Генетический код переписан: взгляд в зеркало природы

Долгое время считалось, что существует единственный «канонический» генетический код, одинаковый для всех организмов на Земле. Отдельные исключения рассматривались как редкие эволюционные курьёзы. Однако эта парадигма была поставлена под сомнение исследователями из Объединённого института генома Министерства энергетики США (DOE JGI), чья работа опубликована 23 мая 2014 года в журнале Science.

«Мы всегда предполагали, что код, используемый организмами, универсален... Мы теперь подтвердили, что это не так. Значительная часть жизни использует разные словари, где одно и то же слово означает разные вещи у разных организмов», — заявил директор DOE JGI и старший автор статьи Эдди Рубин.

Исследование проводилось в рамках изучения «микробной тёмной материи» — огромного множества микробов, которые невозможно культивировать в лаборатории, но которые населяют все среды. Для их изучения использовались методы метагеномики и геномики единичных клеток.

Нарушение канонического кода

Ключевое открытие было связано со стоп-кодонами — тройками нуклеотидов (Amber, Opal, Ochre), которые обычно сигнализируют об окончании синтеза белка. Учёные обнаружили бактерии с аномально короткими генами (около 200 пар оснований вместо обычных 800–900). Оказалось, что если интерпретировать стоп-кодон Opal не как сигнал «стоп», а как кодирующий аминокислоту глицин, гены этих бактерий приобретают нормальную длину.

Масштаб явления в природе

Проанализировав огромный массив данных (5.6 триллионов букв генетического кода из более чем 1700 образцов со всего мира), исследователи обнаружили, что такие перекодировки («stop» → «sense») встречаются у бактерий неожиданно часто — до 10% случаев в некоторых средах.

«Война кодонов» и роль вирусов

Ещё более удивительным стало обнаружение аналогичных перекодировок у бактериофагов (вирусов бактерий). Согласно догме, фаг должен использовать тот же генетический код, что и клетка-хозяин. Однако фаги были найдены с кодонами, не соответствующими коду их бактериальных хозяев.

«Догма неверна. Фаги, по-видимому, не особо "заботятся" о кодоновом словаре хозяина... они используют различия для атаки на хозяина», — пояснил Рубин. Небольшие изменения в таблице кодонов позволяют фагам подавлять защитные механизмы клетки и осуществлять «враждебное поглощение». Эта стратегия была названа «войной кодонов».

Последствия и выводы

Это открытие меняет подход к анализу микробных сообществ и их роли в биохимических и биогеохимических процессах. Теперь при анализе данных необходимо учитывать эту неожиданную сложность генетического кода.

Кроме того, исследование ставит важный вопрос для синтетической биологии: насколько эффективны «огнеупорные стены» — искусственно изменённые генетические коды, призванные предотвратить обмен генами между созданными в лаборатории организмами и их дикими сородичами.