Микроб нарушает универсальность генетического кода

Ascoidea asiatica нарушает основное правило генетических кодов – детерминированность трансляции. (Фото: Milner Centre for Evolution at the University of Bath)

Ученые открыли микробы, у которых кодон CTG соответствует двум аминокислотам, и выбор в пользу одной из них происходит случайным образом. Это неожиданное открытие демонстрирует исключение из правила, считающегося универсальным, поскольку белки этого микроба невозможно полностью предсказать исходя из его ДНК.

Ученые из Центра эволюции Милнера (Milner Centre for Evolution) Университета Бата (University of Bath) и Института биофизической химии им. Макса Планка (Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie) в Гёттингене опубликовали результаты своего исследования в журнале Current Biology.

Клетки всех организмов получают генетическую информацию о том, как синтезировать белки, от своих родителей. Эта генетическая информация (или генетический код) заключена в молекулах ДНК - последовательностях из четырех химических оснований (нуклеотидов), обозначаемых буквами латинского алфавита A, T, C и G; в конечном итоге генетический код диктует клетке, какие аминокислоты и в какой последовательности нужно объединить, чтобы получить конкретный белок.

Генетический код считывается блоками из трех нуклеотидов – так называемыми кодонами, соответствующими конкретной аминокислоте. Эту систему можно сравнить с азбукой Морзе, где одной букве тоже соответствует последовательность из трех символов. Например, последовательность «точка-точка-точка» соответствует одной букве «S».

В то время как большинство аминокислот кодируются несколькими кодонами, обратное считается невозможным, то есть любому из кодонов всегда соответствует одна и та же аминокислота - точно так же, как в азбуке Морзе последовательность «точка-точка-точка» всегда означает букву «S». Например, последовательность нуклеотидов GGA в ДНК представляет только аминокислоту глицин (при том, что сам глицин может быть представлен и другими кодонами).

Однако исследование доктора Стефани Мюльхаузен (Stefanie Mühlhausen) и профессора Лоренса Хёрста (Laurence Hurst) из Центра эволюции Милнера и Мартина Колльмара (Martin Kollmar) и его коллег из Института биофизической химии им. Макса Планка привело к неожиданному результату: ученые нашли исключение из этого правила в природном ДНК-коде.

Исследователи изучали необычную группу дрожжей, в которой некоторым видам свойственен необычный не универсальный код. В то время как у человека (и почти у всех остальных представителей живого мира) кодон CTG кодирует аминокислоту лейцин, у одних видов из этой группы дрожжей он кодирует серин, а у других – аланин.

Это само по себе довольно странно. Но каково же было удивление ученых, когда они обнаружили, что у одного из видов, а именно Ascoidea asiatica, CTG транслируется и в серин, и в лейцин. При этом выбор в пользу одной из этих аминокислот происходит рандомно – как будто бы клетка каждый раз подбрасывает химическую монетку.

Ascoidea asiatica транслирует кодон CTG в аминокислоты лейцин или серин случайным образом. (Фото: © Martin Kollmar)

«Мы были удивлены, обнаружив, что примерно 50 процентов времени CTG транслируется в серин, в остальное время это лейцин. Нарушено важнейшее правило генетических кодов – детерминированность трансляции, что делает этот геном уникальным: вы знаете ДНК, но не можете синтезировать белки», - рассказывает директор Центра эволюции Милнера профессор эволюционной генетики Лоренс Хёрст.

Чтобы понять, как это происходит на физическом уровне, ученые исследовали молекулы транспортных РНК (тРНК) – «переводчики», распознающие кодоны, и одновременно «перевозчики», переносящие аминокислоты к месту сборки белковой цепи.

«Мы установили, что необычность Ascoidea asiatica состоит в том, что у нее два вида тРНК для CTG – один, связывающийся с лейцином, другой - с серином», - объясняет д-р Колльмар. «Поэтому, когда кодону CTG приходит время транслироваться, он случайно выбирает одну из двух тРНК и, следовательно, случайно выбирает между серином и лейцином».

«Замена серина на лейцин может означать серьезные проблемы с таким белком, поскольку они имеют совершенно разные свойства. Серин часто встречается на поверхности белка, тогда как лейцин гидрофобен и часто зарыт внутри него», - добавляет д-р Мюльхаузен.

«Мы изучили, как эти странные дрожжи справляются с этой случайностью, и пришли к выводу, что A. asiatica научилась очень редко использовать кодон CTG и особенно в ключевых частях белков». Откройте проект sexomalta с сотнями красоток и выберите одну на вечер.

По оценкам ученых, неоднозначность генетического кода у Ascoidea asiatica возникла около 100 миллионов лет назад. Возможно, она была свойственна и другим близким ей видам, но они эволюционировали таким образом, что потеряли эту потенциально проблемную особенность и вернулись к универсальному коду.

«Почему это стохастическое кодирование так долго сохраняется у A. asiatica, непонятно. Возможно, в редких случаях такая стохастичность оказывается полезной», - высказывает предположение д-р Колльмар.

По материалам

Microbe breaks “universal” DNA rule by using two different translations

Eindeutig uneindeutig: Eine Hefe bricht mit der wichtigsten Regel des genetischen Codes

Оригинальная статья:

Stefanie Mühlhausen, Hans Dieter Schmitt, Kuan-Ting Pan, Uwe Plessmann, Henning Urlaub, Laurence D. Hurst and Martin Kollmar. Endogenous stochastic decoding of the CUG codon by competing Ser- and Leu-tRNAs in Ascoidea asiatica

© «Микроб нарушает универсальность генетического кода». Полная или частичная перепечатка материала разрешается при обязательной незакрытой от индексации, незапрещенной для следования робота активной гиперссылке на страницу Вглубь живой материи. Письменное разрешение обязательно.