科学故事：第22种氨基酸的发现

氨

基

酸

1986年以前，人们一直认为，出现在蛋白质分子中的由遗传密码编码的标准氨基酸只有20种。

1986年，科学家们终于在含硒蛋白中发现第二十一种标准氨基酸——含硒半胱氨酸。

时隔16年之后，2012来自俄亥俄州立大学的两个研究小组报道，他们识别出世界上第22种由遗传基因编码的氨基酸，这一生物学发现可与物理学家发现了一个新基本粒子或化学家发现了一种新新基本粒子或化学家发现了一种新元素相媲美。

两个研究小组的文章都发表在本期的《科学》杂志上。此前，科学家们一直认为，蛋白质的基本组成单位——氨基酸，天然形式只有21种。

自破解DNA的双螺旋结构，揭开三联体遗传密码之谜30年来，科学家们一直认为只存在20种天然氨基酸。然而在1986年，一个研究小组打破了这一数字藩篱，宣布他们发现了第21种氨基酸——硒代半胱氨酸。

硒代半胱氨酸

而这次第22种氨基酸的发现意味着，利用现代基因组测序技术，可能会有更多的氨基酸浮出水面。

这一发现来自于对一种特殊类型微生物——产甲烷菌——如何将含甲基化合物转化为甲烷的基础生化研究。虽然研究人员早就了解醋酸盐和二氧化碳转化成甲烷的生化机制，但他们不知道一种普通化合物——甲胺——究竟是如何转化成这种气体的。

由微生物学副教授Joseph A. Krzycki领导的研究小组对产甲烷菌的一个特殊株系——巴氏甲烷八叠球菌（Methanosarcina barkeri）已进行了几年的研究。巴氏甲烷八叠球菌是最近识别出的古菌之一，它能够将一甲铵、二甲甲胺和三甲胺转化成二氧化碳、甲烷等导致温室效应的气体。

Krzycki的研究小组1995年就已分离出与此过程有关的特异蛋白。两年后，他们又分离并测序了其中一个有关基因。在接下来的1998年，他们发表文章，宣布该基因一个叫做框内琥珀密码子（in-frame amber codon）的成分行为异常。

密码子是存在于mRNA中的三个相邻的核苷酸序列，是蛋白质合成中某一特定氨基酸的编码单位。正常情况下，密码子会发出开始或结束一种蛋白质合成的信号。但奇怪的是，Krzycki研究小组发现的这个密码子本应发出停止蛋白质合成的信号，但它却没有。

“Joe和他的同事发现，这一意外事件对于所有三种甲胺化合物都十分重要－－这种情况本不该发生。”俄亥俄州立大学的生物化学和化学副教授Michael Chan解释说。Chan领导的另一研究小组识别并确定了这个氨基酸的结构。

这个密码子怪异的行为提示我们可能存在一种新氨基酸，但研究人员知道也存在其它的可能性。Krzycki和他的同事将蛋白质降解为多肽小片段，开始对其进行测序——这一过程最终可以揭示组成蛋白质的氨基酸序列。

“所有疑点都指向一种正常的氨基酸——赖氨酸。”Chan说。尽管如此，Krzycki仍然要求Chan和他的博士研究生Bing Hao推算含有这种氨基酸的蛋白质的晶体结构。经过两年的努力，Hao和Chan终于确定了该蛋白质的晶体结构，其中一部分显示出一种新氨基酸的迹象。

同时，Krzycki 也在寻找其它的证据。他和他的博士研究生Gayathri Srinivasan和Carey James最终发现了插入这个新氨基酸到蛋白质中所需的特异转运RNA（tRNA），以及另外一个插入过程必需的酶。这两个发现，以及蛋白质详细晶体结构的破译，证实了两个研究小组的推测：他们发现了一种新的由遗传基因编码的氨基酸——吡咯赖氨酸（pyrrolysine ）——这是迄今发现的第22种天然氨基酸。

“我们意识到我们必需查明究竟是哪个tRNA破译这个琥珀密码子。”Krzycki解释说。“这是揭开谜底的必经之路。”

他认为，这是一种非常罕见的氨基酸，因而如此之久才被发现。然而，Krzycki 相信这种氨基酸也可能存在于产甲烷菌以外的其它生物体中。他对这项发现的意义有着自己的见解：“吡咯赖氨酸的发现告诉我们，遗传密码，以及与此有关的进化的可塑性比我们想象的要强得多。”

Chan对此表示赞同，他指出，第22种氨基酸的发现极有可能鼓励研究人员去寻找第23种、第24种氨基酸。“现在已有这么多研究人员，破译了这么多基因组，我们有理由相信有更多的氨基酸等着我们去发现。”

“我认为，这项工作将促使研究人员重新审视以前发现的那些认为只是简单异常的遗传序列。”他说。“由此，他们可能会有和我们一样的发现。”

该研究由美国国家科学基金会、国家卫生院、能源部以及Alfred P. Sloan基金会资助。其它参与研究的研究人员还包括Weimin Gong 和Tsuneo Ferguson。