Nature：深入第二套遗传密码

　　

生物通报道：基因的表达过程是将DNA上的遗传信息传递给mRNA, 然后再经过翻译将其传递给蛋白质。在翻译过程中tRNA负责与特定氨基酸结合，并将它们运送到核糖体，这些氨基酸在那里相互连接形成蛋白质。这一过程由tRNA合成酶介导，一旦出现问题就会生成错误的蛋白质，进而造成灾难性的后果。值得庆幸的是，tRNA分子与氨基酸的匹配非常精确，只不过迄今为止人们对这种机制还缺乏足够的了解。

日前，日本RIKEN、东京大学等机构的科学家们在本周的Nature杂志上发表文章，描述了一个确保tRNA合成酶、tRNA和氨基酸正确配对的巧妙机制。正是在这种机制的保驾护航之下，细胞才能够将遗传密码精确翻译成为细胞所需的功能性蛋白。

氨基酸与相应tRNA的结合是否准确，对于蛋白质能否正确合成非常重要。正因如此，人们也将氨基酸与tRNA的配对称为第二套遗传密码。（延伸阅读：Science：本不应出现的蛋白挑战翻译法则）

RIKEN结构生物学实验室的Shigeyuki Yokoyama领导团队，利用晶体学技术对一种古生菌的tRNA配对进行了研究。他们发现，丙氨酰-tRNA合成酶通过几何学特征精确识别tRNA，只允许丙氨酸的tRNA与酶的活性区域接触。而这一过程依赖于一个摆动配对（wobble base pair）。DNA双螺旋中的碱基配对原则很严格，即A配T，G配C。但tRNA反密码子并不严格遵循这样的原则，存在摆动配对或不稳定配对的现象。

研究显示，这种摇摆配对（G3•U70）位于tRNA的接纳茎。研究人员对野生型tRNA（G3•U70）和突变型tRNA（A3•U70）进行了比较，发现突变tRNA虽然能与丙氨酰-tRNA合成酶结合，但无法接触到活性区域，二者形成的复合物处于“无活性状态”。

研究人员指出，tRNA合成酶只利用一个碱基对的差异，就实现了更准确地识别。与突变tRNA相比，野生tRNA的总体酶反应要快100倍。

这项研究向人们展示，生物体可以利用微小的结构改变，实现遗传密码的精确翻译。这种tRNA接纳茎的识别机制，属于第二套遗传密码的一部分，有助于人们进一步理解生物学机制的精密性。

 

生物通编辑：叶予

生物通推荐原文摘要：

The selective tRNA aminoacylation mechanism based on a single G•U pair

Ligation of tRNAs with their cognate amino acids, by aminoacyl-tRNA synthetases, establishes the genetic code. Throughout evolution, tRNAAla selection by alanyl-tRNA synthetase (AlaRS) has depended predominantly on a single wobble base pair in the acceptor stem, G3•U70, mainly on the kcat level. Here we report the crystal structures of an archaeal AlaRS in complex with tRNAAla with G3•U70 and its A3•U70 variant. AlaRS interacts with both the minor- and the major-groove sides of G3•U70, widening the major groove. The geometry difference between G3•U70 and A3•U70 is transmitted along the acceptor stem to the 3′-CCA region. Thus, the 3′-CCA region of tRNAAla with G3•U70 is oriented to the reactive route that reaches the active site, whereas that of the A3•U70 variant is folded back into the non-reactive route. This novel mechanism enables the single wobble pair to dominantly determine the specificity of tRNA selection, by an approximate 100-fold difference in kcat.