Аналіз кодонового словника бактерій і фагів показав, що вони відходять від канонічних значень генетичного коду набагато частіше, ніж вважалося.
Генетичний код - одна з тих речей, про яку знають навіть люди, далекі від біології і від науки взагалі. Всім відомо, що інформація про білки закодована в ДНК, і що інформація ця представлена різними потрійними комбінаціями чотирьох генетичних букв, А, Т, Г і Ц. Комбінація з трьох букв, кодон або триплет, кодує одну амінокислоту, але при цьому одній і тій же амінокислоті зазвичай відповідає кілька кодонів. Зчитування ж кодонової інформації і перетворення її на поліпептидний ланцюг відбувається під час трансляції, на рибосомах.
Генетичний код універсальний для всіх живих істот - у тому сенсі, що всі ним користуються, і альтернативи йому немає. Але в той же час у деяких організмів значення конкретних триплетів можуть змінюватися, наприклад, кодону однієї амінокислоти може присвоюватися інша амінокислота. У таких випадках говорять про відмінності від канонічного кодонового словника, маючи на увазі під канонічним словником той, яким користується більшість організмів.
Може здатися, що такі відхилення від канонічних значень у генетичному словнику - це щось виняткове. Але, як показали дослідження Наталії Іванової та її колег з Об'єднаного геномного інституту, вільне поводження зі значеннями кодонів зустрічається в природі набагато частіше, ніж можна було припустити - у всякому разі, якщо ми говоримо про бактерії, віруси та їхні стоп-кодони.
Що таке стоп-кодон? Це триплет, що позначає кінець кодуючої області: коли рибосома на матричній РНК виявляє такий кодон, вона розуміє, що нових амінокислот до поліпептиду приєднувати більше не треба, і відпускає поліпептидний ланцюг, що синтезувався. Важливість таких стоп-сигналів легко зрозуміти, уявивши собі, що вийде, якщо якийсь з них не спрацює. У цьому випадку білкова молекула приросте ще якоюсь кількістю амінокислот, адже рибосома продовжить сканувати мРНК і сприймати нові триплети як несучі інформацію про амінокислоти. Такий подовжений білок вже не зможе виконувати свою функцію.
Однак буває, що трансляція, тобто синтез білка, проходить «крізь» термінаторний кодон; у цьому випадку рибосома сприймає його як «амінокислотний», тобто кодуючий якусь амінокислоту, і в результаті все одно виходить нормальний, функціонуючий білок. Тобто клітина навмисне використовує відредаговану версію кодонового словника.
Дослідники вирішили перевірити, наскільки широко поширене це явище. Для цього вони проаналізували колосальний масив даних розміром в 5,6 трильйонів нуклеотидів, які були прочитані в декількох десятках тисяч зразків бактерій і бактеріофагів. Бактерії, які «брали участь» у дослідженні, жили в різних екологічних нішах, серед них були і морські екземпляри, і прісноводні, і грунтовані, і ті, яких можна знайти у нас в роті і в кишечнику, і ще багато інших; всього таких екологічних ніш було понад 1 700.
Результати аналізу всіх здивували: альтернативні значення стоп-кодонів вдалося виявити майже в 10% зразків. Причому найактивніше генетичний код переосмислювали бактерії людської мікрофлори, приблизно половина з яких прочитувала термінаторний кодон як смисловий, тобто кодуючий якусь амінокислоту. Повторимо, що про альтернативне використання стоп-кодонів біологи знали давно, але ніхто не думав, що це може бути настільки широко поширено.
Як пояснюють автори роботи, уявлення про канонічні стоп-кодони виникло в тому числі і після вивчення генетичного коду бактерій, але ті дослідження проводилися на бактеріях, які зручно вирощувати в лабораторії. Більшість бактерій в лабораторних умовах не ростуть, оскільки досі незрозуміло, як створити для них зручне середовище проживання. І хоча потім геноми таких примхливих бактерій теж навчилися читати, ніхто не аналізував отримані дані на предмет відповідності канонічним правилам.
Тепер же виходить, що багато бактерій обходяться без, здавалося б, універсального правила стоп-кодонів. Таке велике число випадків використання термінаторних кодонів не за призначенням говорить про те, що це правило в даному випадку має досить відносний характер, що значення кодонів - принаймні, стоп-кодонів - можуть легко пристосовуватися під якісь потреби клітини. Втім, стосується це поки тільки бактерій і паразитуючих на них вірусах; еукаріотичні системи цілком можуть дотримуватися стоп-кодонів з усією суворістю.
До речі кажучи, в ході аналізу виявилися досить незвичайні розбіжності між бактеріями і бактеріофагами: якщо бактерії воліли переозначувати один із стоп-кодонів, то фаги виконували це з двома іншими канонічними термінаторними триплетами. Здавалося б, бактеріофаги, які повністю залежать від чужих рибосом і трансляційних білків, повинні дотримуватися в точності тієї ж версії кодонового словника, що і їхні господарі-бактерії. Однак цього, мабуть, не відбувається, і бактеріальні віруси не відчувають ніяких незручностей через те, що їм доводиться мати справу з трансляційною машиною, «заточеною» на інші значення деяких кодонів.
Треба сказати, схожі речі з кодоновим словником намагаються робити і самі біологи. У 2011 році дослідникам з Массачусетського технологічного інституту у співпраці з колегами з Гарварду і Єля вдалося обнулити значення одного з триплетів генетичного коду бактерії Escherichia coli, а через два роки та ж команда присвоїла звільненому кодону значення штучної амінокислоти (для чого бактерію довелося забезпечити кількома білками і транспортною РНК, які обслуговували цю нову амінокислоту).
Редагуючи генетичний код, дослідники сподіваються створити синтетичний організм з заданими властивостями, і, можливо, якщо ми дізнаємося, як самим бактеріям вдається змінювати значення своїх кодонових слів, роботи в цьому напрямку підуть швидше.