Бактерии и вируси променят своя генетичен код

Анализ на кодоновия речник на бактериите и фагите показал, че те се отклоняват от каноничните стойности на генетичния код много по-често, отколкото се смяташе.

Генетичният код е едно от нещата, за които знаят дори хората, далечни от биологията и от науката. На всички е известно, че информацията за белтъците е кодирана в ДНК и че тази информация е представена от различни тройни комбинации на четирите генетични букви А, Т, Г и Ц.

Комбинацията от три букви, кодон или триплет, кодира една аминокиселина, но на една и съща аминокиселина обикновено съответстват няколко кодона.

Генетичният код е универсален за всички живи същества – в смисъл, че всички се ползват от него и той няма алтернативи. Но в същото време при някои организми значението на конкретни триплети може да се мени, например кодонът на една аминокиселина може да се присвоява от друга аминокиселина. В такива случаи се говори за отличие от каноничния кодонов речник, като под такъв се разбира този, който се ползва от повечето организми.

Може да изглежда, че такива отклонения от каноничните стойности в генетичния речник са нещо изключително. Но както показали изследвания на Наталия Иванова и колегите ѝ от Обединения геномен институт, свободното боравене със стойностите на кодоните се среща в природата много по-често, отколкото можем да си представим – във всеки случай, ако говорим за бактерии, вируси и техните стоп-кодони.

Какво е стоп-кодон? Това е триплет, обозначаващ края на кодиращата област – когато рибозомата на матричната РНК открие такъв кодон, тя разбира, че не бива да се присъединяват повече нови аминокиселини към полипептида, и освобождава синтезиращата полипептидна верига.

Важността на такива стоп-сигнали лесно може да се разбере, като си представим какво ще се получи, ако някой от тях не сработи. В този случай белтъчната молекула ще се обзаведе с още известно количество аминокиселини, тъй като рибозомата ще продължи да сканира мРНК и да възприема новите триплети като носещи информация за аминокиселините. Такъв дълъг белтък вече няма да може да изпълнява своята функция.

Но се случва транслацията, тоест белтъчният синтез, да преминава „през“ терминаторния кодон – в този случай рибозомата го възприема като „аминокиселина“, тоест кодираща някоя аминокиселина, и в резултат се получава нормален, функциониращ белтък. Тоест клетката нарочно използва редактирана версия на кодоновия речник.

Изследователите решили да проверят колко широко е разпространено това явление. За тази цел те анализирали колосален масив данни с размер 5,6 трилиона нуклеотиди, които били прочетени в няколко десетки хиляди образеца на бактерии и бактериофаги.

Бактериите, „участващи“ в изследването, живели в най-различни екологични ниши, сред тях имало и морски екземпляри, и сладководни, и почвени, и такива, които може да се открият в устата и стомаха, и още много други. Общо екологичните ниши били над 1700.

Резултатите от анализа учудили всички – алтернативни стойности на стоп-кодоните били открити почти в 10% от образците. Най-активно от всички преосмисляли генетичния код бактериите от човешката микрофлора, половината от които прочитали терминаторния кодон като смислов, тоест кодиращ някаква аминокиселина.

Повтаряме, че за алтернативното използване на стоп-кодоните биолозите знаят отдавна, но никой не мислел, че това може да е толкова широко разпространено.

Както обясняват авторите на изследването, представата за каноничните стоп-кодони е възникнала включително и след изучаването на генетичния код на бактериите, но тези изследвания са провеждани на бактерии, които е удобно да се отглеждат в лаборатория.

Повечето бактерии в лабораторни условия не растат, тъй като досега не е ясно как да се създаде удобна среда за обитание за тях. И макар след това учените да се научили да четат геномите на такива капризни бактерии, никой не е анализирал получените данни за съответствие с каноничните правила.

Сега се получава, че много бактерии минават без универсалното правило на стоп-кодона. Толкова много случаи на използване на терминаторни кодони не по предназначение говори, че това правило в дадения случай има доста относителен характер, че стойностите на кодоните – или поне на стоп-кодоните – могат лесно да се приспособяват под дадени нужди на клетката.

Впрочем засега това се отнася само до бактериите и паразитиращите върху тях вируси; еукариотните системи може да спазват стоп-кодоните с цялата строгост.

В хода на анализа са открити доста необичайни разминавания между бактериите и бактериофагите – ако бактериите предпочитали да преозначат един от стоп-кодоните, то фагите правели това с два други канонични терминаторни триплета.

Изглежда, бактериофагите, които изцяло зависят от чуждите рибозоми и транслационни белтъци, трябва да се придържат с точност към тази версия на кодоновия речник, както и бактерията домакин. Но това очевидно не се случва и бактериалните вируси не изпитват никакви неудобства от това, че им се налага да си имат работа с транслационната машина, „заточена“ на други стойности на някои кодони.

Подобни неща с кодоновия речник са се опитвали да направят и самите биолози. През 2011 година изследователи от Масачузетския технологичен институт в сътрудничество с колеги от Харвард и Йейл успели да занулят един от триплетите на генетичния код на бактерията Escherichia coli, а две години по-късно същият екип дал на освободения кодон значение на изкуствена аминокиселина (за което бактерията била снабдена с няколко белтъка и транспортна РНК, които обслужвали тази нова аминокиселина).

Редактирайки генетичния код, изследователите се надяват да създадат синтетичен организъм със зададени свойства.