研究人员利用一种新型单细胞DNA测序方法进行常规实验时，偶然在一种微小的池塘生物中发现了一种奇异的遗传密码，这使得该实验演变成了一个令人惊讶的科学转折。这种新发现的原生生物并未遵循近乎通用的生命“法则”，而是改写了基因发出终止信号的方式。这一意外发现挑战了关于遗传翻译运作机制的长期假设，并暗示自然界可能比科学家所意识到的更加灵活——也更加神秘。
Earlham研究所的博士后科学家Jamie McGowan博士正在研究一种从淡水中采集的原生生物的基因组。目标是实用的。研究人员希望测试一种能够处理极少量DNA（包括单细胞DNA）的DNA测序流程。
然而，团队发现了一个意想不到的遗传异常值。该生物被鉴定为 Oligohymenophorea sp. PL0344，结果证明是一个先前未知的物种，其在读取DNA指令和构建蛋白质的方式上发生了罕见的变化。这项发表在 PLOS Genetics 上的研究报告称，两个通常与基因终止信号相关的密码子被重新分配给了不同的氨基酸，研究人员称这种组合此前从未有过报道。
“我们选择这种原生生物来测试我们的测序流程纯属运气，这恰恰展示了外面的世界有什么，凸显了我们对原生生物遗传学的了解是多么匮乏。”
带来巨大遗传惊喜的微小生物
原生生物很难被整齐定义，因为它们非常多样化。许多是微小的单细胞生物，包括变形虫、藻类和硅藻。其他的则大得多且为多细胞，如海带、黏菌和红藻。
“原生生物的定义很宽泛——本质上它是指任何不是动物、植物或真菌的真核生物，”McGowan博士说。“这显然非常笼统，那是因为原生生物是一个极度多变的群体。
“有些与动物亲缘关系更近，有些与植物更近。既有猎手也有猎物，既有寄生虫也有宿主，既有游动者也有固着者，有些饮食多样，而另一些则进行光合作用。基本上，我们能做的概括很少。”
Oligohymenophorea sp. PL0344 属于一个称为纤毛虫的类群。这些游动的原生生物可以在显微镜下观察到，存在于许多水生环境中。纤毛虫对遗传学家来说变得特别有趣，因为它们是遗传密码变化的已知热点，包括涉及终止密码子的变化。
当遗传终止信号改变含义时
在大多数生物中，三个终止密码子告诉细胞基因在哪里结束：TAA、TAG和TGA。它们就像遗传指令中的标点符号，发出蛋白质构建应停止的信号。
遗传密码通常被描述为近乎通用的，因为大多数生物使用相同的基本规则。变异确实存在，但很罕见。在少数已知的遗传密码变体中，TAA和TAG通常一起变化，并且通常最终意味着相同的事物。这种模式表明这两个密码子在进化上是相关联的。
“在我们知道的几乎所有其他情况下，TAA和TAG都是协同变化的，”McGowan博士解释道。“当它们不是终止密码子时，它们各自指定相同的氨基酸。”
这种生物做了一些不同的事情。在 Oligohymenophorea sp. PL0344 中，只有TGA似乎起终止密码子的作用。另外两个信号已被重新利用。TAA指定赖氨酸，而TAG指定谷氨酸。研究人员还发现TGA密码子比预期的多，这可能有助于补偿另外两个终止信号的丢失。这篇发表在 PLOS Genetics 上的论文报告称，剩余的UGA终止密码子在编码区之后富集，表明它可能有助于防止翻译继续过远时发生有害的通读。
“这极其不寻常，”McGowan博士说。“我们不知道还有其他任何案例中这些终止密码子与两种不同的氨基酸相关联。它打破了一些我们自以为了解的关于基因翻译的规则——这两个密码子曾被认为是耦合的。
“科学家们试图设计新的遗传密码——但它们也存在于自然界中。如果我们去寻找，就能发现迷人的事物。
“或者，就这个案例而言，当我们没有在寻找它们的时候。”
细胞如何读取DNA指令
DNA可以被看作是一套指令，但指令必须经过复制和解读才能产生效应。首先，基因被转录成RNA。然后，该RNA拷贝被翻译成氨基酸，氨基酸连接在一起形成蛋白质和其他功能性分子。
翻译始于DNA起始密码子（ATG），通常终止于终止密码子（通常是TAA、TAG或TGA）。在这种纤毛虫中，这种熟悉的终止系统已被重新排列。这一发现表明，即使是生物学中最保守的系统之一，也可能比预期的更具灵活性。
团队的基因组和转录组分析还鉴定出了与重分配密码子匹配的抑制性tRNA基因，支持了该生物确实将这些先前的终止信号作为氨基酸读取的结论。在研究中，发现UAA编码赖氨酸，UAG编码谷氨酸。
后续工作表明纤毛虫是遗传规则的破坏者
后续工作加强了这样一种观点，即纤毛虫是遗传密码惊喜的异常丰富来源。在2024年的一项 PLOS Genetics 研究中，研究人员报告了叶咽纲纤毛虫中UAG终止密码子的多次独立重分配。来自TARA Oceans数据集的一些未培养纤毛虫似乎使用UAG编码亮氨酸，而发现 Hartmannula sinica 和 Trochilia petrani 使用UAG编码谷氨酰胺。
那项后来的研究还发现，UAA仍然是那些叶咽纲纤毛虫中的首选终止密码子，而UAG已反复转变为蛋白质编码角色。这些发现指出，在研究不足的微生物真核生物中存在反复的遗传密码变化，并加强了纤毛虫是标准遗传密码最有力例外之一的观点。
这些发现共同表明，遗传密码并不像曾经看起来那样固定。对于大多数生物来说，规则仍然非常稳定。但在被忽视的微生物生命中，特别是在纤毛虫中，进化反复找到了编辑指令的方法。
资助与发表
最初的研究于2023年发表在 PLOS Genetics 上。它由Wellcome Trust作为达尔文生命之树项目的一部分资助，并得到了Earlham Institute来自英国研究与创新署（UKRI）下属生物技术与生物科学研究理事会（BBSRC）的核心资助支持。该出版物报告了存放在公共存储库中的测序数据和基因组组装资源。