解开遗传密码进化的谜题

　　大自然是不断进化的——其极限仅取决于威胁物种生存能力的变异。研究遗传密码的起源和发展，对于解释生命的进化非常重要。最近在《Science Advances》发表的一项研究中，专门从事这一领域的一组生物学家，解释了遗传密码进一步发展的一个限制，我们知道，遗传密码是一套通用的规则，地球上所有生物都用其，将核酸（DNA和RNA）基因序列翻译成氨基酸序列，组成蛋白质，执行细胞功能。

　　在生物医学研究所(IRB巴塞罗那)ICREA研究员Lluís Ribas de Pouplana和基因组调控中心的Fyodor A. Kondrashov的共同指导下，该科学家小组已经证明，遗传密码进化到包括最多20种氨基酸，它无法进一步增长，是因为转移RNA分子的功能性限制——转移RNA这种分子是基因及其编码蛋白之间的语言翻译器。这会使发生30亿多年前的生命复杂性的增加停止，在细菌、真核生物和古细菌类独立进化之前，因为所有生物都使用相同的遗传密码，用遗传信息生成蛋白质。

　　这项研究的作者解释说，将基因翻译成蛋白质的机器，无法识别超过20种氨基酸，因为这会使它们迷惑，导致蛋白质不断突变，从而引起基因信息的错误翻译，产生“灾难性的后果”。 研究人员说：“基于遗传密码的蛋白质合成是生物学系统的决定性特征，对于确保信息的忠实翻译，是至关重要的。”

　　由形状引起的一个限制

　　遗传密码的饱和，起源于转移RNA（tRNA），这种分子负责识别遗传信息，并将相应的氨基酸携带到核糖体——在那里，根据编码在给定基因中的信息，氨基酸链被制成蛋白质。然而，tRNAs必须符合核糖体的腔洞，意味着这些分子必须采用一种L型的空间，在它们之间很少有变异的可能性。Ribas解释道： “因为新的氨基酸会给系统带来益处，事实上，我们使用超过20种氨基酸，但更多的氨基酸是通过不连接到遗传密码的、非常复杂的通路被合并进来。当大自然无法创建明显不同于现有tRNAs的新tRNAs、而不引起正确氨基酸识别的问题时，问题来了。这发生在20种氨基酸被延伸时。”

　　在合成生物学中的应用

　　合成生物学的一个目标是，增加遗传密码，并修改它来构建具有不同氨基酸的蛋白质，以实现新的功能。为此，研究人员在严格控制的条件下，使用生物（如细菌）来制造具有指定特征的蛋白质。研究人员总结道：“但这是非常难做的，我们的工作表明，如果我们要实现更有效的生物技术系统，就必须避免实验室合成的tRNAs和现有tRNAs之间的识别冲突。”

　　遗传密码是生命的通用语言。它描述了信息如何被编码进遗传物质，并且对所有生物（从简单的细菌到动物到人类）都是相同的。遗传密码的起源一直是个谜。在过去的两年里，维也纳的研究人员发现了几条令人惊讶的线索，可以帮助解开这个谜。相关研究结果以一系列论文的形式发表，最近一篇论文发表在2014年12月份的《Nucleic Acids Research》杂志（解开遗传密码的起源之谜 ）。

　　2014年6月，日本RIKEN、东京大学等机构的科学家们在Nature杂志上发表文章，描述了一个确保tRNA合成酶、tRNA和氨基酸正确配对的巧妙机制。正是在这种机制的保驾护航之下，细胞才能够将遗传密码精确翻译成为细胞所需的功能性蛋白（Nature：深入第二套遗传密码）。

　　另外，凯斯西储大学的科学家们发现，在谈及信使RNA(mRNA)如何解译遗传密码中的关键信息时速度很重要。遗传密码是对维持生命至关重要的一连串复杂的指令。发表在2015年3月12日《细胞》（Cell）杂志上的研究结果，为科学家们确定如何更好地操控细胞来治疗疾病，并最终阻止疾病形成，提供了重要的新信息（Cell揭示遗传密码中的隐秘信息）。