一項旨在突破單細胞 DNA 定序極限的測試，最終卻揭示了更令人驚訝的發現：來自牛津大學公園池塘的一種微小生物，似乎以一種科學家前所未見的方式使用遺傳密碼。
英國埃爾姆研究所（Earlham Institute）的博士後科學家 Jamie McGowan 博士，當時正在研究從淡水中採集的一種原生生物的基因組。這個目標很實際。研究人員希望測試一種 DNA 定序流程，該流程能夠處理極少量 DNA，包括來自單一細胞的 DNA。
然而，該團隊卻發現了一個意想不到的遺傳異常。這種被識別為 Oligohymenophorea sp. PL0344 的生物，原來是一個先前未知的物種，它在解讀 DNA 指令及構建蛋白質方面，擁有一種罕見的變化。PLOS Genetics 的研究報告指出，兩個通常與基因終止信號相關的密碼子已被重新分配給不同的胺基酸，這種組合是研究人員描述為前所未見的。
「我們選擇這種原生生物來測試我們的定序流程，純屬巧合，這也顯示了外面還有什麼，並突顯了我們對原生生物遺傳學的了解是多麼的少。」
一個擁有巨大遺傳驚喜的微小生物
原生生物由於其多樣性，難以精確定義。許多是微小的單細胞生物，包括變形蟲、藻類和矽藻。其他則大得多且為多細胞生物，例如海帶、黏菌和紅藻。
「原生生物的定義很寬鬆——基本上，它是任何非動物、植物或真菌的真核生物，」McGowan 博士說。「這顯然非常籠統，因為原生生物是一個極其多變的類群。
「有些與動物關係更密切，有些與植物關係更密切。有獵食者和獵物，寄生蟲和宿主，游泳者和靜止者，還有那些飲食多樣的，而有些則進行光合作用。基本上，我們很難做出普遍性的概括。」
Oligohymenophorea sp. PL0344 屬於一類稱為纖毛蟲的生物。這些游泳的原生生物可以在顯微鏡下觀察到，並存在於許多水生環境中。纖毛蟲因其已知的遺傳密碼變異熱點，包括涉及終止密碼子的變異，而引起遺傳學家的特別關注。
當遺傳終止信號改變意義時
在大多數生物體中，三個終止密碼子 TAA、TAG 和 TGA 告訴細胞基因的結束位置：它們就像遺傳指令中的標點符號，標誌著蛋白質構建應停止。
遺傳密碼通常被描述為近乎普遍，因為大多數生物使用相同的基本規則。雖然存在變異，但它們很少見。在少數已知的遺傳密碼變異中，TAA 和 TAG 通常一起改變，並且通常意味著相同的事情。這種模式表明這兩個密碼子在演化上是相互關聯的。
「在我們所知的幾乎所有其他情況下，TAA 和 TAG 是同步改變的，」McGowan 博士解釋說。「當它們不是終止密碼子時，它們各自指定相同的胺基酸。」
這種生物卻做了不同的事情。在 Oligohymenophorea sp. PL0344 中，只有 TGA 似乎能作為終止密碼子。其他兩個信號已被重新利用。TAA 指定離胺酸，而 TAG 指定麩胺酸。研究人員還發現比預期更多的 TGA 密碼子，這可能有助於彌補其他兩個終止信號的損失。PLOS Genetics 的論文報告稱，剩餘的 UGA 終止密碼子在編碼區域之後富集，這表明它可能有助於防止翻譯過度延伸時的有害讀通。
「這是極不尋常的，」McGowan 博士說。「我們不知道還有其他情況下，這些終止密碼子與兩個不同的胺基酸相關聯。這打破了我們認為我們了解的關於基因翻譯的一些規則——這兩個密碼子曾被認為是耦合的。
「科學家們試圖工程化新的遺傳密碼——但它們也存在於自然界中。只要我們尋找，就能發現令人著迷的東西。
「或者，在這個例子中，當我們沒有尋找它們時。」
DNA 可以被視為一套指令，但指令必須先被複製和解釋才能產生影響。首先，基因被轉錄成 RNA。然後，該 RNA 複本被翻譯成胺基酸，胺基酸連接在一起形成蛋白質和其他功能分子。
翻譯從 DNA 起始密碼子 (ATG) 開始，並正常結束於終止密碼子（通常是 TAA、TAG 或 TGA）。在這個纖毛蟲中，這個熟悉的結束系統已被重新排列。這項發現表明，即使是生物學中最保守的系統之一，也可以比預期更靈活。
該團隊的基因組和轉錄組分析還確定了與重新分配的密碼子匹配的抑制 tRNA 基因，支持了該生物確實將這些前終止信號讀作胺基酸的結論。在研究中，發現 UAA 編碼離胺酸，UAG 編碼麩胺酸。
後續研究顯示纖毛蟲是遺傳規則的破壞者
後續的研究還發現，在那些咽喉咽膜綱纖毛蟲中，UAA 仍然是首選的終止密碼子，而 UAG 則反覆轉變為蛋白質編碼角色。這些發現表明，在研究不足的微生物真核生物中，遺傳密碼發生了重複的變化，並加強了纖毛蟲是標準遺傳密碼最顯著例外之一的觀點。
總之，這些發現表明遺傳密碼並不像過去看起來那麼固定。對於大多數生物來說，規則保持著驚人的穩定性。但在被忽視的微生物生命中，特別是纖毛蟲，演化一再找到了編輯指令的方法。
原始研究於 2023 年發表在 PLOS Genetics 上。該研究由 Wellcome Trust 作為 Darwin Tree of Life Project 的一部分資助，並得到英國生物技術和生物科學研究委員會 (BBSRC) 對埃爾姆研究所核心資金的支持，BBSRC 是 UKRI 的一部分。該出版物報告了存儲在公共儲存庫中的測序數據和基因組組裝資源。
由埃爾姆研究所提供的材料。注意：內容可能因風格和長度而進行編輯。
