Расшифрован скрытый генетический код: ключевые различия в синонимичных участках структуры

Учёные из Гарварда решили загадку, почти столь же старую, как и само понимание генетического кода.

Хотя генетический код — набор клеточных правил для транскрипции ДНК в РНК и трансляции РНК в белки — был понятен десятилетиями, учёные ломали голову над кажущимся математическим несоответствием в системе. Для производства белков клетки полагаются на РНК, которая, как и ДНК, состоит из нуклеотидов с одним из четырёх оснований. Клетки «читают» эти основания группами по три, чтобы перевести РНК в аминокислоты, используемые для построения белков.

Хотя существует 64 возможных способа скомбинировать четыре основания в группы по три (кодоны), процесс трансляции использует только 20 аминокислот. Чтобы учесть разницу, несколько кодонов транслируются в одну и ту же аминокислоту. Например, лейцин может быть закодирован шестью способами.

Однако учёные давно задавались вопросом, действительно ли эти, казалось бы, синонимичные кодоны производят одинаковые аминокислоты, или же они представляют собой второй, скрытый генетический код. Исследователи из Гарварда расшифровали этот второй код, и ответ может дать надежду на разработку новых методов борьбы с устойчивыми бактериями.

Как описано в статье, опубликованной онлайн в Proceedings of the National Academy of Sciences 31 декабря, Арвинд Р. Субманиам, постдок в области молекулярной и клеточной биологии, и Филипп Клюзель, профессор молекулярной и клеточной биологии и профессор прикладной физики Гордона Маккея, показали, что эти, казалось бы, синонимичные части генетического кода — всё что угодно, но не одинаковы. В некоторых стрессовых условиях определённые последовательности эффективно производят белки, в то время как другие — по видимости идентичные — производят почти ничего.

«Это действительно весьма примечательно, потому что механизм очень простой», — сказал Субманиам. — «Многие исследователи пытались определить, влияет ли использование разных кодонов на уровни белка, но никто не думал, что, возможно, нужно посмотреть в правильных условиях, чтобы это увидеть».

Первый шаг, по словам Субманиама, включал создание множественных копий гена, производящего флуоресцентный белок. Чтобы понять, как синонимичные части генетического кода влияют на производство белка, каждая версия гена была спроектирована для использования единственного способа кодирования конкретной аминокислоты. В случае серина, который можно закодировать шестью способами, исследователи создали шесть версий гена. Затем эти гены были вставлены в бактерии E. coli. Далее E. coli подверглись стрессовому изменению среды: их лишили аминокислот, и результаты были поразительными.

«Мы обнаружили, что если бактерии находятся в среде, где они могут расти и процветать, каждый синонимичный кодон производит одинаковое количество белка», — сказал Субманиам. — «Но как только мы помещаем их в среду, где они лишены аминокислоты, некоторые кодоны производят в сто раз больше белков, чем другие».

Разница, по его словам, заключалась в молекулах, называемых транспортной РНК (тРНК), которые доставляют аминокислоты к клеточной машинерии, производящей белки.

«Мы обнаружили, что некоторые из этих молекул тРНК гораздо эффективнее загружаются аминокислотами, в то время как другие — менее эффективны», — сказал Субманиам. — «Если эти молекулы тРНК не могут доставить аминокислоту туда, где она нужна, клетка не может производить необходимые ей белки. В среде, где аминокислоты в дефиците, эта способность удерживать их становится очень важной».

Хотя эта система помогает клеткам эффективно производить определённые белки в стрессовых условиях, она также действует как биологическая система безопасности, позволяя почти полностью отключать производство других белков для сохранения ограниченных ресурсов.

Учитывая универсальную природу генетического кода (система работает одинаково для всех организмов, от одноклеточных бактерий до человека), Субманиам надеется изучить, какую роль, если вообще какую-либо, могут играть различия в, казалось бы, синонимичных частях генетического кода у других организмов, и можно ли эти различия использовать исследователям.

«Одна из областей, которую мне интересно исследовать, — это рак», — сказал он. — «Мы знаем, что раковые клетки растут очень быстро. В результате они потребляют большинство аминокислот в своей среде. Вопрос в том, играет ли этот код какую-либо роль в болезни. И если раковые клетки действительно используют различия между этими кодонами для экспрессии какого-то белка, необходимого им для выживания, можем ли мы этим воспользоваться для борьбы с болезнью?»