First report of stop codon reassignment to tryptophan in members of the bacterial phylum Actinomycetota

本研究报道了细菌门放线菌门（Actinomycetota）中UGA终止密码子重分配为色氨酸的首次发现，具体位于埃格氏菌科（Eggerthellaceae）内，其中来自哺乳动物肠道共生菌的基因组证据揭示了与专性共生相关的两次独立进化事件，并提出了三个新属。

要点

想象一下，细菌的遗传密码就像一本为构建生命机器而编写的巨型操作手册。在这本手册中，存在一些特定的三字母“单词”（密码子），它们指示工厂何时停止合成蛋白质。其中一个停止词是UGA。通常，当工厂的工人看到"UGA"时，他们会放下工具并说：“好的，工作完成了。”

然而，科学家发现，在某些细菌中，这一规则已被改写。在这些特殊情况下，"UGA"不再意味着“停止”，而是意味着**“添加一个色氨酸分子”**（一种特定的构建模块）。这就像手册中的一句话突然从“本章结束”变成了“在此处添加一块砖”，完全改变了最终产品的构建方式。

迄今为止，我们仅知晓有三个细菌科类群做出了这种奇特的转变。这篇新论文宣布发现了第四个科类群也发生了同样的变化：即放线菌门（Actinomycetota）中的一个特定类群——埃格瑟氏菌科（Eggerthellaceae），它们生活在马、灵长类动物和貘等哺乳动物的肠道内。

以下是科学家们如何利用几个关键线索得出这一结论的：

• “停止”标志消失了：这些细菌失去了通常负责读取"UGA"标志并停止工作的特定工具（称为释放因子 2）。没有这个工具，工厂就无法在 UGA 处停止。
• “添加砖块”的工具已存在：这些细菌获得了一种特殊的适配器（一种 tRNA），它能识别"UGA"并知道应插入色氨酸而非停止。
• 证据无处不在：他们在来自各种动物的粪便样本中发现了 34 种不同版本的这些细菌，在所有这些样本中，"UGA"单词都被用于构建蛋白质，而非用于停止。

当审视它们的家族树时，故事变得更加有趣。这种“规则变更”似乎并非只发生了一次。它看起来是在家族的两个不同分支中独立发生了两次。在这两组“破规者”之间，存在第三个类群（命名为Tapirivita），它们仍遵循旧规则，将"UGA"用作停止信号。

研究人员还注意到，这些细菌拥有非常小且经过精简的基因组。它们失去了制造许多自身所需食物和构建模块的能力，这表明它们已成为专性共生菌——意味着它们对动物宿主的依赖程度如此之高，以至于无法再独立生存。科学家提出，这种对宿主的深度依赖，可能正是促使它们最初改写遗传规则的压力所在。

为了庆祝这一发现，研究团队命名了三个新的属（分类层级，类似于物种家族的“姓氏”）：

1. Equivita altericodex：发现于马体内，代表“改变的密码”。
2. Gorillivita intestinalis：发现于大猩猩体内，同样代表“改变的密码”。
3. Tapirivita inops：发现于貘体内，代表该独特家族中未改变密码的类群。

简而言之，这篇论文通过展示在细菌世界中改写通用的“停止”信号比我们想象的更为普遍，从而扩展了我们的生命图谱；同时，它也突显了一个迷人的肠道细菌类群，它们为了与宿主如此紧密地共存而进化，甚至不得不改变其 DNA 的基本语言。

技术摘要

以下是基于所提供摘要的详细技术总结：

技术总结：放线菌门中终止密码子重新分配为色氨酸的首次报道

1. 问题陈述

遗传密码通常被认为是通用的，但特定的进化谱系表现出“重编码”现象，即终止密码子被重新分配以编码氨基酸。将UGA 终止密码子重新分配为色氨酸是一种罕见的进化现象，此前仅在三个细菌门中有所记载：Bacillota（厚壁菌门）、Pseudomonadota（变形菌门）和Verrucomicrobiota（疣微菌门）。关于该机制是否发生在其他主要细菌类群中，特别是Actinomycetota（放线菌门）内，以及何种进化驱动力促成了遗传密码的这一根本性改变，此前存在显著的知识空白。

2. 方法论

研究人员采用宏基因组学方法来调查这一现象：

• 数据来源：他们分析了从多种哺乳动物宿主（具体包括奇蹄目动物（马/驴）和灵长类动物）的粪便样本中回收的34 个宏基因组组装基因组（MAGs）。
• 基因组筛选：研究聚焦于在Eggerthellaceae（埃格氏菌科，属于放线菌门）家族内识别与 UGA 至色氨酸重编码相关的基因组特征。
• 验证标记：为了确认重编码，作者寻找了三个特定的经典标记组合：
  1. 编码序列中保守的 UGA 密码子，在蛋白质比对中与色氨酸残基对齐。
  2. **释放因子 2（prfB）**的缺失，该蛋白负责识别 UGA 作为终止信号。
  3. 存在一种特殊的**tRNA^Trp(UCA)**基因，能够解码 UGA 密码子。
• 系统发育分析：构建系统发育树以确定重编码事件的进化时间和频率，并对已鉴定的谱系进行分类。

3. 主要贡献

• 已知多样性的扩展：本研究确定了第四个细菌门（Actinomycetota）表现出 UGA 至色氨酸的重编码，显著拓宽了该遗传密码可塑性的已知系统发育范围。
• 新分类单元的发现：研究导致在Eggerthellaceae家族中提出了三个新属：
  • Equivita altericodex（分离自奇蹄目动物）。
  • Gorillivita intestinalis（分离自灵长类动物）。
  • Tapirivita inops（分离自貘）。
• 进化洞察：该研究提供了证据，表明这种重编码并非单一事件，而很可能在Eggerthellaceae家族内至少独立发生了两次，因为重编码的谱系是并系群。

4. 结果

• 重编码的确认：34 个 MAGs 确认了两个不同谱系（Equivita和Gorillivita）中存在 UGA 至色氨酸的重编码。这些基因组一致显示出prfB的缺失和 tRNA^Trp(UCA) 的获得。
• 系统发育结构：分析揭示了第三个谱系Tapirivita，该谱系保留标准遗传密码（UGA 作为终止密码子功能）并拥有功能性prfB。该谱系作为进化中间态或外群，证实了重编码在其他两个类群中是独立进化的。
• 基因组缩减与共生：代表这些新属的所有基因组，包括未重编码的Tapirivita，均表现出基因组大小缩减以及生物合成途径的完全或部分缺失。这表明它们向与其哺乳动物宿主的专性共生过渡。
• 与宿主依赖的相关性：作者推断，日益增加的宿主依赖性以及由此导致的基因组大小缩减，可能创造了必要的进化压力或许可环境，促使Equivita和Gorillivita中发生终止密码子重编码。

5. 意义

这项工作通过以下方式从根本上改变了人们对细菌遗传密码进化的理解：

1. 确立Eggerthellaceae为研究遗传密码可塑性机制和驱动因素的新焦点。
2. 暗示专性共生、基因组缩减与通用遗传密码的瓦解之间存在联系。
3. 提供了一个框架，用于理解像终止密码子重编码这样的罕见进化事件如何能够多次独立发生，以应对相似的生态压力（宿主依赖）。