环境扰动解除遗传密码的简并以调节细菌中的蛋白质水平

蛋白质合成背后的遗传密码是简并生物系统的一个典型例子。物理和生物系统中的简并性可以通过外部扰动被解除，从而使简并系统表现出广泛的行为。在此，我们表明遗传密码的简并性被环境扰动所解除，以调节活细胞中的蛋白质水平。通过测量大肠杆菌 (Escherichia coli) 中合成报告库的蛋白质合成速率，我们发现环境扰动（如同源氨基酸供应的减少）通过将密码子家族分裂为稳健和敏感的 synonymous 密码子层级，从而解除了遗传密码的简并性。在这些条件下，与稳健密码子相关的蛋白质合成速率比与敏感密码子相关的速率高出百倍。我们发现观察到的同义密码子之间的层级并非由通常与 tRNA 丰度和密码子使用相关的规则决定。相反，tRNA 同工受体之间争夺氨酰化的竞争构成了蛋白质合成稳健性的基础。值得注意的是，利用合成库建立的层级也解释了大肠杆菌中内源蛋白质合成的测量稳健性。我们进一步发现，同样的层级反映在氨基酸生物合成基因中同义突变的适应度代价以及 sigma 因子基因的转录控制中。我们的研究揭示了遗传密码的简并性可以被环境扰动所解除，并表明生物体可以利用简并解除作为一种通用策略，使其蛋白质合成适应环境。