Белки помнят свой генетический код?

Исследование, объединяющее биологические концепции и новые инструменты компьютерных наук, выявило ранее неизвестные связи между генетическим кодом и структурой белка. Это может изменить представления о синтезе белков в рибосоме — клеточной «сборочной линии». Работа под руководством профессора Алекса Бронштейна, доктора Айли Маркс и аспиранта Авива Розенберга опубликована в Nature Communications.

Белки, сложные молекулы, играющие ключевую роль практически в каждом биологическом процессе, производятся рибосомами в ходе трансляции. Рибосома декодирует поступающие «генетические инструкции» для сборки цепочек аминокислот — строительных блоков белков. Эта цепочка сворачивается в уникальную трёхмерную структуру, определяющую свойства и функции белка. Ошибки трансляции могут приводить к неправильному сворачиванию и, как следствие, к физиологическим нарушениям.

Инструкции по сборке белка доставляются рибосоме в виде кодонов — последовательностей из трёх «букв» генетического кода. Каждый кодон определяет, какую аминокислоту добавить в растущую цепь. Например, кодон UUU кодирует фенилаланин, а UAC — тирозин. Всего 61 смысловой кодон кодирует всего 20 аминокислот, то есть большинство аминокислот кодируются несколькими разными кодонами (синонимичными).

Согласно устоявшейся с 1960-х годов догме, белок не «помнит» конкретный кодон, из которого была транслирована каждая его аминокислота, если её идентичность не меняется. Эксперименты с денатурацией и последующим самостоятельным восстановлением нативной структуры белка указывали, что только последовательность аминокислот определяет структуру. Поэтому мутации, меняющие кодон, но не аминокислоту, считались «молчащими» и не влияющими на структуру и функцию белка.

Команда из Техниона обнаружила статистическую зависимость между идентичностью кодона и локальной структурой белка в позиции кодируемой им аминокислоты. Это указывает, что белки могут «помнить» конкретные инструкции, по которым были синтезированы.

Исследователи проанализировали тысячи трёхмерных структур белков с помощью специально разработанных инструментов, интегрирующих методы машинного обучения и статистики. Они точно сравнили распределения углов в структурах при использовании разных синонимичных кодонов.

Важный момент: пока не установлено направление причинно-следственной связи. Неясно, изменение кода вызывает ли изменение структуры или же структурные изменения через эволюционные процессы влияют на выбор кодона. Этот вопрос — основа для следующего этапа исследований.

По словам биолога доктора Айли Маркс: «Если последующие исследования подтвердят, что кодон действительно оказывает причинное влияние на сворачивание белка, это будет иметь огромное значение для понимания этого процесса и для будущих приложений, например, конструирования новых белков».

Доктор Маркс подчеркивает междисциплинарность работы: «Биология не справилась бы с такими объёмами данных без data science, а компьютерные учёные не смогли бы провести такое исследование без понимания сложных биологических процессов. Наша работа демонстрирует преимущество междисциплинарных исследований, где целое больше суммы частей».