解碼遺傳密碼: 密碼子使用影響基因調控的機制( I )

"密碼子使用偏移 (codon usage bias) 是描述某些特定的密碼子相對於其他同義密碼子 (synonymous codons) 在開放讀序框架 (open reading frame) 中被頻繁使用的現象。密碼子使用偏移廣泛存在在目前已知的基因體中。因此，嘗試了解造成密碼子使用偏移的原因及目的在生物學領域中是一個非常活躍的命題。從演化的角度而言，密碼子使用偏移是隨機突變效應與基因調控選擇兩者平衡而產生的結果。許多非常有趣的理論針對上述兩個對於造成密碼子使用偏移的主要因素已經被提出，比如說:影響蛋白質轉譯、影響基因表達、GC含量的效應、影響核醣核酸剪接、影響
信使核醣核酸穩定性、密碼子的位置、基因的長度、重組的效率等等。但是，這些理論通都缺乏扎實的實驗證據的支持。利用模式絲狀真菌(紅色麵包菌 Neurospora crassa)及模式動物(果蠅 Drosophila melanogaster)，我們提出實驗證據顯示密碼子使用偏移會影響信使核醣核酸的表達及蛋白質的共轉譯折疊。準確地說，一個長串的較不頻繁使用的密碼子會導致組蛋白上的第九個離胺酸被三甲基化(H3K9me3)而沉默基因的表現。此外，我們也發現不頻繁使用的密碼子可以減慢核醣體翻譯的速度進而影響蛋白質的共轉譯摺疊。由密碼子調控蛋白質轉譯的角度，仍然有許多有趣的問題還不清楚，比如說: 1)轉移核醣核酸（tRNA）的表達量與密碼子使用偏移的關係？2) 在多細胞生物中,每種細胞的密碼子使用偏好都相同? 3) 密碼子如何調控核醣體轉譯效率？4)生物體如何覺得在哪裡使用那些密碼子以調控蛋白質摺疊？我們提出研究計畫來回答上述的問題。在目標一，我們將利用不同組織來源的細胞,測定其tRNA 表達量與密碼子使用和基因表關係。我們會更進一步去探討如果這個平衡被破壞後對於細胞功能的影響。目標二將會從結構面向來探討特定相鄰密碼子如何延緩核醣體轉譯速度。目標三將會利用秀麗隱桿線蟲的核醣核酸基因削減技術來尋找新穎因子會透過密碼子使用來調控基因表達。在目標四，我們將利用結合同義胺基酸突變庫與噬菌體呈現技術(phage display technology)以了解在細胞中,各個胺基酸的同義密碼子如何被選擇來達到有效率的影響蛋白摺疊。我們希望這研究可以幫助大家了解基因體在各個物種中是如演化以造就現現今的基因體形式。"