突变氨基酸检测
生物学家劳伦斯·赫斯特和斯蒂芬·弗里兰在20世纪90年代末把天然基因密码和计算机随机产生的几百万组密码拿去比对,结果轰动一时。他们想知道,如果发生点突变这种把一个字母换掉的变异,哪一套密码系统能保留最多正确的氨基酸,或将它代换成另一个性质相似的氨基酸。
结果他们发现,天然的基因密码最经得起突变的考验。点突变常常不会影响氨基酸序列,而如果突变真的改变了氨基酸,也会由另一个物理特性相似的氨基酸来取代。据此,赫斯特与弗里兰宣称,天然的遗传密码比成千上万套随机产生的密码要优良得多。它不但不是大自然密码学家愚蠢而盲目的作品,而是万里挑一的密码系统。
天然的三联基因密码的第一个字母都有特定的对应方式。举例来说,所有以丙酮酸为前体合成的氨基酸,它们密码的第一个字母都是T。所有由α-酮戊二酸所合成的氨基酸,其三联密码第一个字母都是C;所有由草酰乙酸合成的氨基酸,第一个字母都是A;最后,几种简单前体通过单一步骤所合成的氨基酸,第一个字母都是G。
三联密码的第二个字母和氨基酸是否容易溶于水有关,或者说和氨基酸的疏水性有关。亲水性氨基酸会溶于水,疏水性氨基酸不会溶于水,但会溶在脂肪或油里,比如溶在含有脂质的细胞膜里。所有的氨基酸,可以从“非常疏水”到“非常亲水”排列成一张图谱,而正是这张图谱决定了氨基酸与第二个密码字母之间的关系。疏水性最强的六个氨基酸里有五个,第二个字母都是T,所有亲水性最强的氨基酸第二个字母都是A。介于中间的有些是G有些是C。
三联密码的第三个字母不含任何信息,不管接上哪一个字母都没关系,这组密码子都会翻译出一样的氨基酸。以甘氨酸为例,它的密码子是GGG,但是最后一个G可以代换成T、A或C。
第三个字母的随机性暗示了一些有趣的事情。二联密码可以编码16种氨基酸。如果我们从20个氨基酸里拿掉5个结构最复杂的(剩下15个氨基酸,再加上一个终止密码子)这样前两个字母与这15个氨基酸特性之间的关联就更明显了。因此,最原始的密码可能只是二联密码,后来才靠“密码子捕捉”的方式成为三联密码,也就是各氨基酸彼此竞争第三个字母。
第一个字母和氨基酸前体之间的关系直截了当,第二个字母和氨基酸的疏水性相关,第三个字母可以随机选择。这套密码系统除了可以忍受突变,还可以降低灾难发生时造成的损失,同时可以加快进化的脚步。因为如果突变不是灾难性的,那应该会带来更多的好处。
三问“奥密克戎”:有超多突变就是“超级病毒”吗?
来源:科技日报

资料图。图源:视觉中国
凭借在关键蛋白上的30多个突变氨基酸,新冠病毒变异株“奥密克戎”一经报告,很快被世卫组织定为“要犯”(VOC)。
新冠毒株“奥密克戎”的位点突变数“陡涨”,超多突变究竟从哪里来?变化会不会成为“超级突变”?疫苗、药物还有效吗?
带着对“奥密克戎”的三问,科技日报独家采访了北京化工大学生命科学与技术学院院长、中国—世界卫生组织新冠病毒溯源联合研究专家团队动物与环境组中方组长童贻刚。
一问:超多突变从哪里来?
“病毒的变异都有一定的频率和速度。”童贻刚解释,相较于易变的流感病毒,新冠病毒由于存在“纠错”机制,频率和速度稍慢。
什么是“纠错”机制?就是病毒在进行增殖时,会根据“亲代”的RNA链一一配对,如果“配”错了,会被“纠错”机制发现:抄得不对,重写!这样产生的下一代病毒的序列就会大致上和上一代相同,不会错误那么多。
“如果与新冠病毒的复制功能、校正功能相关的蛋白发生了改变,那么它的纠错机制被削弱,就可能会导致更多突变。”童贻刚推测,如果“奥密克戎”变异株真的是加速变异了,病毒复制酶RdRp(RNA依赖的RNA聚合酶)或者复制校正蛋白nsp14等可能发生了某种变化。
“新冠病毒复制的核心机制是不是发生了变化还需要进一步验证。”童贻刚说,如果“奥密克戎”毒株在后期的传播过程中变异速度在增加,人们看到更多的突变,就说明复制机制确实发生了变化。
对于国外有专家推测“奥密克戎”是从艾滋病患者体内进化而来的判断,童贻刚表示认可。他解释,免疫缺陷患者体内对病毒的压制和选择能力弱,并且感染可能持续存在,病毒产生的各种突变都可能会被保留下来,越积越多最终形成了包含大量突变的变异株。
二问:超多突变会让病毒更厉害吗?
既然是由于错配积累和选择压力小造成的大量突变,那么就不难理解“奥密克戎”的超多突变并非都关键。
“有些位点的变异是随机的,没有太大意义,有些位点的变异可能会让它致病性更弱,有些可能会增强其致病性。”童贻刚解释,这些都需要后续的临床实践来证明,也可以在细胞、动物等水平来验证一个毒株的致病性,但目前来说还没有相关的科学研究。
“目前看,感染能力确实增强了。”童贻刚说,例如,学界比较关注的N501Y突变,会使得病毒S蛋白与人体细胞ACEⅡ受体结合力更强,好比钥匙的齿纹更符合锁眼了。
科技日报记者查询资料发现,该突变在阿尔法、贝塔、伽马、德尔塔毒株中都存在。此外,多种突变株也共同存在一种与膜融合相关的突变D614G,能够促进病毒更容易与人体细胞膜融合,此次也出现在“奥密克戎”中。
关于其他的突变或者突变组合会给“奥密克戎”带来哪些特性,需要更进一步的追踪研究。
也有不少突变会带来削弱的效果。例如,中国食品药品检定研究院王佑春团队去年在《细胞》杂志上发表的一篇论文显示,一些突变体的传染性降低,比如V341I、D405V、V503F、P521S等,而在N331和N343位点氨基酸糖基化的缺失将大大降低病毒感染性。
总的看来,“突变多和病毒变厉害没有必然联系。”童贻刚说。
三问:疫苗和药物还能有效吗?
在 “奥密克戎”的变异位点中,E484A也引发广泛关注。
“484位点的变异比较关键是因为它可能会给病毒带来逃避中和抗体的能力。”童贻刚说,基于此前的研究,这个地方单点突变即可不同程度逃逸多种单克隆抗体的中和作用,这意味着一些有针对性设计的疫苗或中和抗体药物的作用效果或许会减弱。
会不会导致现有、在研的药物或者疫苗失效呢?
“药物的作用机制很多,并非都与S蛋白相关。”童贻刚说,相较而言,化学药受到的影响会小一些。
疫苗方面,童贻刚表示,体内的抗体种类很多,如果病毒的S蛋白结构发生了较大的改变,就可能需要一个新结构的抗体来有效中和它。
在此前的国务院联防联控机制新闻发布会上,国药集团中国生物首席科学家张云涛表示,灭活疫苗含有病毒的抗原成分较多,相对来说保护的广谱性更好,对变异耐受性会更好一些。可见,灭活疫苗产生的抗体更加多样化,而保持高滴度的抗体,仍旧是避免病毒感染的有效手段。
“第三针、第四针疫苗之后中和抗体会几十倍提高,之后需要多久打一次疫苗,仍需要进一步的研究和试验证明。”童贻刚说。(记者 张佳星)
三问“奥密克戎”:有超多突变就是“超级病毒”吗?
四种DNA字母要编码20种氨基酸。绝不可能是一对一编码,也不可能是二对一编码,因为两个字母最多只能组成16种组合(4×4)。因此,最低要求是三个字母,也就是DNA序列里面最少要有三个字母对应到一个氨基酸,被称为三联密码,后来被克里克和西德尼·布伦纳证实。
但是这样看起来似乎很浪费,因为用四种字母组成三联密码,总共可以有64种组合(4×4×4),这样应该可以编码64个不同的氨基酸,那为什么只有20种氨基酸呢?一定有一个神奇的答案来解释为什么4种字母,3个一组,拼成64个单词,然后编码20种氨基酸。
1952年,沃森就曾写信告诉克里克:“DNA合成信使RNA(mRNA), mRNA合成蛋白质。”克里克开始研究这一小段mRNA的字母序列,如何翻译成蛋白质里面的氨基酸序列。他认为mRNA可能需要一系列“适配器”来帮助完成翻译,每一个适配器都负责携带一个氨基酸。当然每一个适配器一定也是RNA,而且都带有一段“反密码子”序列,这样才能和mRNA序列上的密码子配对。
适配器分子也由RNA分子组成。它们现在叫作“转运RNA”或tRNA。现在整个工程变得有点像乐高积木,一块块积木接上来又掉下去,一切顺利的话,它们就会这样一个接一个地搭成精彩万分的聚合物。
随着实验技术进步而且越来越精密,在20世纪60年代中期许多实验室陆续解开了序列密码。然而经过一连串不懈的译码工作后,大自然却好像随兴地给了个潦草结尾,让人既困惑又扫兴。遗传密码子的安排一点也不具创意,只不过“简并”了(意思就是说,冗余)。有三种氨基酸可对应六组密码子,其他的则各对应一到两组密码子。每组密码子都有意义,还有三组的意思是“在此停止”,剩下的每一组都对应一个氨基酸。这看起来既没规则也不美,根本就是“美是科学真理的指南”这句话的最佳反证。甚至,我们也找不出任何结构上的原因来解释密码排列,不同的氨基酸与其对应的密码之间似乎并没有任何物理或化学的关联。
克里克称这套让人失望的密码系统为“冻结的偶然”,而大部分人也只能点头同意。他说这个结果是冻结的,因为任何解冻(试图去改变密码对应的氨基酸)都会造成严重的后果。一个点突变也许只会改变几个氨基酸,而改变密码系统本身却会从上到下造成天大灾难。就好似前者只是一本书里无心的笔误,并不会改变整本书的意义,然而后者却将全部的字母转换成毫无意义的乱码。克里克说,密码一旦被刻印在石板上,任何想改动它的企图都会被处以死刑。这个观点至今仍有许多生物学家认同。