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本文对20个细菌、16个古细菌和2个真核全基因组序列进行了统计分析,发现了古细菌基因起始区域的一个特有的翻译相关信号,并对其作用机制进行了推测和讨论。
通过计算发现16种古细菌中有11种在基因翻译起始位点下游第9位,即第4个阅读框的位置高频出现ATG。这一现象在所有同时计算的20个细菌和2个真核基因组中均未出现。为进一步研究+9位ATG的作用,将ATG起始的基因和非ATG起始的基因分开计算,结果发现只有非ATG起始的基因在下游第九位才高频出现ATG,而ATG起始的基因在这一位置的ATG频率只呈背景水平。古细菌所处的极端环境很容易减弱核糖体对mRNA的作用,因此可以想象核糖体更容易从较弱的非ATG起始密码子处滑过,而下游+9位的框内ATG很可能在这个时候充当替补性的起始位点,这样这些基因就减少了翻译中断的危险。+9位ATG的存在看来是古细菌保证翻译效率的一种保护机制。在4个嗜热细菌基因组中也没有发现+9位高频ATG,因此,倾向于认为古细菌+9位高频出现ATG应该不是恶劣环境的简单结果,它更多地反映了古细菌翻译机制本身的特点,即古细菌翻译的准确性不够高。由于古细菌现在的生存环境更接近于生命早期的状态,而且它们是进化中最缓慢的一支。因而,推断古细菌+9位高频出现ATG这一现象很可能反映了共同祖先的状态。
研究了古细菌+9位ATG和其它翻译相关信号(SD序列及基因表达量)的关系。发现古细菌中那些非ATG起始且+9位为ATG的基因总伴随着很弱的SD序列,并且它们相对富集于理论基因表达量高(E值>=1)的基因中。可见,对于古细菌来说,SD序列、起始密码子及+9位ATG似乎是此消彼长的关系。而且,这些基因对于古细菌相对比较重要,所以由于选择压力的作用,它们更容易保持比较原始的特征。
发现了大部分古细菌基因组翻译起始位点上游-30位都出现了独特的富含AA、TT的信号,而在细菌和真核基因组中均未发现这一现象。通过研究这一信号与起始密码子、SD序列和基因理论表达量之间的关系,发现-30信号应与古细菌的翻译无关。于是将目光转向转录,发现古细菌翻译起始位点上游-30位富含AA、TT信号是由无前导序列基因(1eaderlessgene)的转录启动子序列引起的,这些基因的翻译起始位点与转录起始位点重合。从而得出结论:大部分的古细菌基因组中存在leaderless基因,存在leaderless基因是古细菌界的基本特征。古细菌中这些leaderless基因的翻译起始很可能不需要mRNA和rRNA的相互作用,位于mRNA5’末端的起始密码子可能直接被核糖体以一种未知的方式识别。这种“leaderless”起始方式很可能是密码子识别的最原始的方式。