遗传密码的起源：研究发现教科书版本需要修订

Josiah02

尽管生物种类繁多，但从细菌到蓝鲸，几乎所有生命形式都拥有相同的遗传密码。这些密码是如何以及何时产生的一直是科学界争论的焦点。
亚利桑那大学遗传学研究生跨学科项目博士生索桑·韦比（Sawsan Wehbi）采用新方法解决一个老问题，发现了强有力的证据，表明教科书上关于通用遗传密码进化的描述需要修改。
韦比是《国家科学院院刊》上发表的一项研究的第一作者，该研究表明，氨基酸（密码的组成部分）的招募顺序与被广泛认为的遗传密码进化的“共识”不一致。
“遗传密码是一个神奇的系统，DNA 或 RNA 链中的三个核苷酸序列（称为密码子）通过 20 种不同的氨基酸翻译成蛋白质序列，”该论文的资深作者、阿尔伯塔大学生态学和进化生物学教授乔安娜·马塞尔 (Joanna Masel) 说。“这是一个令人难以置信的复杂过程，而我们的密码却出奇地好。它几乎适用于很多事物，而且它一定是分阶段进化的。”
这项研究表明，早期生命更喜欢较小的氨基酸分子，而不是后来加入的较大且更复杂的分子，而与金属结合的氨基酸加入的时间比之前认为的要早得多。最后，研究小组发现，今天的遗传密码很可能是在已经灭绝的其他密码之后出现的。
作者认为，目前对密码如何进化的理解是有缺陷的，因为它依赖于误导性的实验室实验，而不是进化证据。例如，遗传密码进化的传统观点的基石之一就建立在 1952 年著名的 Urey-Miller 实验上，该实验试图模拟早期地球可能见证生命起源的条件。
虽然这项实验有助于证明非生命物质可以通过简单的化学反应产生生命的基本成分，包括氨基酸，但它的意义也受到了质疑。例如，尽管硫元素在早期地球上非常丰富，但它并没有产生任何含硫氨基酸。因此，人们认为含硫氨基酸加入密码的时间要晚得多。然而，考虑到实验成分中没有硫，这一结果并不令人惊讶。
据论文合著者、阿尔伯塔大学月球与行星实验室行星科学与宇宙化学教授但丁·劳雷塔 (Dante Lauretta) 介绍，早期生命富含硫的性质为天体生物学提供了见解，特别是在理解外星环境的潜在宜居性和生物特征方面。
“在像火星、土卫二和木卫二这样富含硫化合物的星球上，这可以通过强调类似的生物地球化学循环或微生物代谢来指导我们寻找生命，”他说。“这样的见解可能会改进我们在生物特征中寻找的东西，帮助发现地球以外在富含硫或类似化学物质中繁衍生息的生命形式。”
研究团队使用一种新方法分析了生命之树上的氨基酸序列，一直追溯到最后的共同祖先（LUCA）。LUCA 是一个假设的生物种群，生活在大约 40 亿年前，代表着当今地球上所有生命的共同祖先。与之前使用全长蛋白质序列的研究不同，韦比和她的团队专注于蛋白质结构域，即较短的氨基酸序列。
“如果你把蛋白质想象成一辆汽车，那么域就像一个车轮，”韦比说。“它是可用于多种不同汽车的部件，车轮的存在时间比汽车要长得多。”
为了了解特定氨基酸可能何时被纳入遗传密码，研究人员使用统计数据分析工具比较了 LUCA 时期甚至更早时期的蛋白质序列中每种氨基酸的富集情况。在古代序列中优先出现的氨基酸很可能在早期就被纳入了。相反，LUCA 序列中缺乏后来被纳入的氨基酸，但随着较不古老的蛋白质序列出现，氨基酸就变得可用了。
研究团队确定了 400 多个可追溯到 LUCA 的序列家族。其中 100 多个起源更早，在 LUCA 之前就已经多样化。事实证明，这些序列含有更多具有芳香环结构的氨基酸，如色氨酸和酪氨酸，尽管这些氨基酸是后来添加到我们代码中的。
“这为我们之前的其他遗传密码提供了线索，这些密码后来随着地质时间的流逝而消失，”马塞尔说。“早期生命似乎喜欢光环。”