У декількох видів мікроорганізмів деякі «слова» генетичного коду змінили значення з одного на інше.
Генетичний код - це відповідність між амінокислотами, з яких складаються білки, і азотистими підставами в нуклеїнових кислотах, ДНК або РНК. Азотистих підстав у нас чотири - аденін (А), тимін (Т), гуанін (G) і цитозин (С) (в РНК замість тіміна стоїть урацил - U); їх зазвичай називають генетичними літерами і позначають літерами. Амінокислоти закодовані трійками літер, ці трійки називаються триплетами, або кодонами; можна сказати, що азотисті підстави складаються в трибуквені «слова». Деяким амінокислотам відповідає тільки по одному триплету, є амінокислоти, кодовані двома, трьома, чотирма і навіть шістьма триплетами. Послідовність триплетів у гені відповідає послідовності амінокислот у білці, і коли білок-синтезуюча машина зчитує код білка, вона зчитує його по трійках. При синтезі білка потрібно знати, де починати і де закінчувати, тому, крім кодонів, що кодують амінокислоти, є ще старт- і стоп-кодони. Зрозуміло, що старт-кодони дають сигнал почати синтез білка, одночасно вони позначають амінокислоту метіонін. Стоп-кодони дають сигнал закінчити синтез білка і ніяких амінокислот не позначають.
Якийсь час код вважався універсальним у тому сенсі, що у всіх живих організмів амінокислоти кодуються одними і тими ж кодонами. Але потім з'ясувалося, що в генетичному коді є варіації. У бактерій і архей можуть бути альтернативні старт-кодони; у деяких найпростіших стоп-кодон прочитується як амінокислота. У клітинних органел мітохондрій, які дають клітині енергію, є своя ДНК, і генетичний код мітохондрій в деяких позиціях відрізняється від стандартного коду, причому мітохондрії різних організмів можуть бути в цьому сенсі зі своїми особливостями. Взагалі кажучи, якщо не брати до уваги мітохондрії, то звичайні відхилення від стандартного коду полягають у тому, що якийсь амінокислотний кодон перетворюється на стоп-кодон, або стоп-кодон прочитується як кодуючий амінокислоту.
У статті, опублікованій нещодавно в журналі eLife, говориться, що серед живих істот є більш значні відхилення від стандартного генетичного коду. Співробітники Гарвардського університету перевірили понад 250 тисяч геномів бактерій і архей на предмет альтернативності кодування. Перевіряли їх, звичайно, не вручну, а за допомогою спеціальної програми, яка зіставляла послідовність ДНК того чи іншого мікроорганізму з послідовністю його білків (звичайно, якщо послідовність ДНК і білків відома і зберігається в загальнодоступній базі даних). Якщо при такому порівнянні у алгоритму з'являлася підозра, що послідовність азотистих підстав в ДНК якось не дуже відповідає послідовності амінокислот в білках, то бактерія або архея ставали кандидатами в «альтернативники». І далі їх вивчали на предмет альтернативного коду більш детально.
У підсумку вдалося знайти п'ять нових видів мікроорганізмів з серйозними відхиленнями від звичайного коду, і ще для семи видів підтвердилися колишні підозри, що їх код не зовсім такий, як у всіх інших. Що значить серйозні відхилення? Як було сказано вище, зазвичай альтернативні версії коду стосуються стоп-кодонів. А ось у цих дванадцяти альтернативні значення були у кодонів, які в стандартному коді кодують амінокислоти. Причому альтернативні коди були дуже схожі між собою: наприклад, у всіх дванадцяти випадках зміни у значенні стосувалися триплетів AGG, CGA, і CGG, які в стандартному коді означають амінокислоту аргінін (у деяких мікроорганізмів - «альтернативників» аргінінові кодони відійшли до триптофану).
Зміна одного амінокислотного кодона на інший - це набагато більш вражаюча струс для білок-синтезуючого апарату і для всіх білків. Якщо стоп-кодон приймає амінокислотне значення, він просто додається до вже існуючого словника - як якщо б ми просто дізналися нове слово, якщо ж зміни стосуються амінокислотних триплетів, то це все одно, як для нас слово «кішка» раптом стало б позначати дев'ятиповерховий будинок. Тим не менш, бактеріям і археям якось вдалося змінити стандартний генетичний код, хоча як саме це відбувалося в еволюції, зрозуміти досить важко. Можливо, альтернативні версії генетичного коду насправді якийсь час розвивалися разом зі стандартною версією, можливо, вони виникли як модифікація стандарту.
Причини знову ж можуть бути різні: наприклад, навесні ми писали про альтернативний генетичний алфавіт у деяких бактеріофагів - вірусів, що вражають бактерії. Завдяки альтернативному алфавіту вони обманюють захисні противірусні системи бактерій. Тобто віруси-бактеріофаги в принципі можуть змінювати у себе і генетичний алфавіт, і генетичний словник. Одна з бактерій, описана в новому дослідженні, страждає від бактеріофагу, який користується тим же альтернативним кодом, що і сама бактерія. Можливо, що спочатку бактерія зіткнулася з «альтернативним» вірусом, а потім сама змінила свій код, щоб краще відбиватися від паразита.