密码子偏性在密码子优化过程中有多重要？如果不考虑密码子偏性会怎么样？

密码子偏性在密码子优化过程中有多重要？如果不考虑密码子偏性会怎么样？

今天给各位翻译的是2018年《MOLECULAR CELL BIOLOGY》期刊文章：Codon optimality, bias and usage in translation and mRNA decay。

核糖体图谱和其他探测mRNA翻译的工具的出现揭示了密码子偏好性——转录组中同义密码子的不均衡使用——作为第二遗传密码：一种指导蛋白质生产效率、翻译保真度和mRNA代谢的密码。我们对mRNA降解的理解的最新进展揭示了核糖体动力学和mRNA转录物稳定性之间的紧密耦合；这种偶联将密码子偏好性整合到密码子优化的概念中，或特定密码子和tRNA浓度对翻译机制的效率和保真度的影响中。在这篇综述中，我们首先讨论密码子依赖对翻译影响的证据，从翻译扰动影响翻译效率、蛋白质折叠和转录稳定性的基本机制开始。然后，我们讨论细胞如何利用密码子效应来定制蛋白质组以维持体内平衡，执行生长或分化的特定基因表达程序，并优化蛋白质生产的效率。

在mRNA中使用3个字母的密码子意味着64个可能的密码子编码20个氨基酸和翻译终止信号。这导致了遗传密码的退化，多个密码子编码一个氨基酸。这些同义密码子被核糖体清楚地识别；在本文中，“密码子优化性”是指核糖体对61个氨基酸编码密码子中的每一个的不一致的解码速率。密码子优化是核糖体解码的随机性质和tRNA浓度可变性的函数。由于tRNAs对核糖体A位点内密码子的随机识别，密码子可以被定义(广义上)为最佳或非最佳，这取决于如何有效地从tRNAs的细胞质库(tRNA库)中选择合适的cog-Nate tRNA。此外，由于密码子优化性可能是翻译速率的一个强有力的决定因素，基因组被视为具有固有的密码子偏好性。密码子偏好性，或某些密码子在转录组中不成比例地出现的倾向，部分是由密码子优化形成的，并广泛存在于生命的多个领域。密码子偏好性与大肠杆菌、酿酒酵母、秀丽隐杆线虫、果蝇和一般真核生物中的tRNA水平相关。对应于富集的tRNA种类的具有强偏向性的密码子优先在高表达基因中发现。密码子优化与核糖体翻译速度的功能相关性仍然是一个激烈争论的话题，在其他地方已被广泛综述。尽管关于密码子优化的争论主要集中在密码子含量对翻译效率的影响上，但是大量证据表明密码子的使用也可以影响蛋白质折叠和翻译的忠实性。最近，密码子优化被证明是除了翻译延长率之外mRNA稳定性的一个强有力的决定因素。

密码子使用也可能受到独立于任何翻译效应的因素的限制，包括需要避免与功能上重要的RNA基序相似，这些基序位于开放阅读框(ORF)时可能干扰mRNA加工和翻译，如Shine-Dalgarno序列，尽管这些效应通常可能对核糖体暂停贡献很小。对剪接位点正确和明确编码的需要也是密码子用法的一个主要限制因素，正如一些影响转录组密码子偏好性但不被认为对mRNA加工有任何影响的进化中性因子一样。转录组的GC含量很大程度上与非编码基因组的GC含量相匹配。富含GC的区域更容易发生同源重组，导致有偏向的基因转换，从而增加转录物中的GC含量并影响密码子偏向性的估计，因为富含GC的密码子在ORF中往往会过量出现，尤其是在高等生物中。然而我们更感兴趣的是密码子的使用在多大程度上会对细胞、组织和发育阶段的基因表达的动态控制产生影响，我们将其与密码子偏好性作为一种在进化时间尺度上运作以微调基因表达的静态实体的主流观念进行了对比。

在这篇综述中，我们首先讨论了密码子依赖效应对翻译和mRNA丰度的实验和生物信息学证据。然后，我们讨论了tRNA库水平、核糖体和密码子使用之间相互作用产生的功能后果，包括对翻译效率、蛋白质折叠和mRNA稳定性的影响。我们对密码子对翻译的影响的分子机制的理解的最新进展使我们对密码子影响的原因、调节和后果的长期争论有了新的认识，对密码子生物学与细胞稳态和疾病的相关性有了更好的理解。

20多年来，人们一直认为不同的密码子翻译速度不同。通过使用放射性标记的氨基酸掺入试验，表明密码子的同一性可以影响翻译延长率。每个密码子的延伸速率关键取决于tRNA库，因为核小体将被迫等待更长时间以等待稀有的同源tRNA进入核糖体A位点，并且在同源tRNA物种与近同源tRNA相比稀有的情况下，取样和拒绝近同源tRNA物种的过程对延伸施加了相当大的动力学成本。虽然这一过程被认为是鳄龙化的主要tRNA依赖成本，但能有效区分近同源物种的tRNA往往是最丰富的；因此当讨论tRNA库和密码子依赖的翻译效应之间的联系时，我们通常会提到tRNA丰度而没有限定。

随着核糖体图谱的出现，有可能评估整个转录组的核糖体占据情况，并估计核糖体A位点内特定密码子的核糖体相对密度。如果核糖体确实以更快的速度穿过最佳密码子，那么可以预计核糖体A位点位于最佳密码子上方的地方，核糖体的丰度会更低，这一假设在第一篇核糖体特征分析论文中得到了验证。令人惊讶的是，在用翻译延伸抑制剂环己酰亚胺预处理的细胞中，tRNA丰度和密码子水平的核糖体密度之间没有发现明显的相关性，这一与直觉相反的发现在其他核糖体图谱实验中得到了重复。然而最近对酵母中24个核糖体图谱数据集的重新分析非常优雅地显示，用环己酰亚胺预处理并没有立即冻结mRNA上的核糖体，而是允许有限的核糖体易位继续，从而扭曲了核糖体占用率的估计。

在没有环己酰亚胺预处理的情况下进行的核糖体分析实验中，tRNA丰度和核糖体占用率之间存在明显的反比关系，表明核糖体在最佳密码子上花费的时间较少。tRNA丰度和核糖体占用率之间的确切相关性通常是适度的，并且在酵母的核糖体分布图实验之间变化很大，不同的分布图实验显示tRNA适应指数(tAI)捕获的tRNA丰度占平均每个密码子核小体密度变化的5%到25%。后生动物中不含环己酰亚胺的核糖体图谱数据集尚未进行密码子效应分析，因此很难将这种分析扩展到酵母以外。然而，大肠杆菌中的核糖体图谱也未能显示密码子偏好性对核糖体占据率的显著影响。

密码子含量对翻译延伸率影响的其他证据可以在实时监控翻译的紧急方法中找到。在无细胞翻译系统中，密码子优化的1.6kb长的mRNA完成翻译比未优化的对照快1.5分钟36。最近，一种荧光标记的、与带有表位的蛋白共表达的细胞内抗体被用于实时监测哺乳动物细胞中单个mRNAs的翻译。分析显示，密码子优化的mRNA翻译速率为每秒4.9个密码子，而非优化的mRNA翻译速率为每秒3.1个密码子，增加了58%。这些结果得到了核糖体流失实验的支持，在这些实验中翻译起始被抑制，mRNAs被蔗糖梯度分离成核糖核蛋白(RNP)、80S和多聚体相关的库。RNP复合体片段中的转录物与翻译机制无关，而80S和多体片段中的转录物分别与一个或多个核糖体相关，表明它们可能被积极翻译。在核糖体起始阻断后，具有更佳密码子的mRNAs离开多聚体和80S片段，并比它们的非最佳对应物更快地出现在RNP片段中，这表明核小体更快地离开这些转录物。因此，尽管密码子对翻译延伸的确切影响仍有待定量定义，但越来越多的证据表明同义密码子的使用对蛋白质合成速率有实质性的影响。

密码子优化对异源系统中基因表达水平的显著影响导致了一种假说，即密码子偏好性可以影响翻译效率或在给定时间内每个转录物产生的蛋白质分子总数。这一假设得到了观察结果的支持，即密码子偏好性在高表达基因中更明显，密码子偏好性的进化保守性在这些基因中更显著。尽管很清楚密码子优化对不同异源基因表达系统宿主中的基因表达有深远的影响，但内源基因中密码子含量和翻译效率之间存在实质性关系的证据通常是矛盾的。

随着高通量蛋白质组学的出现，mRNA和蛋白质表达水平之间的关系变得越来越清楚，这表明转录后调节对于调节蛋白质输出非常重要。在早期的蛋白质组实验中，密码子偏好性被认为是决定大肠杆菌和酵母中蛋白质水平的主要因素，但尚不清楚翻译效率在多大程度上将密码子偏好性与蛋白质水平联系起来，因为早期的研究都没有将蛋白质:mRNA比率作为翻译效率的衡量标准。早期鸟枪法蛋白质组学实验与基于微阵列的mRNA表达分析相结合使我们能够评估这种联系，并揭示密码子偏好性与大肠杆菌、酿酒酵母和人类细胞系的翻译效率相关性很差。这些发现通过对具有不同密码子含量的大量GFP构建体的研究得到了证实，该研究发现密码子优化不会导致蛋白质水平的变化。然而校正RNA折叠能量的再分析揭示了GFP基因的密码子偏好性和其翻译效率之间的适度相关性。此外在酿酒酵母中发现了密码子偏好性和翻译效率之间的一种弱得多但显著的关系。

解析密码子偏好性对翻译效率的影响的大部分困难来自于可能影响密码子使用的过多其他因素。mRNA的折叠能量对翻译效率有显著影响，特别是在起始密码子附近，因为更稳定的RNA二级结构在翻译开始前需要更多的能量来展开。在大肠杆菌中，非最佳密码子与折叠能量降低有关，因为与最佳密码子相比它们往往富含AT，因此当位于编码DNA序列(CDS)的5ʹ末端附近时与翻译效率增加有关。这表明为了最大化翻译效率，密码子优化必须与对CDS末端宽松二级结构的需求相平衡，这可能混淆密码子对翻译效率的影响，尽管需要注意的是二级结构的折叠能量不足以解释密码子偏好性和核糖体伸长速率之间的联系。

翻译速率的直接体内测量和核糖体起始和延伸的计算机模拟表明，翻译起始通常是蛋白质合成的限速步骤。如果起始是限速的，那么任何长链化速率的变化都只会导致更快的核糖体流失，而不会改变每分子mRNA的蛋白质生产速率。缓慢启动是必要的以确保mRNAs不被核糖体挤满，核糖体拥挤会导致核糖体碰撞和其他降低翻译效率的事件。如果起始是限速的，那么密码子含量和翻译效率之间的明显联系表明延伸和起始是偶联的。核糖体相对于非最佳密码子的任何减速都可能传播回同一转录本上的其他核糖体，通过降低核糖体从信息起始位点移动的速率来影响起始。与这一假设一致，密码子偏好性可以影响酵母的翻译效率，在CDS的5ʹ末端包含少至8个非最佳密码子就足以导致蛋白质表达的显著下降，在基因的3'部分包含一个大的非最佳片段也可以导致蛋白质生产的显著下降，这与非最佳密码子序列后面的核小体拥挤并干扰起始的模型一致(图1a)。

非最佳密码子拉伸会造成核糖体拥挤，最终导致形成一个队列，如果它向后拉伸足够远可能会抑制翻译起始，从而调节每个转录本的蛋白质生产的总体速度或翻译效率。因此尽管翻译起始可能是大多数转录的限速步骤，非最优密码子仍然可以通过直接影响起始来调节翻译效率。

这些发现与先前在大肠杆菌中的工作一致，该工作表明非最佳密码子降低蛋白质产量的能力依赖于其在CDS的5'末端附近的位置。来自翻译动力学模拟的证据还表明，含有非最佳密码子片段的转录物对其可达到的翻译效率具有密码子强加的上限，而翻译效率仅仅是不受非最佳密码子含量限制的转录物的起始速率的函数。

tRNAs的丰度不是影响核糖体延伸动力学的唯一因素。tRNA库是复杂的，tRNA种类相对于其近同源tRNA的浓度也可以影响核糖体动力学，因为核糖体在整合正确的tRNA种类之前缓慢地取样、校对和拒绝更多的tRNA库(图1b)。

对核糖体延伸的另一个关键影响是tRNA反密码子的第一个(5')碱基和mRNA密码子的第三个(3')碱基之间的摇摆(非沃森-克里克)碱基配对。当密码子缺少同源tRNA且必须由同义tRNA物种解码时，或者当tRNA在反密码子的第一个位置发生修饰时，就会出现摇摆碱基配对(图1c)。

在酵母中显示了两种常见的摆动相互作用，一种是解码非最佳Leu密码子CUG的G-U摆动相互作用，另一种是解码非最佳Arg密码子CGA的tRNA摆动位置的次黄嘌呤(I)修饰。我们将这些与传统的沃森-克里克碱基对(在右侧)进行对比，后者与更有效的翻译相关。

与Watson–Crick碱基对相比，这些摇摆相互作用相对不利，经常被发现在编码序列中代表不足，并在核糖体分析实验中显示高水平的核糖体A位点占用率，表明核糖体倾向于非常缓慢地离开这些密码子。

同样值得注意的是，对单个密码子的狭隘关注具有误导性，因为核糖体A位点密码子的序列和氨基酸背景会改变该密码子对延伸动力学的影响。核糖体一次不与一个密码子相互作用，有强有力的证据表明密码子对协同作用减缓核糖体运动(图1d)。

影响翻译的密码子对通常包括至少一个通过摇摆相互作用与其同源tRNA相互作用的密码子，当次优密码子一起出现时它们可以破坏蛋白质生产的稳定性。新出现的对非最佳密码子双重化的强调强调了考虑周围环境中密码子的重要性。考虑密码子和前面密码子的氨基酸同一性也很重要，因为这不仅在A位点而且在核糖体的出口通道对翻译动力学有深远的影响，产生了最佳和非最佳氨基酸的概念。

几行证据表明次优密码子可用于减缓关键结构基序的翻译以促进正确的蛋白质折叠(图2)。

相反，核糖体快速翻译最佳密码子(绿框;上图)，通常编码高度保守的残基(用黄色标记)。最佳密码子不容易出现读取错误，因为它们对应的tRNA物种具有高同源：近同源tRNA比率，从而确保了最重要功能残基的高翻译保真度。当重要氨基酸被非最佳密码子编码时(红框;底部)，误义错误更容易发生在翻译过程中。

蛋白质合成速率决定了共翻译多肽折叠的观点由来已久，对蛋白质结构元件周围密码子用法的早期分析表明，密码子用法可能是减缓蛋白质合成以实现正确折叠的重要因素。在大肠杆菌中的实验表明，用最佳密码子替换稀有密码子增加了总的蛋白质产量；然而这些取代也增加了蛋白质的错误折叠，正如不同的分析所评估的，包括蛋白质溶解度分析，其中仅两个同义密码子取代就有影响。最近核磁共振被用于直接探测由密码子使用改变产生的蛋白质的结构，揭示了从具有不同密码子含量的mRNAs翻译的蛋白质的蛋白质构象状态的明显变化，以及半胱氨酸氧化和体外蛋白质稳定性的变化。

增加稀有tRNA的浓度导致蛋白质错误折叠增加，强调了同源tRNA浓度对蛋白质折叠的重要性。此外，粗糙脉孢菌无细胞翻译系统用于表明，尽管密码子优化的荧光素酶mRNA比野生型mRNA更快地完成翻译延伸并产生更多的蛋白质，但大部分蛋白质是非功能性的，因此使用优化的转录子功能性蛋白质的积累要慢得多。编码关键萤光素酶结构域的200个密码子的优化足以产生无功能蛋白质，表明在该关键区域使用慢密码子对于蛋白质的正确折叠是必要的。将这一原理应用于相反的方向，也表明转基因蛋白质的错误折叠可以通过在关键结构位置用次优密码子替换某些最优密码子来最小化。

对蛋白质二级和三级结构附近密码子使用的生物信息学分析支持了这些结果，表明非最佳密码子被广泛用于促进共翻译折叠，我们可以从已经系统研究的少数基因中推广这一原理。这些分析还向我们表明，最佳和非最佳密码子聚集在mRNAs的不同位置，以最大化翻译保真度和效率。在大肠杆菌中非最佳密码子区域直接位于大多数被调查基因的结构域下游，非最佳密码子可能与二级结构更相关。核糖体倾向于在编码结构域接头的mRNA区域上移动较慢，这进一步强调了密码子使用、核糖体翻译速率和新合成结构域的成功折叠之间的联系，而不受下游氨基酸序列的干扰。

其他研究将这些发现与一系列结构特征相关的保守密码子用法更加细致入微地结合起来。尽管非最佳密码子聚集在蛋白质结构域接头区域，但与结构域关键残基相关的mRNAs高度保守区域显示出密码子最佳性增加的趋势(图2)，这表明在误译事件最有可能导致蛋白质功能障碍的位点选择了具有最小误译率的密码子。

这与被认为是最优的密码子比其非最优的反密码子更不容易被误翻译的证据一致，尽管密码子对错义翻译错误的影响对同源tRNA比率比对tRNA丰度更敏感，因为高丰度的近同源密码子必然与同源密码子竞争掺入。为了强调密码子使用在防止蛋白质生产错误中的重要性，研究表明最容易发生错误折叠但不能依靠伴侣系统来确保其正确折叠的蛋白质是那些在结构保守位点具有最大程度的最佳密码子富集的蛋白质，这表明密码子偏好与分子伴侣平行发挥作用以最大限度地减少蛋白质错误折叠。最佳密码子使用的趋势在基因中也更明显，对于这些基因来说，翻译错误的后果对细胞来说是更耗费能量的，例如长ORF需要更多的能量用于蛋白质合成。

上文讨论的将密码子优化和蛋白质折叠联系起来的研究表明，非优化密码子和优化密码子似乎都参与确保蛋白质产物的适当行为。这些机制不必相互排斥，在错译代价最大的位点选择最佳密码子，在共翻译折叠失败代价最大的下游结构域选择非最佳密码子。非最佳密码子也可能涉及维持蛋白质生物发生的其他方面，如抑制不溶性多肽中间体和蛋白质聚集物的形成或调节多肽在核糖体出口通道内形成螺旋结构的能力，如其他地方所述。

在酵母中转录本半衰期差异很大，从不到一分钟到超过一小时。尽管许多转录物，包括微小RNA和3ʹ或5ʹ非翻译区的结构元件，有助于mRNA稳定性或衰减的因素已经被确定，但是许多观察到的转录稳定性的变化仍然无法解释。将稀有密码子引入一小部分基因会导致mRNA稳定性的显著下降，这表明翻译动力学和mRNA十进制之间存在联系。然而早期对酵母中mRNA降解的转录组范围的分析未能产生转录物的密码子适应性指数(CAI)和其半衰期之间的明确联系。为了重新评估密码子使用在决定mRNA稳定性中的作用，使用RNA Pol II的热敏等位基因驱动转录关闭，然后在转录停止后的特定时间点使用高通量测序测量转录丰度。我们没有依赖现有的密码子偏好性的测量而是独立评估了每个密码子对mRNA稳定性的贡献。分析表明许多密码子优先富集在稳定的转录物中，而其他的则与不稳定的转录物相关。密码子频率和转录物稳定性之间的联系表示为密码子稳定性系数(CSC)，定义为转录物中密码子频率与转录物半衰期之间的皮尔逊相关系数。在酵母中计算的每个密码子的CSC值与tAI有很好的相关性，tAI是给定细胞的tRNA库时密码子翻译效率的量度2。此外改变转录物的密码子优化性可以使其稳定性增加或减少10倍，而降低基因构建体的密码子优化性可以降低核糖体的延伸率以及整体翻译效率。

此后，在大肠杆菌、粟酒裂殖酵母和斑马鱼以及人类、小鼠和大鼠细胞系中发现了密码子含量和mRNA稳定性之间的关系，表明密码子使用代表了直接编码mRNA稳定性的保守机制。

与翻译效率和蛋白质折叠准确性类似，同义密码子使用影响翻译核糖体动力学的能力最终巩固了密码子优化对mRNA稳定性的影响。在芽殖酵母中DEAD-box解旋酶Dhh1对于密码子优化性对mRNA稳定性的影响是必需的，并且Dhh1优先与富含非优化密码子的mRNA结合(图3)。

Dhh1与核糖体结合的极性效应被强调，因为转录本3'区非最佳密码子的延伸似乎更强烈地诱导mRNA降解。

这种关联是由转录物上缓慢移动的核糖体数量介导的，似乎Dhh1可能优先与这些缓慢移动的核糖体结合从而触发mRNA的降解。

密码子优化可以影响多种细胞过程，包括蛋白质产量和mRNA稳定性。高表达的基因可以利用最佳密码子含量来最大化蛋白质产量，从而最小化能量浪费和与错误翻译的蛋白质相关的细胞毒性或者减少转录物周转。目前还不知道特定转录物能在多大程度上利用同义密码子来获得一些但不是全部的优势，但目前提供的数据表明密码子效应依赖于ORF内最佳或非最佳密码子片段的位置。我们已经在上面讨论了如果最佳密码子位于高度保守、结构和功能重要的结构域，它们如何对蛋白质折叠产生有益的影响，然而当它们能够快速合成位于这些结构域下游的多肽时，它们对共翻译折叠是不利的。同义密码子选择对翻译效率的影响涉及翻译延伸和起始之间的高度上下文依赖性和复杂的相互依赖性；实验证据表明，密码子对翻译效率的影响在转录物的5ʹ末端附近最强，而非最佳密码子在转录物的3ʹ末端附近降低mRNA稳定性的能力最强(图3)。密码子效应的这种明显极性表明密码子优化可用于独立微调基因表达的不相关方面，这取决于转录物中最佳或非最佳密码子出现的位置，从而增加同义密码子谱对细胞的功能效用。

密码子优化有助于协调功能相关基因的表达模式。相互作用蛋白的表达水平比它们的编码mRNAs更加匹配但是功能相关的mRNAs通常具有非常相似的密码子使用模式，并且它们以相似的速率衰减。在酵母中参与糖酵解的酶都富含高度优化的密码子。这种密码子使用模式可能反映了细胞需要通过稳定转录物和/或最大化每个mRNA的蛋白质产量来维持高水平的代谢重要酶，如参与糖酵解的酶。然而参与对刺激的瞬时反应(如信息素反应)的蛋白质富含非最佳密码子(图4)。

a,b编码生化途径相互关联组分的基因往往具有相似的密码子含量和相似的mRNA半衰期。两种生化途径中的每种酶都用两种颜色表示。根据先前公布的mRNA半衰期数据，左侧的颜色对应于酵母中每个转录本的mRNA半衰期，右侧的颜色对应于密码子含量即转录本中最佳密码子的百分比。密码子最优性由yeast2中计算的tRNA适配指数(tAI)值确定，tAI值大于中位数的密码子为最优。

a部分显示了糖酵解和糖异生酶的简化表示，以及三羧酸(TCA)循环的酶;为清楚起见省略了代谢中间体。大多数酶是由高度稳定的转录本编码的，其中含有高比例的最佳密码子，强调了这一基本途径在细胞生长和存活中的重要性。相比之下b部分显示编码参与交配信息素反应途径的蛋白质的转录本非常不稳定并且缺乏最佳密码子，这与该反应的短暂性是一致的。

c密码子最优性和中位mRNA半衰期对于许多基因本体而言，表明具有相似功能的基因(例如，在信息素反应，糖酵解和tRNA修饰中)或编码大型细胞装置组件的基因(包括核糖体(RPL和RPS基因)，线粒体核糖体(MRP基因)或小亚基过程(SSU基因))往往具有相似的密码子最优性特征。RPL，大亚基核糖体蛋白;RPS，小亚基核糖体蛋白。c部分的转载已获得Elsevier REF. 16的许可。

这可能反映了保持这种调节基因产物水平较低的选择性压力，并且由高水平非最佳密码子含量传递的不稳定性有助于确保当刺激撤销时对瞬时刺激的反应可以被迅速抑制。一个公认的例子是生物钟基因，它控制各种生物的昼夜节律，包括蓝细菌和粗糙脉孢菌。在这两种生物中，生物钟基因明显缺乏最佳密码子，它们的非最佳性对于它们驱动昼夜节律的能力至关重要。

因此，证据表明密码子偏好性有能力确保需要持续高水平表达的基因产生高效和准确产生蛋白质的高度稳定的mRNA，而通常需要低表达水平的基因产生效率较低的不稳定的mRNA。然而基因表达需求随着组织的发育和分化而变化。如果随着细胞发育和对刺激的反应，最佳密码子的设置是静态的，那么密码子优化必然限于基因表达的基线优化，其不会干扰细胞不断变化的需求。

这必然会限制不同密码子使用的效用，因此跨组织和环境条件具有相似表达模式的基因往往具有相似的密码子偏置也就不足为奇了。也就是说一起表达的基因往往具有相似的密码子组成。我们已经在上面讨论了tRNA浓度如何调节密码子使用和核糖体动力学之间的关系；这导致了一种假说，即tRNA浓度可以动态调节，以组织特异性的方式改变基因表达。

tRNA库对基因表达的影响的最典型例子可能是细胞对氨基酸缺乏的反应。在大肠杆菌中亮氨酸由六种不同的异受体tRNAs解码，亮氨酸的同源密码子表现出明显的密码子偏好性。在亮氨酸缺乏的条件下，解码亮氨酸的最佳tRNA种类的带电群体显著下降，而非最佳亮氨酸tRNA的带电群体保持相对恒定；这些发现延伸到了其他几组氨基酸同种受体tRNAs。tRNA表达水平的这种变化有效地改变了密码子的优化，有利于先前非优化转录物的表达。在氨基酸缺乏的条件下，有利于氨基酸生物合成和蛋白质循环的转录物。因此，尽管在面临氨基酸剥夺时转录和翻译中确实发生了许多变化以维持体内平衡，但tRNA库可以响应环境胁迫而动态变化，以适应恢复体内平衡所需的mRNA的翻译需求(图5a)。

在人类胚胎肾细胞中，带电荷的tRNA库响应于氨基酸饥饿而改变，以有利于通过泛素-蛋白酶体途径参与蛋白质再循环的mRNA的翻译，这表明tRNA库对参与体内平衡的蛋白质翻译需求的适应在life的多个域中是保守的。tRNA受到广泛的转录后修饰，其中许多是准确有效翻译所必需的，但也许最有趣的是，越来越多的证据表明，某些tRNA物种摆动位置的一些转录后修饰对细胞环境敏感。这些修饰可以被动态调节，以使tRNA库的密码子偏好偏向于对细胞应激（如氧化应激）产生强大反应所需的mRNA(图5b)。

在一些癌症中发现tRNA库失调，核糖体图谱的出现揭示了肿瘤细胞中翻译动力学的改变。鉴于tRNA库对翻译动力学的广泛影响，在改变的tRNA库和癌细胞的增殖潜力之间可能存在因果关系。通过使用微阵列来测量tRNA水平，并通过使用来自组蛋白靶向染色质免疫沉淀的数据，随后是来自ENCODE项目的测序(ChIP-seq)或微阵列分析(ChIP-ChIP ),以及基因组Pol III占据图来识别tRNA基因周围的开放染色质和Pol III活性，从而推断它们的转录状态，细胞的增殖状态与其tRNA库的组成之间存在显著的一致性。在增殖细胞(包括癌细胞)中上调的tRNA种类与参与细胞周期和细胞生长等过程的细胞自主基因的密码子含量相匹配，而在终末分化细胞中富集的tRNA种类与参与协调细胞群排列的基因(如细胞粘附基因)的密码子含量相匹配(图5c)。

这一发现表明，细胞有能力通过控制tRNA基因附近的染色体结构来改变其tRNA含量，从而实现整个基因类别的广泛调节。这种机制似乎在癌症中被增选以支持细胞类型无关的生长和增殖功能，强调了密码子优化和tRNA调节的临床相关性。

证明tRNA库被动态调节以支持细胞的基因表达需求的许多工作是在密码子含量和mRNA稳定性之间的联系被完全理解之前进行的。因此尚不清楚改变tRNA库在多大程度上影响翻译效率或转录稳定性，尽管两者都可能受到影响。在早期胚胎发育的母体-合子转变(MZT)期间，母体mRNAs必须在合子转录开始后迅速被清除，这是由表达的母体和合子基因的相对密码子含量调节的。与酵母中的发现一致，斑马鱼胚胎和非洲爪蟾胚胎中的mRNA降解与非最佳密码子的相对富集呈强正相关，其中最佳密码子是那些具有富集的同源tRNA物种的密码子，这强调了密码子偏好在发育中的重要性。这些发现扩展了将较低的核糖体转位率与mRNA降解机制联系起来的证据。

在这篇综述中，我们讨论了遗传密码中简并的各种功能后果。同一氨基酸存在多个密码子，这使得细胞可以通过控制同种受体tRNAs的相对浓度来微调核糖体翻译信息的过程。细胞中缺乏的tRNA种类将需要更长的时间到达核糖体的A位点，并必然导致核糖体相对于同源密码子的转运延迟，从而影响翻译和蛋白质折叠的保真度、产生的蛋白质的量和mRNA的稳定性。同源：近同源tRNA比例如何影响延伸动力学和翻译装置的保真度，这需要更多的研究，特别是要理解tRNA库的更细微的特征，这些特征影响我们已经讨论过的一些密码子依赖型表型。密码子含量对这些过程的影响程度主要取决于转录物中高或低密码子优化性片段的位置和这些密码子的序列背景以及其他尚未确定的因素。密码子效应的异质性和上下文依赖性无疑导致了关于密码子优化的文献中的许多模糊性，并且没有理由认为密码子需要是所有mRNA中mRNA稳定性和翻译效率的主要决定因素，因为在核糖体动力学的控制中有过多的其他因素在起作用。然而从最新的生物信息学和实验结果来看，密码子可以而且确实以不同的方式显著影响基因表达。

正如我们在这篇综述中所强调的，一个关于mRNA降解的新共识暗示翻译动力学是不同mRNA降解过程的关键介质，包括与非最佳密码子含量相关的衰减和微小RNA介导的十年。持续监控酵母中核糖体延伸速率的特定蛋白质Dhh1的发现使我们能够将密码子优化重新定义为不仅仅是高表达基因翻译的表观优化机制：它是控制mRNA衰减速率的机制，进而控制细胞中mRNA水平的机制。

我们已经在上面讨论了动态tRNA库如何引起密码子介导的翻译变化，从而驱动基因表达的大规模变化。需要做更多的工作来了解密码子驱动的mRNA衰减的反式作用介质如何在核糖体中发挥作用，以读出延伸动力学的变化以及这些介质如何被调节以微调响应发育阶段、增殖状态或细胞应激的衰减的密码子效应。也不知道反式作用因子如Dhh1在多大程度上影响其他密码子介导的效应，包括翻译效率。然而，最近的一系列发现将密码子内容与一系列不同的细胞过程联系起来，从发育和分化到增殖和肿瘤转化，再到对氨基酸饥饿和氧化应激的反应，表明同义密码子的使用确实代表了一种有影响的二级遗传密码。

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