新发现的遗传密码控制感染期间的细菌存活

允许细胞存储生命必需信息的遗传密码是众所周知的。四个核苷酸，缩写为A，C，G和T，拼写出编码所有蛋白质细胞所需的DNA序列。麻省理工学院的研究人员现在发现了另一层控制，可以帮助细胞在紧急情况下迅速转移资源。许多细菌，包括导致结核病的菌株，使用这种策略进入休眠状态，使其在缺乏氧气或营养物质的恶劣环境中存活。对于肺结核，肺部感染可持续数年，最终“重新觉醒”并再次引发疾病。

麻省理工学院生物工程学院的Underwood-Prescott教授Peter Dedon说：“这项研究所做的是揭示一种细菌用来关闭自己并在受到压力时进入其中一种持续状态的系统。”Dedon和他的同事们研究了一种叫做牛分枝杆菌的细菌，这是一种可以导致人类​​结核病的细菌菌株之一。该菌株比较致命的结核分枝杆菌引起更轻微的疾病，并且在一些国家用于接种结核病疫苗。

针对这种新发现的遗传控制系统，可以帮助科学家开发出抗结核病和其他疾病的新抗生素，Dedon说，他是11月11日出版的“ 自然通讯 ” 杂志上一篇论文的高级作者。新加坡 - 麻省理工学院研究与技术联盟(SMART)的博士后Yok Hian Chionh是该论文的第一作者。

快速反应

Dedon及其同事之前已经证明辐射或有毒化学物质等应激会激发酵母细胞打开一个系统，该系统通过化学修饰来转移RNA(tRNA)，从而将细胞的蛋白质构建机器从常规活动转移到紧急行动。

在这项新研究中，研究人员深入研究了这种转换如何影响tRNA和信使RNA(mRNA)之间的相互作用，这些信号携带了从细胞核到称为核糖体的细胞结构的蛋白质构建指令。mRNA中的遗传密码在核糖体上被“读取”为一系列称为密码子的三字母序列，每个密码子都需要特定的氨基酸(蛋白质的构建块)。

那些氨基酸通过tRNA递送至核糖体。与其他类型的RNA一样，tRNA由四个主要核糖核苷-A，G，C和U的序列组成。(RNA中的U代替DNA中的T.)每个tRNA分子都有一个与mRNA密码子匹配的反密码子，确保将正确的氨基酸插入蛋白质序列中。然而，许多氨基酸可由不止一个密码子编码。例如，氨基酸苏氨酸可以由ACU，ACC，ACA或ACG编码。总的来说，遗传密码具有61个密码子，其仅对应于20 个氨基酸。

一旦制造出tRNA分子，就可以通过几十种不同的化学修饰来改变它。据信这些修饰会影响tRNA反密码子与核糖体上mRNA密码子的结合程度。

在这项研究中，Dedon及其同事发现，当细菌被剥夺氧气并停止生长时，某些tRNA修饰会显着增加。

在ACG苏氨酸反密码子上发现了其中一种修饰，因此研究人员分析了牛分枝杆菌的整个基因组，寻找与其他苏氨酸密码子相比含有高百分比的ACG密码子的基因。他们发现具有高水平ACG的基因包括称为DosR调节子的家族，其由48个基因组成，这些基因是细胞停止生长并在休眠状态下存活所需的。

When oxygen is lacking, these bacterial cells begin churning out large quantities of the DosR regulon proteins, while production of proteins from genes containing one of the other codons for threonine drops. The DosR regulon proteins guide the cell into a dormancy-like state by shutting down cell metabolism and halting cell division.

“作者提出了一个令人印象深刻的例子，即转移RNA的新兴深层生物学，它将所有生物体中的遗传密码翻译成蛋白质，”斯克里普斯研究所细胞和分子生物学教授Paul Schimmel说。没有参与这项研究。“几十年来，这种众所周知的功能被简单，直接地看待。它们提供了一个强大而全面的分析，以显示这种翻译功能有更深层次的层次和层次。”

“替代遗传密码”

研究人员还表明，当他们将不同的苏氨酸密码子交换到通常发现ACG的基因组位置时，当氧气水平降低时，细菌细胞未能进入休眠状态。因为制造这种tRNA修饰开关对细菌细胞应对压力的能力至关重要，负责这种转换的酶可以成为新抗生素的良好靶点，Dedon说。

Dedon怀疑其他基因家族，例如那些需要应对饥饿或产生耐药性的基因，可能会通过其他tRNA修饰以类似的方式进行调控。

他说：“它确实是一种替代遗传密码，其中任何需要改变细胞表型的基因家族都富含特定密码子”，这些密码子与特定的修饰tRNA相对应。

研究人员还在其他物种中看到了这种现象，包括引起疟疾的寄生虫，现在他们正在人类中研究它。