Nature：挖掘遗传信息的新层面

　　

生物通报道  近日来自美国加州大学旧金山分校的科学家们揭示了隐藏在遗传密码中过去未发现的信息层。在新研究中，他们采用了一种称之为核糖体分析（ribosome profiling）的方法，利用这一方法他们可以在活细胞中检测基因活性，包括蛋白质的合成速度。相关研究论文发布在3月28日的《自然》（Nature）杂志上。

通过在细菌中检测蛋白质合成速率，研究小组发现轻微的遗传改变都可能产生巨大的影响。过去科学家们认为“沉默突变”（ silent mutations）只是发生了单个DNA碱基的置换而并不会改变最终的基因产物。然而在新研究中研究人员吃惊地发现，这些看似微不足道的遗传变化却能将蛋白质合成的速率减慢到正常速度的1/10甚至更慢。

速率的改变是由于包含在被称之为“冗余密码子”（ redundant codons）中的信息引起。冗余密码子是指形成部分遗传密码的小片段DNA，它们之所以被称为“冗余”是因为过去人们认为它们包含了重复而非独特的指令信息。

新发现向半个世纪以来生物学中的基础假说提出了挑战。它有可能将帮助加速蛋白质的工业生产，这对于制造生物燃料和生物医药用于治疗糖尿病、癌症等大量常见疾病具有至关重要的意义。

加州大学医学院细胞与分子药理学系霍华德休斯医学研究所Jonathan Weissman博士说：“遗传密码长期被认为是冗余的，但冗余密码子显然不同。我们对这一规则所知不多，但新研究表明基于遗传速率和遗传意义，自然对冗余密码子做出了选择。”

这有点类似于某人在给朋友发送短信时有可能选择的是“NP”而不是“No problem”，虽然两者的意思都是指“没问题”，但一种相较于另一种速度就是要快。

核糖体分析如何发挥作用？

该工作聚焦的是科学家们长期以来观察的蛋白质合成的过程。蛋白质合成对于地球上所有的生物均至关重要，有一些未知的机制似乎参与控制了蛋白质生成的速率调控，但却无人知道那是什么。

为了追踪这一机制，Weissman和加州大学旧金山分校的博士后研究人员Gene-Wei Li采用了Weissman实验室过去开发的一种称之为“核糖体分析“的新技术。利用这一技术科学家们能够广泛检测细胞中的活性基因，以及它们翻译形成蛋白质的速率。

核糖体分析是通过从细胞中分离出核糖体的方法来确定哪些基因生成了蛋白质。通常细菌细胞中包含了成千上万的核糖体，人类细胞中就更多。核糖体在生命体中发挥重要作用将遗传信息翻译成蛋白质。通过分离出这些核糖体，并获取所有的遗传材料，科学家们可以知道细胞正在合成哪些蛋白质，它们现在正处于哪一阶段。

下接：Nature：DNA密码的启蒙书

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

The anti-Shine–Dalgarno sequence drives translational pausing and codon choice in bacteria

Protein synthesis by ribosomes takes place on a linear substrate but at non-uniform speeds. Transient pausing of ribosomes can affect a variety of co-translational processes, including protein targeting and folding1. These pauses are influenced by the sequence of the messenger RNA2. Thus, redundancy in the genetic code allows the same protein to be translated at different rates. However, our knowledge of both the position and the mechanism of translational pausing in vivo is highly limited. Here we present a genome-wide analysis of translational pausing in bacteria by ribosome profiling—deep sequencing of ribosome-protected mRNA fragments3, 4, 5. This approach enables the high-resolution measurement of ribosome density profiles along most transcripts at unperturbed, endogenous expression levels. Unexpectedly, we found that codons decoded by rare transfer RNAs do not lead to slow translation under nutrient-rich conditions. Instead, Shine–Dalgarno-(SD)6-like features within coding sequences cause pervasive translational pausing. Using an orthogonal ribosome7, 8 possessing an altered anti-SD sequence, we show that pausing is due to hybridization between the mRNA and 16S ribosomal RNA of the translating ribosome. In protein-coding sequences, internal SD sequences are disfavoured, which leads to biased usage, avoiding codons and codon pairs that resemble canonical SD sites. Our results indicate that internal SD-like sequences are a major determinant of translation rates and a global driving force for the coding of bacterial genomes.