Учёные обнаружили новый слой генетической информации, определяющий скорость производства белков
Команда учёных из Калифорнийского университета в Сан-Франциско (UCSF) обнаружила ранее неизвестный слой информации в генетическом коде. Открытие стало возможным благодаря методу рибосомного профилирования, разработанному в UCSF, который позволяет измерять активность генов в живых клетках, включая скорость синтеза белков.
Измеряя скорость производства белков у бактерий, учёные выяснили, что даже незначительные генетические изменения могут оказывать драматический эффект. Это касалось и так называемых «молчащих мутаций», которые заменяют одну «букву» ДНК, не меняя конечный продукт гена. К удивлению исследователей, такие изменения могли замедлять процесс производства белка в десять и более раз.
Как описано в журнале Nature, изменение скорости вызвано информацией, содержащейся в избыточных кодонах — коротких последовательностях ДНК, являющихся частью генетического кода. Их называли «избыточными», поскольку ранее считалось, что они содержат дублирующие, а не уникальные инструкции.
Это открытие бросает вызов фундаментальным биологическим представлениям, существовавшим полвека. Оно также может помочь ускорить промышленное производство белков, что критически важно для создания биотоплива и биологических препаратов для лечения многих распространённых заболеваний, от диабета до рака.
«Генетический код считался избыточным, но избыточные кодоны явно не идентичны», — сказал Джонатан Вайссман, доктор философии. — «Мы мало понимали правила, но новая работа предполагает, что природа выбирает среди избыточных кодонов, основываясь как на генетическом значении, так и на генетической скорости».
Как работает рибосомное профилирование
Исследование проливает свет на давнее наблюдение: процесс синтеза белка, столь важный для всех живых организмов, протекает не плавно, а рывками. Некий неизвестный механизм, казалось, контролировал скорость производства белков.
Чтобы выяснить это, Вайссман и его коллега использовали метод рибосомного профилирования. Этот метод позволяет изолировать из клетки все молекулярные машины — рибосомы, которые переводят генетические сообщения в белки. Анализируя их генетический материал, можно увидеть, какие белки производит клетка и на каком этапе процесса они находятся.
Учёные использовали эту технику для измерения скорости синтеза белка, статистически анализируя все гены, экспрессируемые в бактериальной клетке.
Они обнаружили, что белки, произведённые из генов, содержащих определённые последовательности (технически называемые последовательностями Шайна-Далгарно), синтезировались медленнее, чем идентичные белки из генов с другими, но избыточными кодонами. Исследователи показали, что могут искусственно вводить паузы в производство белка, добавляя такие последовательности в гены.
Учёные предполагают, что эти паузы являются частью регуляторного механизма, который обеспечивает необходимые проверки, чтобы клетки не производили белки в неподходящее время или в неправильном количестве.
Кратко о кодонах ДНК
Генетический код — это универсальный набор инструкций для перевода ДНК в белки. Гены ДНК состоят из четырёх типов оснований (A, G, T, C), а белки — из цепочек 20 аминокислот.
Чтобы закодировать все 20 аминокислот, генетический код считывается триплетами (кодонами) — группами из трёх «букв» ДНК на каждую аминокислоту. Поскольку существует 64 возможных комбинации трёх оснований, а аминокислот всего 20, возникает избыточность: несколько разных кодонов кодируют одну и ту же аминокислоту.
Учёные знали об этой избыточности 50 лет, но только теперь, с расшифровкой множества геномов, стало ясно, что не все избыточные кодоны равны. Многие организмы явно предпочитают один тип кодона другому, даже если конечный результат одинаков. Новое исследование дало ответ на вопрос: почему?
Статья «The anti-Shine-Dalgarno sequence drives translational pausing and codon choice in bacteria» авторов Gene-Wei Li, Eugene Oh и Jonathan S. Weissman была опубликована в журнале Nature 28 марта.