密码子是遗传密码中的重要组成部分，它是由三个核苷酸（即碱基）组成的序列，用于编码蛋白质中的氨基酸。标准密码子有61种编码氨基酸和3种终止密码子，但并非所有生物都采用此标准密码子，例如部分纤毛虫可以使用62种甚至全部64种密码子进行编码氨基酸。通过研究不同类群中终止密码子重新分配事件的发生和频率，我们可以重建遗传密码的进化历史及功能机制。此外，重新分配终止密码子的能力在合成生物学中有潜在的应用价值，例如扩展遗传密码技术以及开发新的基因表达调控方法。原生动物纤毛虫是密码子使用最为复杂的生物，但其密码子使用情况尚未被系统研究。

2023年3月25日，中国科学院大学苗苗团队与中科院北京生科究院赵方庆团队合作在Molecular Biology and Evolution杂志发表题为 STOP or not: genome-wide profiling of reassigned stop codons in ciliates 的研究论文，报道了他们在纤毛虫密码子进化方面的研究成果。该研究开发了一种终止密码子重分配（stop codon reassignment）的识别和定量算法（stopCR），可以精准解析基因组中终止密码子编码氨基酸和终止信号的分布及频率。通过对69种纤毛虫的基因组数据的系统解析，发现了两种新型的终止密码子重分配现象，并进一步通过进化分析，揭示纤毛虫密码子复杂性与其eRF1基因、tRNA和环境胁迫等因素的关系。

为了全面评估真核生物中重新分配终止密码子的分布和频率，该团队采用stopCR方法扫描不同动物、植物、真菌、纤毛虫和其他原生生物的基因组或转录组数据，发现虽然大多数真核生物使用三个终止密码子作为终止信号，但纤毛虫倾向于仅使用一个终止密码子来终止翻译，以TAA或TGA最常见。通过比较编码基因内部区域和基因末端的三个终止密码子的频率，发现它们具有显著不同的模式。此外，通过计算三个终止密码子的重新分配频率，发现尽管TAA使用频率高于TAG，但它们始终编码相同的氨基酸，且重新分配频率呈显著正相关。

对于大多数生物来说，终止密码子的重分配现象可能会导致错误通读事件或提前终止，这通常是有害的。然而，纤毛虫的多倍体大核基因组使其更能容忍翻译错误，从而为产生此类双重功能的密码子创造了条件。除了揭示纤毛虫终止密码子的进化历史外，该研究还为密码子产生机制提供了新见解。此前人们普遍认为标准遗传密码子的产生可能是一种随机事件，但遗传密码的重新分配似乎并不完全随机。例如，TAA/TAG到谷氨酰胺的重新分配在纤毛虫、裸藻科、褐藻和双鞭毛虫中独立发生，而UGA到色氨酸的重新分配则在真菌、后生动物和其他真核生物线粒体中发现。尽管有20个候选氨基酸，但重新分配的终止密码子往往只编码特定的氨基酸，其中近似匹配的tRNA介导的通读过程可能是密码子重新分配的重要因素。

这项研究提出新的识别和定量方法，系统研究了纤毛虫密码子的分布情况，发现了新的遗传密码，并解析纤毛虫密码子多样性的原因，推断出其演化规律。该研究对于我们认识密码子的起源和进化规律提供了重要方法和新的思路。

图1. 纤毛虫终止密码子进化模型

中国科学院大学和北京生科院的陈文兵博士研究生和云南大学耿宇鹏教授为论文并列第一作者，中国科学院大学苗苗、北京生科院赵方庆和中国海洋大学阎莹为共同通迅作者。该研究得到中国海洋大学原生动物实验室的帮助。

论文链接：

https://academic.oup.com/mbe/advance-article/doi/10.1093/molbev/msad064/7084900

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