Анализ 250 000 видов выявляет неожиданные изменения в генетическом коде

Масштабный анализ геномов бактерий и архей выявил пять ранее неизвестных случаев, когда организм использует альтернативный код для преобразования генетических данных в белки.

Генетический код, определяющий, как генетическая информация переводится в конкретные белки, является менее жестким, чем долгое время предполагали ученые, согласно исследованию, опубликованному сегодня (9 ноября) в журнале eLife. В статье ученые сообщают о проверке геномов более 250 000 видов бактерий и архей и обнаружении пяти организмов, которые полагаются на альтернативный генетический код, что означает ветви в эволюционной истории, которые не были полностью объяснены.

Генетический код относится к тому, как последовательности нуклеотидных оснований ДНК приводят к определенным цепочкам аминокислот в процессе синтеза белка. Чтобы осуществить этот синтез, рибосомы считывают нити мРНК - копии фрагментов генома организма - по три основания за раз. Каждая последовательность из трех оснований, известная как кодон, связывается с определенной трансферной РНК (тРНК), которая передает соответствующую аминокислоту рибосоме для добавления в цепь белка. Организм с альтернативным генетическим кодом, как в пяти новых случаях, обнаруженных авторами исследования, имеет кодоны, соответствующие другим аминокислотам, чем в стандартном генетическом коде, используемом подавляющим большинством известных форм жизни.

"Генетический код был застывшим на протяжении 3 миллиардов лет", - сказала The Scientist соавтор исследования Екатерина Шульгина, аспирантка Гарвардского университета по системной биологии. Тот факт, что некоторые организмы нашли способ изменить его, меня просто восхищает". Изменение генетического кода требует изменения древних, важных молекул, таких как тРНК, которые являются основополагающими для работы биологии".

Считалось, что этот код в значительной степени сохраняется во всех формах жизни, но за последние несколько десятилетий ученые находили редкие исключения. В дополнение к обнаружению пяти новых альтернативных генетических кодов, команда также проверила семь других, которые были обнаружены один за другим в прошлом, доведя общее число известных исключений у бактерий до 12.

"Я рад видеть, что все результаты, которые у нас были до сих пор, нашли отражение в [новой статье]", - сказал The Scientist биохимик Йельского университета Дитер Зелл, который не работал над исследованием. Зелл изучает эволюцию генетического кода уже несколько десятилетий и первым обнаружил альтернативный генетический код у бактерий. Методология команды была "очень хорошей", говорит он, особенно потому, что она иллюстрирует, что "генетический код чрезвычайно гибок".

"Заново найти все, что мы уже знали, и удвоить число известных переназначений" - это особенно впечатляет, говорит профессор геномной эволюции Университетского колледжа Дублина Кеннет Вулф, который также не работал над исследованием. "То, что они ищут, действительно редкость".

Шульгина и соавтор исследования Шон Эдди, биолог из Гарварда и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза, разработали алгоритм под названием Codetta, названный в честь Розеттского камня, который может проверить геном организма и предсказать, какие аминокислоты из его кодонов будут добавлены в данный белок. Алгоритм быстро проверяет геном и сравнивает его с белками организма в базе данных под названием Pfam. Если появляется достаточное количество отклонений от стандартного кода, Codetta отмечает организм как потенциально использующий альтернативную аминокислоту для определенного кодона. После этого исследователи могут экспериментально подтвердить ее работу, отыскав в организме предсказанную тРНК.

Codetta отлично справляется с поиском генетических кодов, которые почти не отличаются от стандартных. Например, все недавно обнаруженные изменения затрагивают аргинин, который обычно кодируется кодонами AGG, CGA и CGG. В некоторых из вновь обнаруженных альтернативных генетических кодов эти кодоны переназначены на аминокислоту триптофан, которая уже связана с аналогичным кодоном TGG.

До нового исследования все известные альтернативные генетические коды у бактерий включали в себя изменение "стоп" кодона, который сообщает клеточному механизму, что белок достиг конца, на кодон, связанный с аминокислотой. Новые результаты показывают первые альтернативные генетические коды у бактерий, которые представляют собой перестановку смыслового кодона, то есть изменение кодона с одной аминокислоты на другую.

По словам Эдди, выявление этих альтернативных кодонов важно, поскольку ученые, предсказывающие, какие белки будет синтезировать организм на основе его генома, делают это, исходя из предположения, что в основе лежит стандартный генетический код. Учет отклонений позволит повысить точность прогнозов и предотвратить занесение ошибок в базы данных по мере секвенирования все большего количества геномов.

Но эти изменения не должны происходить при нормальных обстоятельствах, объясняет Эдди.

"Если вы попытаетесь изменить значение кодона, вы, по сути, внесете одновременные мутации по всему геному", - говорит Эдди в интервью The Scientist. "В каждом месте, где используется этот кодон, вы просто заменили аминокислоту. Просто умопомрачительно, что организм может это пережить". Сдвиги стоп-кодона значительно менее "драматичны", добавляет Эдди, потому что замена стоп-кодона на смысловой кодон не меняет функцию белка, а просто удлиняет его хвост.

Шульгина объясняет, что изменения происходят отчасти потому, что некоторые бактериальные геномы могут иметь низкий состав определенных нуклеотидов по сравнению с другими. Это сводит использование кодонов, которые зависят от этих нуклеотидов, почти к нулю, что позволяет организму легче пережить изменения, не изменяя слишком много белков радикальным образом.

"По крайней мере, у бактерий, похоже, что подобные силы могут объяснить, почему генетический код эволюционировал именно таким образом", - говорит Шульгина. "Все может быть совершенно иначе, если мы посмотрим на другие формы жизни, например, эукариоты". Исключения из стандартного генетического кода были обнаружены у одноклеточных эукариот, таких как дрожжи, но эксперты ожидают, что альтернативные коды будут редкостью в более сложных эукариотических организмах.

Отследить, почему эти альтернативные генетические коды возникли в ходе эволюционной истории, довольно сложно, говорят многочисленные исследователи изданию The Scientist, в немалой степени потому, что люди не могли наблюдать, как это происходит. Но у авторов есть несколько гипотез.

В одном случае Шульгина обнаружила бактерию, которая использует тот же альтернативный код, что и заражающий ее вирус бактериофаг. Это указывает на то, что бактерия, по-видимому, выработала альтернативный код, который предотвратил захват ее клеточного механизма, и что фаг мог затем сделать такую же адаптацию, чтобы следовать за своим хозяином.

Для этого бактерии и археи представляли собой самый простой тест для Codetta. Шульгина, Эдди и другие исследователи говорят, что им не терпится увидеть, что алгоритм найдет в эукариотической жизни; однако провести анализ эукариотического генома будет сложно из-за того, что к сигналу добавится много шума. Эукариотические геномы полны нефункциональных псевдогенов, объясняет Шульгина, которые нужно либо отфильтровать, либо учесть при обновлении Codetta, чтобы они не запутали алгоритм.

Команда также проверила Codetta на геноме дрожжей, эукариот, известных своими альтернативными генетическими кодами, и сделала новое открытие, которое помогло подтвердить ее предсказания для бактерий. В какой-то момент алгоритм не был достаточно уверен, чтобы назначить аминокислоту определенному кодону. При дальнейшем исследовании оказалось, что дрожжи используют один и тот же кодон для кодирования двух разных аминокислот.

"Мой метод не был создан для того, чтобы найти это; он был создан для того, чтобы найти различные кодоны, а не двусмысленные кодоны", - говорит Шульгина. "Кодетта не хотела выбирать ни одну аминокислоту для этого кодона, так что в некотором смысле она потерпела неудачу очень корректным образом".

Эдди и Шульгина планируют усовершенствовать алгоритм и говорят, что, зная заранее об этих ограничениях, другие исследователи смогут воспользоваться их работой и провести собственные геномные скрининги. С этой целью Шульгина и Эдди разместили Codetta на GitHub для всех исследователей, которые захотят использовать его или разработать собственную версию.

"Поскольку мы только царапаем поверхность реального микробного биоразнообразия, я думаю, что вполне вероятно, что Codetta будет полезна для обнаружения дополнительных переназначений кодонов", - сказал The Scientist по электронной почте биохимик из Университета Корка Павел Баранов, который не работал над исследованием. "Мне самому не терпится попробовать".

Тем не менее, вычислительные прогнозы Кодетты должны быть подтверждены с помощью масс-спектроскопии и других инструментов, сказал The Scientist системный биолог Геттингенского университета Мартин Колмар.

В частности, Колмар хотел бы увидеть больше примеров экспериментальной проверки, например, перепроверить, что белки, синтезированные альтернативными генетическими кодами, имеют ожидаемый аминокислотный состав. Но, добавляет он, "это тяжелая работа, и она выходит за рамки данной статьи".

Между тем, все исследователи, беседовавшие с The Scientist, заявили, что они ожидают, что Кодетта продолжит находить новые исключения из правил, установленных генетическим кодом.

"Это исследование - хорошая иллюстрация того, что нет почти ничего универсально сохраняющегося [во всем живом]", - говорит биолог из Университета Вандербильта Антонис Рокас, который не принимал участия в работе. "Биология - это в некотором смысле наука об исключениях".