對于絕大多數(shù)物種來說，外界所能提供的能源是有限的，如何有效利用有限的資源，往往對物種的生存起決定作用。中國科學(xué)院北京基因組研究所基因組科學(xué)與信息重點實驗室胡松年組客座研究員陳衛(wèi)華以及德國杜塞爾多夫大學(xué)、歐洲分子生物實驗室的合作者們從全新的角度出發(fā)，對“能量節(jié)省”壓力下基因組的演化情況進行了系統(tǒng)研究。研究成果于4月21日在Nature communications 雜志上在線發(fā)表。

　　研究人員首先為細胞內(nèi)最重要的兩類大分子——核酸和氨基酸加上了“價格標(biāo)簽”，即它們合成時所需要的ATP數(shù)量。各個分子的價格是不一樣的，比如核酸A大約是T的1.5倍，而G則是C的1.3倍；氨基酸則普遍比核酸要貴些。從“價格”的角度看，任何DNA突變（比如從A變?yōu)門），不論是否有功能上的影響，都會帶來價格上的變動。

　　由于基因組上的蛋白編碼區(qū)會被轉(zhuǎn)錄成千上萬次，當(dāng)編碼區(qū)發(fā)生突變時，核酸價格上的變動會因轉(zhuǎn)錄而放大。因此研究人員推測，轉(zhuǎn)錄會促使編碼區(qū)傾向于使用便宜的堿基。通過分析公共數(shù)據(jù)庫里的1500個細菌基因組，這一推測得到了驗證。

　　轉(zhuǎn)錄生成的mRNA還會通過翻譯指導(dǎo)蛋白質(zhì)的生成；也就是說，mRNA上的信息會被進一步擴增。當(dāng)編碼區(qū)的突變改變編碼的氨基酸時，比如nonsynonymous 位點（ns 位點），不同氨基酸價格上的差異也會被放大。假設(shè)“能量節(jié)省”在氨基酸水平也是成立的，那么翻譯會促使編碼區(qū)（至少是編碼區(qū)的ns位點）編碼較便宜的氨基酸。

　　也就是說，在不考慮功能問題的前提下，編碼區(qū)ns位點的突變方向，不僅取決于突變前后核酸的價格變化，還取決于氨基酸的價格變化。那么核酸與氨基酸之間的對應(yīng)關(guān)系是由什么決定的呢？密碼子表！

　　通過模擬，研究人員發(fā)現(xiàn)一個有趣的現(xiàn)象，即高價的核酸編碼出來的氨基酸比較便宜；而低價的核酸編碼出來的氨基酸比較貴。他們把這種現(xiàn)象稱為能量權(quán)衡（energy tradeoff）。

　　也就是說，在ns位點上，由于得到的mRNA便宜，轉(zhuǎn)錄傾向于使用便宜的核酸，而因為得到的氨基酸便宜，翻譯傾向于使用貴的核酸。由于氨基酸的平均價格更高，ns位點總體上傾向于使用貴的核酸。

　　由于轉(zhuǎn)錄和翻譯是選擇的兩大助力，這種趨勢隨編碼基因的表達豐度而更為顯著。

　　除研究本身所揭示的現(xiàn)象之外，該結(jié)果還在進化生物學(xué)領(lǐng)域有廣泛的影響：從能量利用的角度看，所有突變都會受到選擇；G+C的價格高于A+T；同時高GC%的密碼子編碼出來的氨基酸更便宜。也就是說，基因組的GC含量( GC-content )決定了細胞能量在RNA和蛋白質(zhì)之間的分配。低GC%的物種中，蛋白質(zhì)較貴，會占用更多的細胞資源。這就意味著低GC%的基因組沒辦法負擔(dān)很多的編碼基因；這也解釋了為什么低GC%的物種基因組往往較小，而高GC%物種的基因組可以較大。

　　當(dāng)兩個codon編碼同一氨基酸時（synonymous codon），能量節(jié)省原則會優(yōu)先使用價格便宜的codon。因此，能量節(jié)省是造成密碼子使用偏好（codon usage bias）的動力之一，但能量節(jié)省并不是細胞內(nèi)的唯一原則。細胞中tRNA的拷貝數(shù)往往與codon的使用頻率相匹配，這種現(xiàn)象被稱為二者的共進化。該研究第一次為這種關(guān)聯(lián)指出了方向性。