Микроскопический организм только что нарушил одно из «универсальных» правил биологии, и ученые этого не предвидели. Фото: AI/ScienceDaily.com
В ходе эксперимента, задуманного исключительно для проверки возможностей секвенирования ДНК из единичных клеток, исследователи столкнулись с феноменом, перевернувшим привычные представления о генетике. Объектом неожиданного открытия стал микроскопический обитатель пруда, расположенного на территории парка Оксфордского университета. Этот организм, как выяснилось, использует генетический код, ранее не встречавшийся в научной практике.
Доктор Джейми Макгоуэн, представляющий Институт Эрлхэма, занимался сбором и анализом генома простейшего, выделенного из пресной воды. Первоначальная задача носила сугубо прикладной характер: команда стремилась отладить конвейер секвенирования ДНК, способный работать с ничтожно малыми объёмами генетического материала, вплоть до ДНК из одной-единственной клетки. Однако вместо ожидаемых результатов специалисты наткнулись на генетическую аномалию.
Крошечное тело с большим генетическим сюрпризом
Организм, идентифицированный как Олигогименофория sp. PL0344, оказался ранее неизвестным видом, обладающим редкими мутациями. В частности, изменения затронули механизм считывания формул ДНК и построения белков. Согласно исследованию, опубликованному в журнале PLOS Genetics, два кода, которые в норме служат сигналами остановки генов, были переназначены на иные аминокислоты — комбинацию, которую учёные охарактеризовали как не имеющую аналогов в известной науке.
«Это просто удача, что мы выбрали этого протиста для тестирования нашего конвейера секвенирования, — отметил доктор Макгоуэн. — И это наглядно демонстрирует, насколько мало мы, по сути, знаем о генетике простейших».
Протисты, к которым относится обнаруженный организм, представляют собой чрезвычайно разнородную группу. Многие из них — микроскопические одноклеточные существа, включающие амёб, водоросли и диатомовые. Другие же, напротив, крупнее и многоклеточны: к ним относятся ламинарии, слизевики и красные водоросли. «Определение простейшего расплывчато, — пояснил доктор Макгоуэн. — По сути, это любой эукариотический организм, который не является животным, растением или грибом. Очевидно, это очень общий вопрос, и причина в том, что протисты — чрезвычайно изменчивая группа».
Некоторые из них эволюционно ближе к животным, другие — к растениям. Среди них есть хищники и жертвы, паразиты и хозяева, пловцы и прикреплённые формы. Одни отличаются разнообразной диетой, другие же фотосинтезируют. «По сути, мы можем сделать очень мало обобщений», — добавил исследователь.
Олигогименофория sp. PL0344 принадлежит к группе инфузорий. Эти плавающие простейшие, различимые под микроскопом, обитают во многих морских средах. Инфузории давно привлекают внимание генетиков, поскольку считаются «горячими точками» для изменений генетического кода, включая те, что были зафиксированы в данном случае.
Когда генетические признаки остановки имеют значение
У большинства живых существ три стоп-кодона сообщают клетки, где заканчивается ген: TAA, TAG и TGA. Они работают как знаки препинания в генетических инструкциях, сигнализируя о том, что построение белка должно прекратиться.
Генетический код обычно применяется как почти универсальный, поскольку большинство организмов используют одни и те же основные правила. Вариации случаются, но они редки. В небольшом количестве известные варианты генетического кода TAA и TAG обычно изменяются вместе и обычно означают одно и то же. Это правило предполагает, что два кодона были эволюционно развиты.
«Почти во всех известных случаях TAA и TAG изменяются одновременно», — объяснил доктор Макгоуэн. «Если они не являются стоп-кодонами, то каждый из них имеет одну и ту же аминокислоту».
Это тело сделало что-то другое. У олигогименофореи sp. PL0344, только TGA действует как стоп-кодон. Два других сигнала были перепрофилированы. ТАА означает лизин, а ТАГ — глутаминовую кислоту. Следователи также обнаружили больше кодов TGA, чем ожидалось, что может помочь компенсировать действия двух других стоп-сигналов. PLOS Genetics В документе сообщается, что оставшийся стоп-кодон UGA обогащается сразу после кодирования области, что позволяет предположить, что это может помочь предотвратить вредное чтение, когда трансляция продолжается слишком далеко.
«Нам не известен ни один другой случай, когда стопы этих-кодонов были разделены с двумя четырьмя аминокислотами. Это нарушение некоторых известных правил трансляции генов: считалось, что эти два кодона напряжения. сказал он.» — Сказал доктор Макгоуэн. «Ученые пытаются создать новые генетические коды, но они также существуют в природе. Есть удивительные вещи, которые мы можем найти, если поищем их. Или, в данном случае, когда мы их не ищем».
Как клетка читает инструкцию ДНК
ДНК можно рассматривать как набор инструкций, но инструкции необходимо скопировать и интерпретировать, прежде чем они подействуют. Первоначально ген транскрибируется в РНК. Эта копия РНК затем транслируется в аминокислоты, которые соединяются вместе, образуя белок и молекулы других элементов.
Трансляция начинается со стартового кодона ДНК (ATG) и обычно заканчивается стоп-кодоном (обычно TAA, TAG или TGA). В этой инфузории перестроена знакомая система окончания. Открытие показывает, что одна даже из наиболее консервативных биологических систем может оказаться более гибкой, чем ожидалось.
Анализ генома и транскриптомы команды также выявили гены-супрессоры тРНК, которые соответствуют переназначенным кодонам, что подтверждает вывод о том, что организм действительно считывает эти бывшие стоп-сигналы как аминокислоты. В ходе исследования было установлено, что УАА кодирует лизин, а УАГ — глутаминовую кислоту.
Более поздние исследования показывают, что инфузории являются генетическими нарушителями правил
В последующих исследованиях укрепили идею о том, что инфузории являются выдающимися сюрпризами генетического кода. В обучении PLOS Genetics 2024 года исследователи обратились о множественных независимых переназначениях стоп-кодона UAG в глоточно-глоточных инфузориях. Некультивируемые инфузоры из наборов данных TARA Oceans, по-видимому, используют UAG для кодирования лейцина, в то время как Hartmannula sinica и Trochilia petrani, как было указано, используют UAG для кодирования глутамина.
Это более позднее исследование также показало, что UAA остается неизменным стоп-кодоном в этих глоточных инфузиях, в то время как UAG постоянно переходил к роликам кодирования белка. Результаты показывают повторяющиеся изменения в генетическом коде у плохо изученных микробных эукариот и подтверждают идею о том, что инфузории являются одними из самых сильных исключений из стандартного генетического кода.
В этих рассуждениях предполагается, что генетический код не так устойчив, как когда-то казалось. Для большинства организмов правила остаются стабильными. Но в забытой микробной жизни, особенно в инфузориях, эволюция часто применяла строгие инструкции.