Ученые исследовали факторы эффективности синтеза белка

Исследователи из Сколтеха и МГУ изучили более 30 тысяч вариантов генетических последовательностей, кодирующих два флуоресцентных белка, чтобы определить, какие характеристики мРНК и её первых десятка кодонов могут повысить эффективность трансляции. В частности, они обнаружили, что редкие кодоны в начале последовательности, вопреки некоторым гипотезам, не усиливают трансляцию. Работа опубликована в журнале Nucleic Acids Research.

Трансляция — один из фундаментальных клеточных процессов: рибосома, декодируя матричную РНК (мРНК), строит цепь аминокислот, которая затем сворачивается в белок. Каждая аминокислота представлена кодоном — триплетом нуклеотидов в цепи мРНК. Существует 61 кодон для 20 аминокислот, поэтому некоторые кодоны являются синонимичными — они кодируют одну и ту же аминокислоту.

Ученые до сих пор не до конца понимают, что делает работу клеточной "белковой фабрики" более или менее эффективной. Например, есть данные, что определенные вторичные структуры мРНК в её начале могут мешать связыванию рибосомы. Другой возможный фактор — синонимичные кодоны: более ранние исследования намекали, что статистически более редкие кодоны в начале открытой рамки считывания могут повысить эффективность трансляции, замедляя движение рибосомы в стартовой области и предотвращая образование "пробок" из рибосом далее по цепи.

Илья Остерман и Зоя Червонцева из групп Петра Сергиева, Ольги Донцовой и Михаила Гельфанда (Сколтех и МГУ) с коллегами проверили более 30 000 вариантов мРНК, кодирующих один и тот же белок, чтобы выявить наиболее эффективные для трансляции. Исследователей интересовала роль кодонов со 2-го по 11-й (первый кодон — всегда стартовый ATG).

Они использовали Escherichia coli и плазмиды, кодирующие двойной флуоресцентный репортер (белки RFP и CER). Рандомизированные 30-нуклеотидные последовательности вставляли сразу после стартового кодона. После выращивания модифицированной E. coli и сортировки клеток по эффективности производства белка ученые применили метод flowseq для определения, какие кодирующие последовательности оказались лучше для эффективного синтеза белка.

"Flowseq — это комбинация проточной цитометрии с секвенированием разделенных фракций. Этот метод позволяет оценить эффективность синтеза белка в массово-параллельном формате, анализируя тысячи вариантов одновременно", — комментирует Илья Остерман, ведущий научный сотрудник Сколтеха.

Результаты показали, что вторичная структура мРНК действительно подавляет трансляцию, однако подтвердить положительное влияние редких кодонов в начале кодирующей последовательности не удалось. При этом исследователи обнаружили, что дополнительные стартовые кодоны благоприятны для трансляции, а дополнительные Shine-Dalgarno-последовательности (участки, помогающие рекрутировать рибосому на мРНК) — ингибируют.

Полученные результаты, по мнению авторов, помогут в проектировании более эффективных искусственных генетических конструктов для превращения таких бактерий, как E. coli, в мощные биотехнологические инструменты.