Science：宏基因组研究挑战DNA编码规则

　　

生物通报道：人们一直认为DNA编码的指令是所有生命通用的，例外情况极少。但本期Science杂志上的一项新研究显示，自然界中的生物又一次打破了既定的规则。

美国能源部联合基因组研究所的Edward Rubin领导研究团队，获得来自1776种环境（包括17个人体区域）的微生物宏基因组数据，以便在其中寻找重编码事件（对遗传编码的解读不同于绝大多数生物）。

研究团队专门就终止密码子（命令蛋白合成停止的遗传序列）的重编码进行了分析，寻找那些将终止密码子当成“前进”信号，还继续往蛋白上添加氨基酸的事件。他们发现，这样的事件在环境样本中大量存在。

这一发现对于合成生物学有着重要的启示：人们可以利用重编码让合成生物抵抗病毒感染，或者阻止合成生物感染计划以外的宿主。“这项研究向人们展示了遗传密码的可变性，”耶鲁大学的生物工程师Farren Isaacs说。

从“停”到“行”

研究人员先用传统的编码规则预测1kb以上的DNA序列编码什么样的蛋白，如果预测的蛋白短得异常，他们就会考虑终止密码子是不是实际被当成氨基酸用了。结果他们发现重编码现象广泛存在，在来自某些环境的样本中，甚至占到了序列的10%。

研究显示，人体内的微生物特别容易发生重编码事件。尽管人体样本只占总样本数的10%，但有超过半数的重编码密码子来自于人体样本。

Rubin介绍道，人们曾经在自然界中发现过重编码现象，但远没有达到这样的水平。这是因为，绝大多数研究都是针对能够在实验室里培养的微生物。“当我们将研究范围扩大，既定的规则就土崩瓦解，”他说。（延伸阅读：Science：本不应出现的蛋白挑战翻译法则）

病毒需要劫持宿主的细胞机器来进行复制。如果病毒和宿主解读遗传密码的方式不同，那它就很难进行感染。重编码还可以帮助人们阻止人造细菌与天然细菌发生遗传信息的交换，这一点有望对生物安全产生重大影响，Isaacs说。Isaacs花了六年时间，在大肠杆菌中利用重编码将一个合成氨基酸整合到它的蛋白中。

然而Rubin的研究显示，在某些环境中（例如人类口腔）尽管编码并不兼容，细菌还是会被噬菌体感染。

遗传学界的大牛George Church并不担心这个问题，他正在哈佛大学领导一项E. coli的重编码项目。他认为，人工合成的重编码生物跳过了进化过程，没有经历持续性的进化选择压力。在编码不兼容的情况下，它们不会那么容易受到天然病毒的攻击。

“如果你趁病毒不注意的时候彻底改变宿主的基因组，”Church说，“对于病毒来说，就会有大量需要同时适应的改变，这远远超过了病毒群体的适应能力。”

 

生物通编辑：叶予

生物通推荐原文摘要：

Stop codon reassignments in the wild

The canonical genetic code is assumed to be deeply conserved across all domains of life with very few exceptions. By scanning 5.6 trillion base pairs of metagenomic data for stop codon reassignment events, we detected recoding in a substantial fraction of the >1700 environmental samples examined. We observed extensive opal and amber stop codon reassignments in bacteriophages and of opal in bacteria. Our data indicate that bacteriophages can infect hosts with a different genetic code and demonstrate phage-host antagonism based on code differences. The abundance and diversity of genetic codes present in environmental organisms should be considered in the design of engineered organisms with altered genetic codes in order to preclude the exchange of genetic information with naturally occurring species.