地球上所有生物共用一套密码子吗？
地球上所有生物真的共用一套密码子吗？
在生命科学的广阔画卷中，遗传密码子无疑是连接基因指令与蛋白质功能最核心的那个环节。我们常常听到一种说法：地球上所有生物都共用一套密码子。这个说法听起来非常震撼，它暗示着生命在起源之初就共享着一套基本“语言”，并将这套语言一代代传递至今。但如果深入探究，你会发现事情比这更复杂，也更有意思。
什么是密码子？
首先，让我们快速回顾一下密码子是什么。DNA和RNA由四种碱基组成：腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T，在RNA中是尿嘧啶U）。这些碱基以特定的顺序排列，形成了遗传信息的“字母”。而密码子，就是这串字母中的一个“词汇”，它由三个连续的碱基组成，就像一个三字母单词。
这三个碱基的组合，例如AUG、GCC、UAG，就构成了密码子。而这些密码子，就像一本字典里的词条一样，对应着二十种构成蛋白质的氨基酸（当然，还有终止密码子，它们指示着蛋白质合成的结束）。例如，AUG密码子不仅编码甲硫氨酸，还是很多蛋白质合成的起始信号；GCC则编码丙氨酸。总共有64种可能的密码子组合，但由于存在冗余（不同的密码子可以编码相同的氨基酸），实际用于编码氨基酸的密码子只有61种，剩下的3种是终止密码子。
普遍性：一种令人惊叹的共性
我们说地球上所有生物共用一套密码子，主要是基于对绝大多数生物进行研究所得出的结论。从最简单的细菌到复杂的人类，从微小的病毒到庞大的鲸鱼，它们的遗传密码在绝大多数情况下都是相同的。这意味着，如果你从一个基因中提取出一段DNA序列，并将其翻译成蛋白质，那么在另一类生物中，同样一段序列很可能会被翻译成大致相同的蛋白质。
这种普遍性是生命科学研究中一个极其重要的基石。它使得我们可以利用一种生物（比如大肠杆菌或酵母菌）来研究另一个生物（比如人类）的基因功能。例如，科学家可以把人类某个基因的DNA序列插入细菌中，细菌就能按照这个人类基因的指令制造出相应的人类蛋白质。这是基因工程、生物制药等领域得以发展的重要原因之一。
但，“绝大多数”并不意味着“全部”
然而，正如科学研究总会带来新的发现一样，随着我们对生命多样性认识的不断深入，我们发现“普遍性”之下也存在着一些令人惊讶的例外。这些例外，就像语言中的方言或者某些古老的词汇一样，展示了生命在漫长的进化过程中所产生的微妙而深刻的变异。
1. 线粒体和叶绿体密码子的特殊性：
最常见也是最被广泛接受的例外发生在细胞内的特殊“能量工厂”——线粒体和叶绿体中。这些细胞器拥有自己独立的DNA，并且它们在遗传密码的使用上，与细胞核的DNA有所不同。
例如，在许多生物的线粒体中，有些密码子并不按照细胞核的通用规则来编码氨基酸。一个典型的例子是：
UGA密码子： 在通用遗传密码中，UGA是一个终止密码子，表示蛋白质合成在此处停止。但在许多线粒体中，UGA却被用来编码色氨酸。
AUA密码子： 在通用密码中，AUA编码异亮氨酸。但在一些线粒体中，它被用来编码蛋氨酸（就像AUG一样，但AUG通常是起始密码子）。
类似的，叶绿体也可能存在一些密码子的“变体”。这些差异的出现，可能与线粒体和叶绿体起源于古老的共生细菌有关。这些被早期真核生物“吸收”的细菌，可能保留了它们自己独特的密码子使用习惯，或者在进化过程中独立发展出了一些变化。
2. 特殊的生物体：
除了线粒体和叶绿体，还有一些独立的生物体，在它们自己的基因组中也展现出了密码子使用的独特方式：
某些变形虫（Amoeba）： 有研究发现，某些变形虫的遗传密码在某些方面与通用密码有所不同。例如，它们可能将一些终止密码子重新分配给氨基酸。
某些真菌： 一些真菌的基因组也可能出现密码子使用的“偏好”或微小变动，虽然这种变动通常不会像线粒体那样改变一个密码子的基本编码功能。
蓝细菌（Cyanobacteria）中的一个亚群： 有一个有趣的发现是在某些蓝细菌中，UAG密码子（通常是终止密码子）被用来编码一种特殊的非标准氨基酸——吡咯赖氨酸。这不仅仅是重新分配一个密码子的功能，而是引入了一种全新的“字母”到生命的词汇表中。
为什么会出现这些例外？
这些例外并非随机的错误，而是生命在漫长进化过程中自然选择和突变的结果。可能的原因包括：
防止有害突变的影响： 在某些情况下，改变一个密码子的编码可以使蛋白质对某些突变更加“免疫”，从而提高生存适应性。
适应特定的代谢需求： 生物体可能因为其特殊的代谢途径或环境压力，而倾向于使用某些氨基酸的组合，并因此“优化”了密码子的使用。
独立进化或基因转移： 线粒体和叶绿体的情况，很可能与它们早期作为独立生物的进化历史以及后来与宿主细胞的基因交流有关。
对非标准氨基酸的利用： 像吡咯赖氨酸的例子，显示了生物体能够“扩展”其蛋白质组成，这需要对密码子进行相应的调整。
总结：生命语言的精妙与变异
所以，当我们说“地球上所有生物共用一套密码子”时，我们是在强调生命共享的绝大多数基本编码规则。这套通用密码是连接所有生命形式的强大纽带，是生命大爆炸后延续至今的遗传信息基石。
然而，科学的魅力恰恰在于它不断揭示的精妙和变异。线粒体、叶绿体以及少数特殊生物体中的密码子变异，就像是生命语言中那些古老、独特而又充满智慧的“方言”或“注释”。它们提醒我们，即使在如此基础的生物学层面，生命也并非一成不变，而是充满了适应性、创新性和令人惊叹的多样性。这些例外不仅挑战了我们对“普遍性”的认知，更深入地揭示了生命在不同环境和进化压力下所展现出的惊人创造力。它们是生命故事中不可或缺的一部分，是理解生命如何从简单走向复杂，从统一走向多样的关键线索。
在生命科学的广阔画卷中，遗传密码子无疑是连接基因指令与蛋白质功能最核心的那个环节。我们常常听到一种说法：地球上所有生物都共用一套密码子。这个说法听起来非常震撼，它暗示着生命在起源之初就共享着一套基本“语言”，并将这套语言一代代传递至今。但如果深入探究，你会发现事情比这更复杂，也更有意思。
什么是密码子？
首先，让我们快速回顾一下密码子是什么。DNA和RNA由四种碱基组成：腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T，在RNA中是尿嘧啶U）。这些碱基以特定的顺序排列，形成了遗传信息的“字母”。而密码子，就是这串字母中的一个“词汇”，它由三个连续的碱基组成，就像一个三字母单词。
这三个碱基的组合，例如AUG、GCC、UAG，就构成了密码子。而这些密码子，就像一本字典里的词条一样，对应着二十种构成蛋白质的氨基酸（当然，还有终止密码子，它们指示着蛋白质合成的结束）。例如，AUG密码子不仅编码甲硫氨酸，还是很多蛋白质合成的起始信号；GCC则编码丙氨酸。总共有64种可能的密码子组合，但由于存在冗余（不同的密码子可以编码相同的氨基酸），实际用于编码氨基酸的密码子只有61种，剩下的3种是终止密码子。
普遍性：一种令人惊叹的共性
我们说地球上所有生物共用一套密码子，主要是基于对绝大多数生物进行研究所得出的结论。从最简单的细菌到复杂的人类，从微小的病毒到庞大的鲸鱼，它们的遗传密码在绝大多数情况下都是相同的。这意味着，如果你从一个基因中提取出一段DNA序列，并将其翻译成蛋白质，那么在另一类生物中，同样一段序列很可能会被翻译成大致相同的蛋白质。
这种普遍性是生命科学研究中一个极其重要的基石。它使得我们可以利用一种生物（比如大肠杆菌或酵母菌）来研究另一个生物（比如人类）的基因功能。例如，科学家可以把人类某个基因的DNA序列插入细菌中，细菌就能按照这个人类基因的指令制造出相应的人类蛋白质。这是基因工程、生物制药等领域得以发展的重要原因之一。
但，“绝大多数”并不意味着“全部”
然而，正如科学研究总会带来新的发现一样，随着我们对生命多样性认识的不断深入，我们发现“普遍性”之下也存在着一些令人惊讶的例外。这些例外，就像语言中的方言或者某些古老的词汇一样，展示了生命在漫长的进化过程中所产生的微妙而深刻的变异。
1. 线粒体和叶绿体密码子的特殊性：
最常见也是最被广泛接受的例外发生在细胞内的特殊“能量工厂”——线粒体和叶绿体中。这些细胞器拥有自己独立的DNA，并且它们在遗传密码的使用上，与细胞核的DNA有所不同。
例如，在许多生物的线粒体中，有些密码子并不按照细胞核的通用规则来编码氨基酸。一个典型的例子是：
UGA密码子： 在通用遗传密码中，UGA是一个终止密码子，表示蛋白质合成在此处停止。但在许多线粒体中，UGA却被用来编码色氨酸。
AUA密码子： 在通用密码中，AUA编码异亮氨酸。但在一些线粒体中，它被用来编码蛋氨酸（就像AUG一样，但AUG通常是起始密码子）。
类似的，叶绿体也可能存在一些密码子的“变体”。这些差异的出现，可能与线粒体和叶绿体起源于古老的共生细菌有关。这些被早期真核生物“吸收”的细菌，可能保留了它们自己独特的密码子使用习惯，或者在进化过程中独立发展出了一些变化。
2. 特殊的生物体：
除了线粒体和叶绿体，还有一些独立的生物体，在它们自己的基因组中也展现出了密码子使用的独特方式：
某些变形虫（Amoeba）： 有研究发现，某些变形虫的遗传密码在某些方面与通用密码有所不同。例如，它们可能将一些终止密码子重新分配给氨基酸。
某些真菌： 一些真菌的基因组也可能出现密码子使用的“偏好”或微小变动，虽然这种变动通常不会像线粒体那样改变一个密码子的基本编码功能。
蓝细菌（Cyanobacteria）中的一个亚群： 有一个有趣的发现是在某些蓝细菌中，UAG密码子（通常是终止密码子）被用来编码一种特殊的非标准氨基酸——吡咯赖氨酸。这不仅仅是重新分配一个密码子的功能，而是引入了一种全新的“字母”到生命的词汇表中。
为什么会出现这些例外？
这些例外并非随机的错误，而是生命在漫长进化过程中自然选择和突变的结果。可能的原因包括：
防止有害突变的影响： 在某些情况下，改变一个密码子的编码可以使蛋白质对某些突变更加“免疫”，从而提高生存适应性。
适应特定的代谢需求： 生物体可能因为其特殊的代谢途径或环境压力，而倾向于使用某些氨基酸的组合，并因此“优化”了密码子的使用。
独立进化或基因转移： 线粒体和叶绿体的情况，很可能与它们早期作为独立生物的进化历史以及后来与宿主细胞的基因交流有关。
对非标准氨基酸的利用： 像吡咯赖氨酸的例子，显示了生物体能够“扩展”其蛋白质组成，这需要对密码子进行相应的调整。
总结：生命语言的精妙与变异
所以，当我们说“地球上所有生物共用一套密码子”时，我们是在强调生命共享的绝大多数基本编码规则。这套通用密码是连接所有生命形式的强大纽带，是生命大爆炸后延续至今的遗传信息基石。
然而，科学的魅力恰恰在于它不断揭示的精妙和变异。线粒体、叶绿体以及少数特殊生物体中的密码子变异，就像是生命语言中那些古老、独特而又充满智慧的“方言”或“注释”。它们提醒我们，即使在如此基础的生物学层面，生命也并非一成不变，而是充满了适应性、创新性和令人惊叹的多样性。这些例外不仅挑战了我们对“普遍性”的认知，更深入地揭示了生命在不同环境和进化压力下所展现出的惊人创造力。它们是生命故事中不可或缺的一部分，是理解生命如何从简单走向复杂，从统一走向多样的关键线索。
网友意见
主体是相似的，非标准密码子、Z 碱基、密码子偏好性（https://www.zhihu.com/answer/1194350819）之类提供了细节差异，还有一部分生物只使用一部分密码子。
三十二个遗传密码就能表示 20 种氨基酸，存在这样使用遗传密码的现代生物，而且有六百多种，历史上大概更多：
Duax, W. and Redlinski, j. (2014), A genetic code with only 32 codons in LUCA (569.1). The FASEB Journal, 28: 569.1. A genetic code with only 32 codons in LUCA (569.1)
线粒体的遗传密码就有和标准遗传密码不同的地方，不同生物的线粒体还可以有不同的遗传密码。
支原体将 UGA 翻译为色氨酸。
纤毛虫将 UAG（有时候还有 UAA）翻译为谷氨酰胺，一些绿藻也有同样现象，也有纤毛虫将UGA翻译为半胱氨酸。
一些酵母菌会将 GUG 翻译为丝氨酸。
某些蛋白质会有 AUG 以外的起始密码子。
Z 碱基：
- 1977 年，苏联研究人员发现一种感染光合细菌的噬菌体的基因组中所有的 A 碱基都被 2-氨基腺嘌呤取代，该碱基后来被称为 Z[1]。
- 二十一世纪初，更多的研究人员在 200 多种噬菌体中发现了 Z 碱基，发现了一种制造 Z 碱基的酶，以及一种降解未结合在 DNA 链上的 A 核苷酸的酶。
- Z 碱基看起来是 A 碱基的化学修饰，是一个带有额外附件的腺嘌呤。其变化允许 Z 核苷酸与 T 核苷酸形成三重氢键，比将 AT 连接在一起的双键更稳定，可以抵抗细菌的 CRISPR。
- Z 碱基还可能影响 DNA 的其他物理特性，并表明一些被我们当做表观遗传的东西可能不仅如此。
要注意我们目前无法培养地球上的大部分微生物，根本就不知道还有多少不常见的碱基。如果某些微生物的核酸分子骨架发生了更大的变化，它可以变得连核酸都不是。
看起来，大部分现存生物的遗传密码的密码子-氨基酸分配[2]不是完全随机的，而是自然选择塑造的，经过优化来产生一定限度之内的遗传多样性，并保护细胞免受蛋白质合成过程中最常发生的各种错误的影响。
- 表示相同氨基酸的多个密码子往往仅在第三个位置的核苷酸不同，因为这是细胞翻译机器最可能出错的地方。以谷氨酸为例，它由 GAG 和 GAA 指定。
- 三个核苷酸中有两个相同而指定不同氨基酸的密码子，指定的往往是具有相似的关键化学特性的氨基酸。于是，发生遗传错误后蛋白质还是能大致折叠成预期的样子，保留原本的功能或至少是部分功能。
Freeland 等学者计算比较了真实的遗传密码与随机分配密码在抵抗随机突变时的效果，确定现在生物使用的遗传密码胜过几乎所有的随机分配，但并不完美。它可能是局部最优的：
- 20 种常见的蛋白氨基酸比较均匀地分布在广泛的疏水性、大小和电负性值范围内，可能与目前的遗传密码建立了较为稳定的关系；
- 添加更多碱基可能让突变更难控制，后果不完全是积极的；
- 在漫长的进化时间尺度上，拥有额外的氨基酸可能允许生物以新的方式适应环境，但短期收益可能不足以让额外的氨基酸保留下来；
- 在同种生物的种群内部，“碱基的大幅增减”“蛋白氨基酸数量的大幅增减”这样涉及遗传密码的重大创新可能难以站稳脚跟。
人类可以改变密码子表：
通过在 DNA 中添加两种碱基，化学家弗洛伊德·罗梅斯伯格领导的研究人员将三位密码子的数量增加到 216 个。另有研究人员搞出了 8 种碱基的 DNA[3]。
Steven Benner 和他的同事制作了 12 种碱基的遗传密码表，尽管他们还没有将新的碱基对放入活细胞中。
哈佛大学著名遗传学家 George Church 多次成功地用生物体内冗余的密码子指定非标准氨基酸。可以参照：
如何看待首个「百毒不侵」的生命体问世？对于人类而言有何意义？
- 将大肠杆菌的几个密码子重新分配到非标准氨基酸，从而让病毒无法利用这些密码子来劫持大肠杆菌的分子机器以复制自身。这些大肠杆菌不会被实验所用的大肠杆菌噬菌体感染[4]。
- 2019 年，该研究团队从头开始合成了大肠杆菌的完整基因组，替换了基因组中的一些密码子：用 AGC 和 AGT 替换了 TCG 和 TCA，用 TAA 取代了 TAG。
- 2021 年发表的是，该研究团队移除了大肠杆菌用来识别 TCG 和 TCA 密码子的 tRNA，从而让这些大肠杆菌不能正确制造含有这些密码子的病毒。
英国生物化学家创造出可以读取四个核苷酸（而不是三个）组成的密码子的核糖体，其效率并没有像一些人猜测的那样特别地降低。
参考
- ^ 通常， C 与 G 配对，T 与 A 配对。这种噬菌体则是 T 与 Z 配对。在基因转录期间，TZ 被当作 TA。
- ^ 四种核苷酸碱基、三个核苷酸一组，可以组成 64 个密码子，每 1 到 6 个密码子指定最常用的 20 种蛋白氨基酸中的每一种，还有 3 个表示停止构建蛋白质。第二十一种蛋白氨基酸“硒半胱氨酸”、第二十二种蛋白氨基酸“吡咯赖氨酸”分别用通常的终止密码子 UGA 和 UAG 编码，出现在少数蛋白质中。许多生物使用非标准密码子。线粒体的遗传密码就有和标准遗传密码不同的地方，不同生物的线粒体还可以有不同的遗传密码。 支原体将 UGA 翻译为色氨酸。 纤毛虫将 UAG（有时候还有 UAA）翻译为谷氨酰胺，一些绿藻也有同样现象，也有纤毛虫将UGA翻译为半胱氨酸。 一些酵母菌会将 GUG 翻译为丝氨酸。 某些蛋白质会有 AUG 以外的起始密码子。
- ^ 如何解读 2019年2月22日《科学》发表的合成生物学新突破「八碱基遗传系统Hachimoji」？ - 孟凡康的回答 - 知乎 https://www.zhihu.com/question/313265388/answer/605701486
- ^ Sense codon reassignment enables viral resistance and encoded polymer synthesis BY WESLEY E. ROBERTSON, LOUISE F. H. FUNKE, DANIEL DE LA TORRE, JULIUS FREDENS, THOMAS S. ELLIOTT, MARTIN SPINCK, YONKA CHRISTOVA, DANIELE CERVETTINI, FRANZ L. BÖGE, KIM C. LIU, SALVADOR BUSE, SARAH MASLEN, GEORGE P. C. SALMOND, JASON W. CHIN SCIENCE04 JUN 2021 : 1057-1062
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