鸟类将tRNA效率提升到了新的高度

鸟类在许多方面的进化塑造了它们，使它们区别于它们的脊椎表亲。在数百万年的进化过程中，我们有羽毛的朋友已经飞上了天空，伴随着它们骨骼、肌肉系统、呼吸系统甚至生殖系统的独特变化。最近的基因组分析发现了鸟类谱系的另一个独特的方面:流线型基因组。虽然鸟类的基因组中包含的蛋白质编码基因的数量与其他脊椎动物大致相同，但它们的基因组更小，包含的非编码DNA更少。科学家们仍在探索这种基因组减少对鸟类生物学的潜在影响。Claudia Kutter和她的同事在《基因组生物学与进化》(Genome Biology and Evolution)上发表了一篇新文章，题为《基因组大小减少和转座子活性影响tRNA基因多样性，同时确保鸟类的翻译稳定性》(Genome size reduction and transposon activity impact tRNA gene diversity while ensuring translational stability in birds)。尽管如此，它们仍表现出与其他脊椎动物相同的tRNA使用模式。由于tRNA是将信使RNA (mRNA)转化为蛋白质的细胞机制的关键部分，这表明鸟类已经进化到更有效地使用它们有限的tRNA库。

为了保证蛋白质的有效翻译，有许多因素参与维持trna平衡池。虽然理论上有64种可能的反密码子——在翻译过程中与mRNA密码子形成碱基对的3个核苷酸序列——但只有20种标准氨基酸，这意味着通常会有带有不同反密码子的trna与同一种氨基酸结合，称为异受体家族。此外，密码子和反密码子的第三位核苷酸配对的几何结构允许“摇摆”碱基配对，使一个tRNA反密码子与多个密码子结合。tRNA基因，即使在相同的同种受体家族中，也可能在它们的序列、转录率和翻译效率上存在差异。由于所有这些因素，确保足够的各种tRNA分子在细胞中有效翻译是一个复杂的生物学问题。

为了研究在脊椎动物中解决这个问题的不同方式，Kutter和她的合作作者来自瑞典卡罗林斯卡学院和乌普萨拉大学——包括博士后简特·奥腾伯格、研究生耿科伊，乌普萨拉大学助理教授Alexander Suh首次全面概述了脊椎动物的tRNA多样性和进化。(奥腾伯格在他的博客《鸟类杂交》(Avian Hybrids)上撰文介绍了他们的研究，包括这种令人惊讶的合作方式。)基于他们在哺乳动物中的发现，作者推断出一套统一的500个tRNA基因，他们希望在不同的谱系中保持相对一致。然而，当他们将55个鸟类基因组加入到他们的研究中时，他们发现了一些意想不到的发现:“令我们惊讶的是，脊椎动物之间的差异比我们预期的要大得多，”Kutter说。特别值得一提的是，鸟类的基因组中平均只有169个tRNA基因，而爬行动物有466个，哺乳动物有579个，鱼类有813个，两栖动物有1229个。根据Kutter的说法，“虽然正在进行的基因组组装工作已经表明，鸟类的基因组较小，但我们没有预料到这也会影响tRNA基因，因为tRNA基因冗余确保了足够的tRNA分子被转录，以实现有效的mRNA翻译。”

这让作者们产生了一个新问题:这种trna的收缩对鸟类的翻译意味着什么?当tRNA基因数量和复杂性大大减少与其他脊椎动物相比,一般来说,作者发现偏好某些isoacceptor家庭符合摆动配对策略中观察到其他真核基因组,表明鸟类tRNA基因的使用遵循整个密码子使用的脊椎动物。这使得研究人员认为功能限制图示中看到其他脊椎动物早期鸟类进化期间维持:“尽管减少数百万年前(图示),tRNA的反密码子和mRNA密码子仍是平衡的鸟类,以确保最佳转化效率。”

该研究的另一个令人惊讶的因素是转座因子对鸟类基因组中tRNA基因库的影响。在一些鸟类基因组研究中，除了发现功能性tRNA基因外，Ottenburghs等人还发现了嵌入转座子中的数百，有时数千个tRNA样序列。当大多数转座因子被表观遗传控制机制沉默并失去功能时，一些可能仍然活跃并通过它们的动员产生新的调控作用。通过转座子的增殖，嵌入的tRNA样序列可能被携带到新的基因组位置，在那里选择将限制tRNA基因序列，而伴随的转座子序列可能被侵蚀。这一过程有助于形成一些鸟类基因组中可用的tRNA基因库，为这个脊椎动物谱系的tRNA基因进化增加了另一层复杂性。

根据库特的说法，这里的教训是“我们应该重新考虑我们当前关于基因功能冗余的假设。”为了进一步探索这一想法，Kutter计划扩展这项工作，包括更好的机械洞察力和更多的功能基因组研究。“研究更多的物种，更深入地研究分支，以及研究蛇的基因组和早期脊椎动物的辐射，这将是富有洞察力的。”进行超越当前模式生物的研究可能会揭示更多意想不到的发现。”这些潜在研究的一个局限性是，它们需要获得高质量的基因组组合和资源，比如来自不同发育时间点的组织样本，以及适用于跨物种的抗体等试剂。然而，库特相信这些努力会在长期内得到回报:“我们的工作再次向我们表明，进化仍有许多惊喜，我们可以通过观察模式有机体之外的事物来窥见这些惊喜。”

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