tRNA作为物种最适生长温度的分子温度计：基于1957种生物的进化适应机制解析

【编辑推荐】本研究通过分析1957种古菌、细菌和真核生物的tRNA与rRNA序列，首次揭示tRNA组成与物种最适生长温度（OGT）的强相关性，其三联体密码子偏好性（特别是带电荷/疏水性反密码子）显著影响蛋白质热稳定性。结合UMAP降维和机器学习模型，证实tRNA在热适应中的主导作用，为合成生物学（thermotolerant strain engineering）和环境科学（paleoclimate inference）提供新策略。

　　

Highlight

非编码RNA因其对温度快速响应的特性，具备作为分子温度计的潜力。为探究非编码RNA与最适生长温度（OGT）的关系，我们分析了1957种古菌、细菌和真核生物的tRNA和rRNA序列。结果显示，tRNA组成与OGT的关联性显著强于rRNA，尤其在古菌中更为突出。三联体分析表明，嗜热生物的tRNA更富集带电荷和疏水性反密码子，这可能通过密码子偏好性影响蛋白质热稳定性。UMAP降维技术揭示了与物种热偏好高度匹配的独特序列聚类模式。基于RNA特征的机器学习模型能准确分类嗜热原核生物、中温古菌、中温细菌和真核生物，其中tRNA特征贡献最大。特征重要性分析进一步证实tRNA在热适应中的核心作用，暗示其可能具备温度传感功能。

RNA序列核苷酸组成结果

通过探索性数据分析（EDA），我们研究了OGT与tRNA/rRNA核苷酸组成的关联。如图1A-B所示，tRNA序列的鸟嘌呤-胞嘧啶（GC）含量显著更高，而rRNA序列以胸腺嘧啶-腺嘌呤（AT）为主，这种差异跨越不同生物界和OGT分组。值得注意的是，tRNA的GC含量与OGT呈正相关（p<0.01），而rRNA的AT含量在嗜热生物中明显降低。

Conclusion

本研究系统揭示了tRNA和rRNA序列组成特征与物种OGT的关联规律，特别是tRNA在古菌热适应中的关键作用。三联体组成差异分析为理解温度驱动的密码子进化提供了新视角，而机器学习模型则证实了tRNA作为分子温度计的潜力。这些发现为合成生物学（如耐热菌株设计）和古环境重建提供了创新工具。