在遺傳信息編碼過(guò)程中，編碼同一種氨基酸的多個(gè)同義密碼子（Synonymous Codons）的使用頻率并不相等，這種現(xiàn)象稱為密碼子使用偏好（Codon Usage Bias，CUB）。密碼子使用偏好在不同物種甚至某一物種內(nèi)的不同基因都具有特異性，隱藏在這種偏好性背后的是基因與物種長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中突變、選擇和漂變的綜合作用。密碼子使用偏好與基因表達(dá)緊密關(guān)聯(lián)，通過(guò)比較密碼子偏好性差異可以推斷基因是否受到不同程度的翻譯選擇（Translational Selection）。大量研究證實(shí)，在同一物種內(nèi)，高表達(dá)水平的基因由于需要提高翻譯準(zhǔn)確性及效率而傾向于使用最優(yōu)密碼子，因此表現(xiàn)出高的密碼子使用偏好性。
翻譯選擇的研究主要集中在原核生物以及單細(xì)胞真核生物（例如大腸桿菌、酵母）。人的基因組結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，使得關(guān)于翻譯選擇的相關(guān)研究變得非常困難，甚至無(wú)法確切判斷是否有翻譯選擇存在。已有研究報(bào)道，不改變蛋白質(zhì)序列，因?yàn)榉g準(zhǔn)確性或效率的改變會(huì)導(dǎo)致人類疾病，例如囊性纖維化（CF）�；蚪M水平的大規(guī)模SNP篩查顯示大量的同義突變與多種人類疾病存在相關(guān)性，但對(duì)很多同義突變的具體作用方式了解較少。
為更加全面與深入了解密碼子使用偏好性的生物學(xué)意義以及基因表達(dá)調(diào)控的機(jī)制與進(jìn)化，中國(guó)科學(xué)院北京基因組研究所基因組科學(xué)與信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室章張研究組與張治華研究組，與沙特阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)崔鵬博士、美國(guó)麻州總醫(yī)院和哈佛醫(yī)學(xué)院朱江博士，針對(duì)人類基因的翻譯選擇這一問(wèn)題開展合作研究，相關(guān)研究成果于2014年7月發(fā)表在期刊Biology Direct 上。
在北京基因組所高性能計(jì)算平臺(tái)的有力支撐下，研究發(fā)現(xiàn)人類基因中也存在翻譯選擇，但與細(xì)菌以及酵母不同的是，翻譯選擇并非僅與表達(dá)量密切相關(guān)。通過(guò)高通量測(cè)序數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)將人類基因按照表達(dá)模式分為三類：組織特異基因（僅在一個(gè)組織中表達(dá)，Tissue-Specific Genes）、普遍表達(dá)但表達(dá)水平可變的基因（Expression Variable Genes；EVG）、普遍表達(dá)且表達(dá)水平相對(duì)恒定的基因（ Expression Invariable Genes；EIG）。通過(guò)這三類基因的比較分析發(fā)現(xiàn)，EIG的表達(dá)量與密碼子使用偏好性存在相對(duì)較強(qiáng)的相關(guān)性，進(jìn)一步分析顯示這種較強(qiáng)的相關(guān)性并非完全與高的表達(dá)量相關(guān)。通過(guò)與tRNA使用頻率的關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)EIG對(duì)最優(yōu)密碼子的使用存在明顯偏好。這一研究結(jié)果顯示，在大量組織中表達(dá)且表達(dá)水平相對(duì)恒定的EIG基因，受到了明顯的翻譯選擇。與TS和EVG相比，EIG的密碼子使用偏好相對(duì)更多來(lái)自于翻譯選擇的作用。
上述研究揭示了翻譯選擇的普遍性以及作用在不同物種中存在有差異性，為后續(xù)從原核生物到真核生物的翻譯選擇作用水平的演化及其機(jī)制研究提供了新思路。
該研究得到了中國(guó)科學(xué)院、科技部和國(guó)家自然科學(xué)基金委的資助。
密碼子使用偏好性與基因表達(dá)的相關(guān)性
