Бактерии и вирусы меняют свой генетический код

Анализ кодонового словаря бактерий и фагов показал, что они отходят от канонических значений генетического кода намного чаще, чем считалось.

Генетический код – одна из тех вещей, про которую знают даже люди, далёкие от биологии и от науки вообще. Всем известно, что информация о белках закодирована в ДНК, и что информация эта представлена разными тройными комбинациями четырёх генетических букв, А, Т, Г и Ц. Комбинация из трёх букв, кодон или триплет, кодирует одну аминокислоту, но при этом одной и той же аминокислоте обычно соответствует несколько кодонов. Считывание же кодоновой информации и превращение её в полипептидную цепь происходит во время трансляции, на рибосомах.

Генетический код универсален для всех живых существ – в том смысле, что все им пользуются, и альтернативы ему нет. Но в то же время у некоторых организмов значения конкретных триплетов могут меняться, например, кодону одной аминокислоты может присваиваться другая аминокислота. В таких случаях говорят об отличиях от канонического кодонового словаря, подразумевая под каноническим словарём тот, которым пользуется большинство организмов.

Может показаться, что такие отклонения от канонических значений в генетическом словаре – это что-то исключительное. Но, как показали исследования Натальи Ивановой и её коллег из Объединённого геномного института, вольное обращение со значениями кодонов встречается в природе  намного чаще, нежели можно было предположить – во всяком случае, если мы говорим о бактериях, вирусах и их стоп-кодонах.

Что такое стоп-кодон? Это триплет, обозначающий конец кодирующей области: когда рибосома на матричной РНК обнаруживает такой кодон, она понимает, что новых аминокислот к полипептиду присоединять больше не надо, и отпускает синтезировавшуюся полипептидную цепь. Важность таких стоп-сигналов легко понять, представив себе, что получится, если какой-то из них не сработает. В этом случае белковая молекула прирастёт ещё неким количеством аминокислот, ведь рибосома продолжит сканировать мРНК и воспринимать новые триплеты как несущие информацию об аминокислотах. Такой удлинённый белок уже не сможет выполнять свою функцию.

Однако бывает, что трансляция, то есть синтез белка, проходит «сквозь» терминаторный кодон; в этом случае рибосома воспринимает его как «аминокислотный», то есть кодирующий какую-то аминокислоту, и в результате всё равно получается нормальный, функционирующий белок. То есть клетка нарочно использует отредактированную версию кодонового словаря.

Исследователи решили проверить, насколько широко распространено это явление. Для этого они проанализировали колоссальный массив данных размером в 5,6 триллионов нуклеотидов, которые были прочитаны в нескольких десятках тысяч образцов бактерий и бактериофагов. Бактерии, «участвовавшие» в исследовании, жили в самых разных экологических нишах, среди них были и морские экземпляры, и пресноводные, и почвенные, и те, которых можно найти у нас во рту и в кишечнике, и ещё многие другие; всего таких экологических ниш было более 1 700.

Результаты анализа всех удивили: альтернативные значения стоп-кодонов удалось выявить почти в 10% образцов. Причём активней всего генетический код переосмысляли бактерии человеческой микрофлоры, примерно половина из которых прочитывала терминаторный кодон как смысловой, то есть кодирующий какую-то аминокислоту. Повторим, что об альтернативном использовании  стоп-кодонов биологи знали давно, но никто не думал, что это может быть настолько широко распространено.

Как объясняют авторы работы, представление о канонических стоп-кодонах возникло в том числе и после изучения генетического кода бактерий, но те исследования проводились на бактериях, которые удобно выращивать в лаборатории. Большинство же бактерий в лабораторных условиях не растут, поскольку до сих пор непонятно, как создать для них удобную среду обитания. И хотя потом геномы таких капризных бактерий тоже научились читать, никто не анализировал полученные данные на предмет соответствия каноническим правилам.

Теперь же получается, что многие бактерии обходятся без, казалось бы, универсального правила стоп-кодонов. Такое большое число случаев использования терминаторных кодонов не по назначению говорит о том, что это правило в данном случае имеет довольно относительный характер, что значения кодонов – по крайней мере, стоп-кодонов – могут легко приспосабливаться под какие-то нужды клетки. Впрочем, касается это пока только бактерий и паразитирующих на них вирусах; эукариотические системы вполне могут соблюдать стоп-кодоны со всей строгостью.

Кстати говоря, в хода анализа обнаружились довольно необычные расхождения между бактериями и бактериофагами: если бактерии предпочитали переозначивать один из стоп-кодонов, то фаги проделывали это с двумя другими каноническими терминаторными триплетами. Казалось бы, бактериофаги, которые полностью зависят от чужих рибосом и трансляционных белков, должны придерживаться в точности той же версии кодонового словаря, что и их хозяева-бактерии. Однако этого, по-видимому, не происходит, и бактериальные вирусы не испытывают никаких неудобств из-за того, что им приходится иметь дело с трансляционной машиной, «заточенной» на другие значения некоторых кодонов.

Надо сказать, похожие вещи с кодоновым словарём пытаются делать и сами биологи. В 2011 году исследователям из Массачусетского технологического института в сотрудничестве с коллегами из Гарварда и Йеля удалось обнулить значение одного из триплетов генетического кода бактерии Escherichia coli, а спустя два года та же команда присвоила освободившемуся кодону значение искусственной аминокислоты (для чего бактерию пришлось снабдить несколькими белками и транспортной РНК, которые обслуживали эту новую аминокислоту).

Редактируя генетический код, исследователи надеются создать синтетический организм с заданными свойствами, и, возможно, если мы узнаем, как самим бактериям удаётся менять значения своих кодоновых слов, работы в этом направлении пойдут быстрее.