Попытка усовершенствовать методы секвенирования ДНК единичных клеток привела к сенсационному результату: обычный микроорганизм из пруда Оксфордского университета продемонстрировал уникальный, ранее неизвестный науке способ использования генетического кода.
Доктор Джейми Макгоуэн, научный сотрудник Института Эрлхэма, проводил анализ генома протиста, обитающего в пресной воде. Изначально задача носила сугубо технический характер: ученые стремились отладить технологию работы с минимальными объемами генетического материала, вплоть до ДНК одной клетки.
Однако результаты оказались куда масштабнее. Изучаемый образец, классифицированный как Oligohymenophorea sp. PL0344, оказался новым видом, обладающим аномальным механизмом трансляции генетических инструкций в белки. Согласно публикации в журнале PLOS Genetics, два кодона, которые в норме служат сигналами прекращения синтеза, здесь были переназначены для кодирования аминокислот — подобная комбинация описана впервые в биологической практике.
«Нам невероятно повезло, что для тестирования метода мы выбрали именно этот микроорганизм, — отмечает доктор Макгоуэн. — Это открытие наглядно показывает, как много нам еще предстоит узнать о генетике протистов».
Микроскопическое существо с удивительными особенностями
Протисты отличаются колоссальным разнообразием, что затрудняет их однозначную систематизацию. К этой группе относятся как одноклеточные формы вроде амеб или диатомовых водорослей, так и сложные многоклеточные организмы, например, крупные бурые водоросли.
«Понятие «протист» довольно размыто: фактически это любой эукариот, не относящийся к животным, растениям или грибам, — поясняет доктор Макгоуэн. — Поскольку это крайне неоднородная группа, дать ей точное определение сложно».
«Одни представители эволюционно близки к животным, другие — к растениям. Разнообразие стратегий выживания среди них поражает: они могут быть хищниками и жертвами, паразитами и симбионтами, вести прикрепленный образ жизни или активно передвигаться, а также использовать как фотосинтез, так и другие способы питания. Обобщать здесь практически невозможно».
Oligohymenophorea sp. PL0344 относится к классу инфузорий. Эти свободноплавающие организмы широко распространены в водных экосистемах и давно вызывают интерес генетиков как своеобразные «горячие точки» эволюционных изменений, в том числе затрагивающих стоп-кодоны.
Когда сигналы остановки меняют смысл
У подавляющего большинства живых существ «стоп-сигналы» в ДНК — кодоны TAA, TAG и TGA — сообщают клетке о завершении синтеза белковой цепи, выполняя функцию своеобразных знаков препинания.
Генетический код считается почти универсальным, так как правила чтения инструкций в природе удивительно стабильны. Однако существуют редкие исключения. В известных вариантах отклонений кодоны TAA и TAG, как правило, эволюционируют синхронно и кодируют одну и ту же аминокислоту, если перестают быть стоп-сигналами.
«Обычно мы видим, что TAA и TAG изменяются одновременно, — подчеркивает доктор Макгоуэн. — Если они не являются терминаторами, то всегда определяют одну и ту же аминокислоту».
Случай Oligohymenophorea sp. PL0344 принципиально иной. Здесь единственным стоп-кодоном выступает TGA, тогда как TAA отвечает за лизин, а TAG — за глутаминовую кислоту. Ученые также зафиксировали повышенную плотность кодонов TGA в геноме, что, вероятно, компенсирует отсутствие двух других терминаторов. Оставшийся стоп-сигнал UGA часто располагается непосредственно после кодирующих участков, по-видимому, препятствуя «считыванию лишнего» (readthrough) при трансляции.
«Это крайне необычно, — комментирует доктор Макгоуэн. — Случаев, когда эти кодоны назначаются двум разным аминокислотам, ранее не наблюдалось. Это открытие бросает вызов устоявшимся представлениям о трансляции генов, согласно которым эти кодоны должны быть жестко связаны друг с другом».
«Ученые пытаются синтезировать новые генетические коды, но природа уже создала их — нужно лишь уметь искать. Или, как в нашем случае, даже не искать, а просто вовремя заметить».
Механика интерпретации ДНК
ДНК представляет собой свод инструкций, которые для реализации должны пройти путь от копирования до интерпретации. Сначала генетический код транскрибируется в РНК, которая затем служит матрицей для синтеза белков из аминокислот.
Процесс стартует с кодона ATG и завершается на одном из стоп-сигналов. Изученная инфузория перестроила этот консервативный механизм, доказав, что даже фундаментальные системы биологии обладают неожиданной гибкостью.
Анализ транскриптома подтвердил наличие супрессорных тРНК, соответствующих переназначенным кодонам, что доказывает: организм действительно считывает бывшие «знаки остановки» как полноценные элементы для построения белков.
Инфузории — нарушители генетических догм
Дальнейшие исследования подтвердили, что инфузории остаются неисчерпаемым источником генетических сюрпризов. Согласно работе 2024 года, также опубликованной в PLOS Genetics, у представителей класса Phyllopharyngea стоп-кодон UAG многократно подвергался переназначению. Например, у некоторых некультивируемых инфузорий он кодирует лейцин, а у видов Hartmannula sinica и Trochilia petrani — глутамин.
Исследование показало, что, хотя UAA остается предпочтительным стоп-кодоном для этой группы, UAG регулярно приобретает функции кодирования. Это доказывает, что у малоизученных микробных эукариот генетический код менялся неоднократно, утверждая инфузорий в статусе главных «бунтарей» против общепринятых правил генетики.
Эти данные свидетельствуют о том, что структура генетического кода гораздо динамичнее, чем считалось ранее. И пока для большинства организмов правила остаются незыблемыми, эволюция в микромире активно экспериментирует с самими основами жизни.
Первоначальное исследование вышло в журнале PLOS Genetics в 2023 году. Работа была реализована при финансовой поддержке Wellcome Trust в рамках программы «Дарвиновское дерево жизни», а также получила поддержку Института Эрлхэма и Совета по исследованиям в области биотехнологии и биологических наук (BBSRC) UKRI. Данные секвенирования и геномные сборки находятся в открытом доступе.
