Ученые случайно обнаружили ДНК, нарушающую «универсальные» правила биологии

Микроскопический организм нарушил одно из «универсальных» правил биологии — и ученые этого не ожидали. Credit: AI/ScienceDaily.com

Тест, предназначенный для проверки пределов секвенирования ДНК из одной клетки, привел к гораздо более удивительному открытию: микроскопический организм из пруда в парках Оксфордского университета, по-видимому, использует генетический код способом, ранее не известным науке.

Доктор Джейми Макгоуэн, постдокторант Института Эрлхэма, изучал геном протиста, собранного из пресной воды. Цель была практической: исследователи хотели протестировать конвейер секвенирования ДНК, который мог бы работать с чрезвычайно малыми количествами ДНК, включая ДНК из одной клетки.

Вместо этого команда обнаружила неожиданную генетическую аномалию. Организм, идентифицированный как Oligohymenophorea sp. PL0344, оказался ранее неизвестным видом с редким изменением в том, как он считывает инструкции ДНК и строит белки. Исследование, опубликованное в PLOS Genetics, показало, что два кодона, обычно связанные со стоп-сигналами генов, были переназначены для кодирования разных аминокислот — комбинация, которую исследователи назвали ранее не зарегистрированной.

«Это чистая удача, что мы выбрали этого протиста для тестирования нашего конвейера секвенирования, и это лишь показывает, что существует в природе, подчеркивая, как мало мы знаем о генетике протистов». — Доктор Джейми Макгоуэн

Крошечный организм с большим генетическим сюрпризом

Протистов трудно четко определить из-за их огромного разнообразия. Многие из них — микроскопические одноклеточные организмы, включая амеб, водоросли и диатомеи. Другие гораздо крупнее и многоклеточны, например, ламинария, слизевики и красные водоросли.

«Определение протиста размыто — по сути, это любой эукариотический организм, который не является животным, растением или грибом. Это, очевидно, очень общее определение, и это потому, что протисты — чрезвычайно разнообразная группа. Некоторые из них более тесно связаны с животными, некоторые — с растениями. Есть охотники и жертвы, паразиты и хозяева, пловцы и сидячие формы, есть те, у кого разнообразный рацион, в то время как другие фотосинтезируют. В основном, мы можем сделать очень мало обобщений». — Доктор Джейми Макгоуэн

Oligohymenophorea sp. PL0344 принадлежит к группе, называемой инфузориями. Эти плавающие протисты можно увидеть под микроскопом, и они встречаются во многих водных средах. Инфузории стали особенно интересны генетикам, поскольку они известны как «горячие точки» для изменений генетического кода, включая изменения, связанные со стоп-кодонами.

Когда генетические стоп-сигналы меняют значение

У большинства живых существ три стоп-кодона указывают клетке, где заканчивается ген: TAA, TAG и TGA. Они работают как знаки препинания в генетических инструкциях, сигнализируя о том, что построение белка следует прекратить.

Генетический код обычно описывается как почти универсальный, потому что большинство организмов используют одни и те же базовые правила. Вариации встречаются, но они редки. В небольшом числе известных вариантов генетического кода TAA и TAG обычно изменяются вместе и, как правило, в итоге означают одно и то же. Эта закономерность предполагала, что два кодона были эволюционно связаны.

«Практически во всех остальных известных нам случаях TAA и TAG изменяются тандемно. Когда они не являются стоп-кодонами, каждый из них кодирует одну и ту же аминокислоту». — Доктор Джейми Макгоуэн

Этот организм поступил иначе. У Oligohymenophorea sp. PL0344 только TGA, по-видимому, функционирует как стоп-кодон. Два других сигнала были перепрофилированы. TAA кодирует лизин, в то время как TAG кодирует глутаминовую кислоту. Исследователи также обнаружили больше кодонов TGA, чем ожидалось, что может помочь компенсировать потерю двух других стоп-сигналов. В статье PLOS Genetics сообщается, что оставшийся стоп-кодон UGA обогащен сразу после кодирующих областей, что предполагает, что он может помочь предотвратить вредное «прочитывание», когда трансляция продолжается слишком далеко.

«Это чрезвычайно необычно. Нам неизвестен ни один другой случай, когда эти стоп-кодоны были бы связаны с двумя разными аминокислотами. Это нарушает некоторые правила, которые, как мы думали, мы знаем о трансляции генов — считалось, что эти два кодона связаны. Ученые пытаются создать новые генетические коды — но они также существуют в природе. Есть удивительные вещи, которые мы можем найти, если будем их искать. Или, в данном случае, когда мы их не ищем». — Доктор Джейми Макгоуэн

Как клетки считывают инструкции ДНК

ДНК можно рассматривать как набор инструкций, но эти инструкции должны быть скопированы и интерпретированы, прежде чем они возымеют действие. Сначала ген транскрибируется в РНК. Затем эта копия РНК транслируется в аминокислоты, которые соединяются вместе, образуя белки и другие функциональные молекулы.

Трансляция начинается со стартового кодона ДНК (ATG) и обычно заканчивается на стоп-кодоне (обычно TAA, TAG или TGA). У этой инфузории знакомая система завершения была перестроена. Открытие показывает, что даже одна из наиболее консервативных систем биологии может быть более гибкой, чем ожидалось.

Анализ генома и транскриптома команды также выявил гены супрессорной тРНК, которые соответствуют переназначенным кодонам, что подтверждает вывод о том, что организм действительно считывает эти бывшие стоп-сигналы как аминокислоты. В исследовании было обнаружено, что UAA кодирует лизин, а UAG — глутаминовую кислоту.

Последующие работы показывают, что инфузории — нарушители генетических правил

Последующая работа укрепила идею о том, что инфузории являются необычайно богатым источником сюрпризов в генетическом коде. В исследовании PLOS Genetics за 2024 год исследователи сообщили о множественных независимых переназначениях стоп-кодона UAG у филлофарингеальных инфузорий. Некоторые некультивируемые инфузории из набора данных TARA Oceans, по-видимому, используют UAG для кодирования лейцина, в то время как у Hartmannula sinica и Trochilia petrani было обнаружено, что UAG кодирует глутамин.

В этом более позднем исследовании также было обнаружено, что UAA остается предпочтительным стоп-кодоном у этих филлофарингеальных инфузорий, в то время как UAG неоднократно переходил в роль кодирования белка. Полученные данные указывают на повторяющиеся изменения в генетическом коде среди малоизученных микробных эукариот и подтверждают идею о том, что инфузории являются одними из самых сильных исключений из стандартного генетического кода.

Вместе эти открытия позволяют предположить, что генетический код не так фиксирован, как когда-то казалось. Для большинства организмов правила остаются на удивление стабильными. Но в малоизученной микробной жизни, особенно у инфузорий, эволюция неоднократно находила способы редактировать инструкции.

Источники: sciencedaily.com

Материалы предоставлены Институтом Эрлхэма.