长期以来，科学家们一直认为他们了解生命的遗传密码如何进化，但新的研究颠覆了这一假设。
通过分析古代的蛋白质序列，研究人员发现早期的生命更喜欢小的氨基酸并且比之前认为的更早地加入了硫基化合物。这对长期存在的实验提出了挑战，并开启了一种可能性，即灭绝的遗传密码在我们之前就存在了。
尽管物种的多样性令人惊叹，但地球上几乎所有的生命——从微小的细菌到巨大的蓝鲸——都共享相同的遗传密码。但这种密码究竟是如何以及何时出现的，仍然是科学界争论的话题。
亚利桑那大学遗传学研究生跨学科项目的博士生Sawsan Wehbi发现了强有力的证据，挑战了被广泛接受的遗传密码进化观点。在《PNAS》上发表的一项研究中，Wehbi和她的团队认为，氨基酸——密码的基本组成部分——被纳入遗传密码的顺序与长期存在的“共识”理论不一致。他们的发现呼吁重新评估生命的普遍蓝图是如何形成的。
该论文的资深作者、亚利桑那大学生态学和进化生物学教授乔Joanna Masel说：“遗传密码是一件令人惊奇的事情，一串含有四个核苷酸序列的DNA或RNA，使用20种不同的氨基酸，被翻译成蛋白质序列。这是一个令人难以置信的复杂过程，而我们的密码却出人意料地好。对于很多事情来说，它几乎是最佳的，而且它肯定是分阶段进化的。”
研究表明，早期生命更喜欢较小的氨基酸分子，而不是更大、更复杂的氨基酸分子，后者是后来添加的，而与金属结合的氨基酸加入的时间比之前认为的要早得多。最后，研究小组发现，今天的遗传密码可能是在其他已经灭绝的密码之后出现的。
作者认为，目前对密码如何进化的理解是有缺陷的，因为它依赖于误导性的实验室实验，而不是进化证据。例如，遗传密码进化的传统观点的基石之一是1952年著名的尤里-米勒实验，该实验试图模拟早期地球上可能见证生命起源的条件。
虽然该实验证明了非生命物质可以通过简单的化学反应产生包括氨基酸在内的生命组成部分，但其意义却受到了质疑。例如，它没有产生任何含硫的氨基酸，尽管这种元素在早期地球上很丰富。因此，硫氨基酸被认为是在很晚的时候才加入密码的。然而，考虑到实验的成分中没有硫，这个结果并不令人惊讶。
据合著者、月球和行星实验室行星科学和宇宙化学教授Dante Lauretta说，早期生命富含硫的性质为天体生物学提供了见解，特别是在理解地外环境的潜在可居住性和生物特征方面。
他说：“在像火星、土卫二和木卫二这样的星球上，硫化合物普遍存在，这可以通过强调类似的生物地球化学循环或微生物代谢，为我们寻找生命提供信息。这样的见解可能会改善我们在生物特征中寻找的东西，帮助发现地球以外在富含硫或类似化学物质中茁壮成长的生命形式。”
研究小组使用了一种新的方法来分析整个生命树的氨基酸序列，一直追溯到最后的普遍共同祖先，即LUCA，这是一种假设的生物种群，生活在大约40亿年前，代表了今天地球上所有生命的共同祖先。与之前使用全长蛋白质序列的研究不同，Wehbi和她的团队专注于蛋白质结构域，即较短的氨基酸片段。
“如果你把蛋白质想象成一辆汽车，那么结构域就像一个轮子，”Wehbi说。“这个部件可以用在许多不同的汽车上，而车轮的存在时间比汽车长得多。”
为了弄清一个特定的氨基酸可能在什么时候被招募到遗传密码中，研究人员使用统计数据分析工具来比较可追溯到LUCA甚至更早的蛋白质序列中每个氨基酸的富集程度。在古代序列中优先出现的氨基酸很可能在早期就被合并了。相反，LUCA的序列中氨基酸的含量减少了，这些氨基酸后来被吸收，但在不那么古老的蛋白质序列出现时变得可用。
研究小组确定了400多个家族的序列，可以追溯到LUCA。其中有100多家公司的起源甚至更早，在LUCA之前就已经多样化了。结果发现，这些基因含有更多带有芳香环结构的氨基酸，比如色氨酸和酪氨酸，尽管这些氨基酸是后来才加入到我们的基因序列中。
Masel说：“这给我们提供了一些线索，让我们了解在我们之前出现的其他遗传密码，这些密码后来在地质时代的深渊中消失了。早期的生命似乎喜欢环。”
参考文献：“Order of amino acid recruitment into the genetic code resolved by last universal common ancestor’s protein domains” by Sawsan Wehbi, Andrew Wheeler, Benoit Morel, Nandini Manepalli, Bui Quang Minh, Dante S. Lauretta and Joanna Masel, 12 December 2024, Proceedings of the National Academy of Sciences.
