凡是上過(guò)高中的童鞋，都應(yīng)該見(jiàn)過(guò)這一張氨基酸密碼子表，稱為標(biāo)準(zhǔn)（或通用）密碼子表。地球上那么多種生物，從低等的單細(xì)胞，到高等的動(dòng)植物，除了共享ATCG這樣的DNA密碼之外，其解碼機(jī)制，即氨基酸密碼子，也具有高度相似性。

但這里就有個(gè)大坑了：當(dāng)提到密碼子的時(shí)候，我說(shuō)的是“相似”，而不是“相同”。這又是怎么回事呢？

（注：本文首發(fā)于微信公眾號(hào)【生物狗窩】，歡迎關(guān)注?。?/p>

一、不同生物的密碼子使用偏好不同

三聯(lián)密碼子一共有4×4×4=64個(gè)，而構(gòu)成生物的氨基酸僅有20個(gè)（外加1個(gè)終止密碼子）。這意味著，有許多密碼子，編碼著同一個(gè)氨基酸。比如說(shuō)，UUA、UUG、CUU、CUC、CUA和CUG均編碼亮氨酸。這種現(xiàn)象，稱為密碼子的簡(jiǎn)并性。

但這是否意味著，生物可以隨便更換密碼子、反正只要編碼同一個(gè)氨基酸就好呢？

并不是！

不同生物使用各種密碼子的頻率，是不同的。同樣是編碼亮氨酸，在釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）中，使用UUU、UUA和UUG的幾率是最高的，每1000個(gè)密碼子中，這三個(gè)密碼子就會(huì)出現(xiàn)大于26次。而在人類（Homo sapiens）中，使用UUA編碼亮氨酸的概率是比較低的，每1000個(gè)密碼子中只會(huì)出現(xiàn)不到8次。這種現(xiàn)象，稱為密碼子使用偏好性（codon usage bias）。

在這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，可以查到各種生物密碼子使用偏好性的數(shù)據(jù)：

https://www.kazusa.or.jp/codon/

密碼子偏好性是怎么產(chǎn)生的呢？目前并沒(méi)有明確的答案，畢竟很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)再現(xiàn)漫長(zhǎng)的生物演化過(guò)程。因此這里也不展開(kāi)敘述各路假說(shuō)。

但目前知道的是，如果隨意更換同義的密碼子，會(huì)產(chǎn)生各種問(wèn)題。比如說(shuō)，同樣都是編碼亮氨酸，假如將UUA換成CUG，就會(huì)顯著改變GC比。這不光會(huì)影響基因組的穩(wěn)定性，還會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄出來(lái)的mRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。同時(shí)，由于密碼子偏好與tRNA池是共進(jìn)化的，因此，更換了同義的密碼子，而tRNA基因或者豐度卻沒(méi)有隨著發(fā)生變化的話，就會(huì)影響蛋白質(zhì)的翻譯速度。再有，由于蛋白質(zhì)是可以邊翻譯邊折疊的。因此，翻譯速度的變化，也會(huì)影響蛋白質(zhì)的折疊。

目前，有一些人類疾病，被認(rèn)為與DNA的同義突變（synonymous mutations）具有相關(guān)性。

這同時(shí)也告訴我們，在實(shí)驗(yàn)中，如果想在A生物中表達(dá)B生物的蛋白，往往需要考慮密碼子的優(yōu)化，將B生物的基因DNA序列，改成適合A生物的密碼子使用偏好，否則表達(dá)效率會(huì)降低，甚至表達(dá)不出來(lái)。

二、核基因組與線粒體、葉綠體基因組使用的密碼子表不同

是的，你沒(méi)看錯(cuò)，線粒體和核基因組所使用的密碼子表，是存在差異的。

比如說(shuō)，在標(biāo)準(zhǔn)的密碼子表中，AGA和AGG編碼精氨酸，但在脊椎動(dòng)物的線粒體中，這兩個(gè)密碼子卻是終止密碼子。而標(biāo)準(zhǔn)密碼子表中的終止密碼子UGA，在脊椎動(dòng)物的線粒體中，卻是編碼色氨酸。（注：線粒體基因組不光能夠用胞漿中的核糖體與tRNA來(lái)翻譯蛋白，它還能編碼自己的核糖體和tRNA，用獨(dú)特的密碼子表來(lái)翻譯蛋白。）

在不同生物中，線粒體與核基因組的密碼子差異，也是不同的。如有有興趣，可以參考這個(gè)網(wǎng)站：

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/Taxonomy/Utils/wprintgc.cgi

對(duì)了，除了密碼子編碼的氨基酸存在差異之外，核基因組與線粒體基因組的密碼子使用偏好性，也是不同的。具體的數(shù)據(jù)，同樣可以到前文所提到的數(shù)據(jù)庫(kù)中去查。

葉綠體的情況更加有意思了，它對(duì)密碼子的偏好性更加強(qiáng)，甚至幾乎不使用某些密碼子來(lái)編碼氨基酸。

這個(gè)現(xiàn)象，同樣也佐證了，線粒體與葉綠體的內(nèi)共生學(xué)說(shuō)，即它們都是外源微生物進(jìn)入真核生物的祖先后，馴化、共生，從而演化出來(lái)的細(xì)胞器。

三、同一個(gè)密碼子，還能被隨機(jī)編碼成不同氨基酸

如果覺(jué)得第二點(diǎn)還不夠毀三觀，那第三點(diǎn)就是改寫教科書級(jí)的了（教科書內(nèi)心OS：你們夠了沒(méi)……）

在標(biāo)準(zhǔn)密碼子表中，CUG編碼的是亮氨酸。但是在一些酵母中，CUG會(huì)編碼絲氨酸，在另外一些酵母中，卻又是編碼丙氨酸。

這看起來(lái)還是沒(méi)啥毛病嘛，上面不剛說(shuō)了，線粒體和葉綠體可以用不同的密碼子表，那思維跳躍一下，酵母這么低等的生物，用著和高等生物不同的密碼子表，很奇怪嗎？反正在既定的物種中，什么密碼子編碼什么氨基酸，都是對(duì)應(yīng)好的，對(duì)吧……

不對(duì)……事情并沒(méi)有這么簡(jiǎn)單。最近一篇發(fā)表在Current Biology的論文發(fā)現(xiàn)，在Ascoidea asiatica這種酵母中，CUG會(huì)有一半的幾率被翻譯成絲氨酸，另一半幾率被翻譯成亮氨酸。

這是迄今為止發(fā)現(xiàn)的唯一例外，即同一個(gè)密碼子，在同一生物、同一套基因組中，可以編碼兩種不同氨基酸，這是由攜帶絲氨酸和攜帶亮氨酸的tRNA相互競(jìng)爭(zhēng)引起的。

就像這篇文章的Graphical abstract所描繪的那樣，CUG在Ascoidea asiatica酵母中將被翻譯成什么氨基酸，似乎是擲骰子決定的。

只是這種隨機(jī)翻譯可能是有害的，因?yàn)樵贏scoidea asiatica酵母中，CUG密碼子非常罕見(jiàn)，幾乎不出現(xiàn)在蛋白保守的亮氨酸或絲氨酸位置，而且多位于低表達(dá)基因中。而其他親緣關(guān)系相近的酵母，則可能是通過(guò)失活其中某一種tRNA來(lái)避免這種混亂。