Лингвистика помогает понять «странности» генетического кода
Лингвисты развили сравнение генетического кода с языком, где нуклеотиды выступают в роли букв, и ввели понятие «семиотического нуклеотида» — минимального элемента, позволяющего различать кодоны (кодирующие единицы ДНК). Согласно этому подходу, биохимические характеристики ДНК работают как информационные.
Гибкость информационного подхода позволяет исследователям выделить факты, не объясняемые биохимическими особенностями и обычно считающиеся отклонениями от универсальных закономерностей генетического кода. Исследование опубликовано в журнале Biosystems.
Генетический код обладает двойственной природой: он содержит не только биохимические свойства, но и семиотическое (смысловое) измерение. Семиотика изучает общие закономерности обработки информации через знаки. Учёные находят аналогии между текстом и генетическим кодом, например, в том, что гены несут программу развития организма, напоминающую текст, написанный по определённым правилам.
Семиотическая теория позволяет рассматривать нуклеотиды не как биологические молекулы, а как носители информации. Ключевые генетические процессы можно описать с точки зрения операций с текстом: чтение, транскрипция, трансляция, корректура, редактирование.
Исследователи из Балтийского федерального университета имени И. Канта и ИНИОН РАН обратили внимание на то, что один и тот же нуклеотид в ДНК в зависимости от своей позиции имеет разное значение для обработки генетической информации.
Так, при синтезе белков в клетке по «рецепту», записанному в генах, специальные клеточные «машины» — рибосомы — считывают нуклеотиды по три. Для каждой такой тройки (кодона) они выбирают определённую аминокислоту. В 32 случаях из 64 возможных комбинаций нуклеотидов «A», «T», «G» и «C» третью позицию может занимать любой из них, и это не влияет на результат — распознаваемую аминокислоту. Это происходит потому, что одна и та же аминокислота может кодироваться несколькими разными триплетами.
В результате, чтобы понять, какая аминокислота нужна, рибосома при считывании каждой «буквы» фокусируется прежде всего на «смысле» её комбинации внутри триплета. Это называется вобблингом (от англ. wobbling — «качание»), из-за «качающейся» позиции последнего нуклеотида в кодонах. Чтобы описать это с точки зрения передачи данных, лингвисты ввели термин «семиотический нуклеотид» — минимальный элемент, позволяющий отличить один триплет нуклеотидов от другого.
В связи с этим учёные предложили соотносить нуклеотиды не с буквами, как это обычно делается, а с другими языковыми сущностями — звуками, точнее, фонемами (языковым элементом, включающим только те признаки, которые необходимы для различения знаков). Буква не является языковой единицей; она лишь служит для обозначения звука на письме.
Аналогия с фонемами позволяет объяснить, как два дифференциальных признака нуклеотида соотносятся с их изменчивой значимостью в зависимости от позиции нуклеотида в кодоне.
Это предполагает, что минимальными единицами генетического кода являются не нуклеотиды, а их дифференциальные признаки. Эти признаки имеют разную релевантность в зависимости от позиции в триплете — максимальную на второй позиции и минимальную, вплоть до нулевой, на третьей. Нуклеотид на третьей позиции присутствует в физическом смысле, но может отсутствовать в семиотическом (с точки зрения его различительной ценности).
Каждый нуклеотид имеет два дифференциальных признака:
- Количество водородных связей (две или три).
- Количество углеродных колец (одно или два).
Эти признаки важны для связывания нуклеотидов друг с другом. Так, нуклеотиды с двумя кольцами соответствуют тем, у которых одно кольцо (и наоборот), но с одинаковым числом водородных связей. Однако эта закономерность может трансформироваться, когда речь идёт о третьей позиции в кодоне.
«Использование семиотического подхода позволяет выявить, какую роль каждый из нуклеотидов играет для различения кодонов, и рассматривать вобблинг как особый режим считывания. Как продукт эволюции, генетический код семиотически неоднороден — в половине кодонов (32) третья позиция нерелевантна, в тридцати случаях она действует в полсилы (релевантен только один признак — число колец); и только в случае триптофана оба признака участвуют равноправно».
«Информационно-семиотический подход позволяет дополнить обычное описание генетического кода. Ещё Фрэнсис Крик, говоря об отклонениях от закономерностей генетического кода, связанных с третьей позицией, называл их "лишёнными очевидного смысла". Однако с точки зрения семиотики особая позиция нуклеотида может иметь содержательное объяснение, так как его первичная функция — отделять один кодон от другого, и только вторичная — различать кодоны между собой», — говорит Сурен Золян, доктор филологических наук, профессор, главный научный сотрудник БФУ им. И. Канта, Института гуманитарных наук.