得的主要研究进展进行综述。     

模式植物短柄草研究新进展

短柄草(Brachypodium distachyon)株型矮小,易于种植栽培,生长周期短,自花授粉,容易繁殖。另外,短柄草基因组比较小,易于转化,与小麦具有比较近的亲缘关系,是理想的草类特别是禾本科模式植物。近年来,短柄草的研究工作在细胞遗传学、基因组学、比较基因组学、植物-病原菌相互作用、功能基因组学等研究领域取得了许多进展,包括完成了Bd-21全基因组的测序工作、构建了T-DNA插入突变体库、用遗传学的方法首次研究短柄草基因的生物学功能等。本文综述了近年来特别是2009年以来短柄草的研究进展,并对未来的研究工作做了展望。     

Noise immunity of the genetic code

Error detection and correction properties are fundamental for informative codes. Hamming's distance allows us to study this noise resistance. We present codes characterized by the resistance optimization to nonsense mutational effects. The calculation of the cumulated Hamming's distance allowing to determine the number of optimal codes and their structure can be detailed. The principle of these laws of optimization of resistance consists of choosing constituent codons connected by mutational neighbouring in such a way that random application of mutations on such a code minimize the occurrence of nonsense n-uplets or terminators. New coding symmetries are then described and screened using Galois's polynomials properties and Baudot's code. Such a study can be applied to any length of the codons. Here we present the principles of this optimization for the most simple doublet codes. Another constraint is discussed: the distribution of optimal subcodes for synonymity and the frequencies of utilization of the different codons.We compare these results to those of the present genetic code, and we observe that all coded amino acids (except the particular case of SER) are using optimal sub-codes of synonymity.This work suggests that the appearance of the genetic code was provoked by mutations while optimizing on several levels its resistance to their effects. Thus genetic coding would have been the best automata that could be produced in prebiotic conditions.     

Pathogen comparative genomics in the next-generation sequencing era: genome alignments, pangenomics and metagenomics

As soon as whole-genome sequencing entered the scene in the mid-1990s and demonstrated its use in revealing the entire genetic potential of any given microbial organism, this technique immediately revolutionized the way pathogen (and many other fields of) research was carried out. The ability to perform whole-genome comparisons further transformed the field and allowed scientists to obtain information linking phenotypic dissimilarities among closely related organisms and their underlying genetic mechanisms. Such comparisons have become commonplace in examining strain-to-strain variability, as well as comparing pathogens to less, or nonpathogenic near neighbors. In recent years, a bloom in novel sequencing technologies along with continuous increases in throughput has occurred, inundating the field with various types of massively parallel sequencing data and further transforming comparative genomics research. Here, we review the evolution of comparative genomics, its impact in understanding pathogen evolution and physiology and the opportunities and challenges presented by next-generation sequencing as applied to pathogen genome comparisons.