核苷酸的“沉默代码”而非氨基酸决定了重要蛋白质的功能

人类拥有六种形式的蛋白质肌动蛋白，它们在体内发挥重要作用。两个特别是β-肌动蛋白和γ-肌动蛋白几乎相同，仅相差四个氨基酸。然而，这些近双胞胎蛋白质发挥着不同的作用。对于生物学家来说，一个长期存在的问题是，这怎么可能?

宾夕法尼亚大学兽医学院生物化学教授安娜卡西娜说：“过去40年来，这一问题一直在争论中。”Kashina及其同事的新发现指出了一个令人惊讶的答案。这些蛋白质的不同功能不是由它们的氨基酸序列决定，而是由它们的遗传密码决定。

“我们喜欢把它称为'无声代码'，”Kashina说。“我们的研究结果表明，我们认为是沉默的基因部分实际上编码了非常关键的功能信息。”

研究人员发现核苷酸序列中的这些“沉默”差异似乎影响核糖体的密度，核糖体是将RNA转化为蛋白质的分子机器。这种差异可以使每种肌动蛋白形式在细胞中发挥不同的作用。

Kashina合着的作品，发表在杂志上网上生活，与宾州兽医的帕Vedula，黑坂聪，尼古拉·阿德里安·列伊，李俊玲汪，斯蒂芬妮英镑和大卫董和健康的尤里一狼全国学院和斯韦特兰娜A. Shabalina。

肌动蛋白是如此普遍和必不可少，它被称为“管家蛋白”。它是大多数细胞中最丰富的蛋白质，其不同形式在细胞迁移，肌肉收缩和发育过程中发挥作用。有一段时间，科学家认为不同的形式在功能上是多余的，只有在一种形式有缺陷的情况下才能作为备用。

最近，研究人员逐渐认识到形式并不是多余的;一些定位于细胞的不同部分，一些被整合到细胞骨架的不同部分。当这些蛋白质被篡改时，结果也不同。

例如，当缺乏β-肌动蛋白时，小鼠在胚胎发育的早期阶段死亡。但缺乏γ-肌动蛋白的小鼠，虽然通常比正常小和耳聋，但可以存活到成年期。

在2010年的“科学”杂志上，Kashina的小组迈出了一步，希望了解决定这些差异的因素。观察通常仅存在于β-肌动蛋白中的蛋白质修饰，他们发现它不存在于γ-肌动蛋白上的原因是由于两个肌动蛋白基因之间编码序列的变化。

“我们希望以此为基础，”Kashina说，“并决定检验这一假设，'如果它们的功能差异与它们的氨基酸序列无关怎么办?如果它们都在基因中怎么办?'”

研究人员利用CRISPR / Cas-9系统实现的精确基因编辑。虽然两种肌动蛋白同种型仅相差四个氨基酸，但它们的mRNA编码序列相差近13%，因为“沉默”的核苷酸差异仍然编码相同的氨基酸。只改变β-肌动蛋白基因中的5个核苷酸，它们能够转化它，使其氨基酸输出与γ-肌动蛋白蛋白完全相同。所有能够区分它的都是沉默的核苷酸取代。

基因编辑工作。具有这些编辑的小鼠没有β-肌动蛋白。但与真正的β-肌动蛋白敲除不同，它们是完全健康和可行的，就像它们具有β-肌动蛋白和γ-肌动蛋白的适当比例一样。他们幸存下来，繁殖并平均与正常动物相同的产仔数。

研究人员进行了相同的实验，编辑γ-肌动蛋白基因以编码β-肌动蛋白，但只能改变四种氨基酸中三种的编码序列。尽管缺乏γ-肌动蛋白，但受这种部分替代的小鼠仍显得正常和健康。

在后续实验中，Kashina的团队发现由编辑的β-肌动蛋白基因制成的γ-肌动蛋白蛋白形成正常的细胞骨架，使细胞能够以正常方式迁移。

“如果只有核苷酸序列对蛋白质功能很重要，那么小鼠就不应该关心它们含有什么蛋白质，”Kashina说。“老鼠不在乎。”

研究人员发现DNA序列如何影响蛋白质功能的机制，发现β-肌动蛋白RNA上的核糖体密度比γ-肌动蛋白RNA高出一千多倍，实际上所有六种肌动蛋白基因在核糖体密度上都存在差异。

“这表明β-肌动蛋白可能转化为蛋白质，可能比γ-肌动蛋白快一千倍，”Kashina说。

并且对这种现象的普遍程度感到好奇，研究人员寻找具有几乎相同成员的蛋白质家族，这些成员由不同的基因编码，并且在整个家族中核糖体密度存在显着差异。他们发现许多小组在小鼠，斑马鱼和人类基因组中共享。

“我们认为这种功能性调节形式是一种全球性现象，”Kashina说，而且她的实验室将继续调查。

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