华人学者重要成果刊登Mol Cell封面

最近，来自德克萨斯大学（UT）西南医学中心试图了解遗传密码的生理学家，发现了一个此前未知的代码，有助于解释“为形成一种特定类型的细胞，应该制造哪种蛋白质？”这些研究结果，以封面故事的形式，发表在最近的Cell子刊《Molecular Cell》。

　　

生物通报道：最近，来自德克萨斯大学（UT）西南医学中心试图了解遗传密码的生理学家，发现了一个此前未知的代码，有助于解释“为形成一种特定类型的细胞，应该制造哪种蛋白质？”

人体是由数十万亿个细胞组成的。每一个细胞都含有成千上万个蛋白质，它们决定着细胞的形态及其需要执行的功能。反过来，蛋白质是由数百个氨基酸组成的。每个蛋白质的蓝图是由遗传密码子（构成20种不同类型氨基酸的三核苷酸）指定的。氨基酸连接在一起的方式，决定着最终产生哪些蛋白质，反过来，决定着细胞将有什么功能。

研究人员发现，这不仅与氨基酸的序列有关，而且与氨基酸组装成一个功能性蛋白质的过程的速度有关。

本文通讯作者、生理学教授刘毅（音译，Yi Liu）博士说：“我们的研究结果揭示了遗传密码中的一个新‘代码’。我们认为这很重要，因为这一结果解开了影响所有生物学的一个重要调控过程。”刘毅博士1989年毕业于武汉大学，1995年研究生毕业于美国范德堡大学， UT西南医学中心生物医学研究Louise W. Kahn 奖学金获得者，主要研究方向为表观遗传学调控、生物钟机制、RNA干扰和基因沉默、小非编码RNA和长非编码RNA等，研究成果曾多次发表在Genes Dev、Nature、Mol Cell和Cell等知名期刊。延伸阅读：刘毅教授Nature解析非编码RNA。

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很早我们就知道，几乎每一个氨基酸都可以由多个同义密码子编码，每个生物——从人类到真菌，都有一定的密码子偏好性。研究人员发现，更经常使用的密码子——“偏爱的密码子”，可加快生产氨基酸链的过程，而较少产生的密码子可减缓这一进程。优先或非优先密码子的使用，就像是蛋白质生产高速公路上的速度标志：有些部分需要被制造的更快，而其他一些则较慢。

刘博士说：“核酸的遗传密码对于生命是极为重要的，因为它指定了蛋白质的氨基酸序列。通过影响氨基酸构建模块组装蛋白质的速度，“快”和“慢”密码子的使用，可以影响蛋白质的折叠，这个过程可使蛋白质形成合适的形状，以完成特定的功能。这种速度控制机制，可确保蛋白质在不同的细胞中被正确地组装和折叠。因此，遗传密码不仅指定氨基酸序列，而且也指定蛋白质的形状。”

研究人员发现，具有相同氨基酸序列的蛋白质，如果在不同的速度下组装，可以有不同的功能。这对于识别人类的致病突变，可能有重要的意义，因为这项研究表明，一个突变不需要改变氨基酸的同一性，就会导致一种疾病。事实上，人类DNA中的大多数突变不会导致氨基酸的改变。

刘博士解释说：“因此，我们的研究表明，遗传密码中的新‘代码’——组装的速度限制，可以决定一个给定蛋白质的最终功能。”

这些研究结果，以封面故事的形式，发表在最近的Cell子刊《Molecular Cell》。

这些最新的研究结果，是刘博士及其同事2013年在《Nature》发表的一项研究的延伸成果，那项突破性研究表明，一个生物钟蛋白的同义密码子，尽管编码相同的氨基酸，但并不是一样也制造功能性蛋白。基因可以通过选择最优密码子，来适应不同的环境变化，这似乎有悖自然选择的常理。

刘博士和他的团队，使用一种面包霉菌（称为粗糙脉孢菌Neurospora crassa）研究这些系统。霉菌的使用，使研究人员很容易在实验室操纵在动物中很难操纵的基因和密码子。刘博士的实验室也正在试图揭开生物钟的秘密，以及生物体日常生物钟（称为昼夜节律钟）的分子机制。生物钟在几乎所有的生物体中都有描述，从单细胞生物到哺乳动物，控制日常生活节奏，如睡眠觉醒和活动周期、体温周期、内分泌功能和基因表达。

（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
Codon Usage Influences the Local Rate of Translation Elongation to Regulate Co-translational Protein Folding
Abstract: Codon usage bias is a universal feature of eukaryotic and prokaryotic genomes and has been proposed to regulate translation efficiency, accuracy, and protein folding based on the assumption that codon usage affects translation dynamics. The roles of codon usage in translation, however, are not clear and have been challenged by recent ribosome profiling studies. Here we used a Neurospora cell-free translation system to directly monitor the velocity of mRNA translation. We demonstrated that the preferred codons enhance the rate of translation elongation, whereas non-optimal codons slow elongation. Codon usage also controls ribosome traffic on mRNA. These conclusions were supported by ribosome profiling results in vitro and in vivo with template mRNAs designed to increase the signal-to-noise ratio. Finally, we demonstrate that codon usage regulates protein function by affecting co-translational protein folding. These results resolve a long-standing fundamental question and suggest the existence of a codon usage code for protein folding.