Учените случайно откриха ДНК, която нарушава „универсалните“ правила на биологията

Тест, предназначен за проверка на границите на секвенирането на ДНК от една клетка доведе до много по-изненадващо откритие: по всичко личи, че микроскопичен организъм от езерото в парковете на Оксфордския университет използва генетичния код по начин, непознат досега на науката.

Д-р Джейми Макгоуен, постдокторант в Института „Ърлхем“ изследва генома на протист, събран от сладка вода. Целта беше практическа: изследователите искаха да тестват конвейер за секвениране на ДНК, който би могъл да работи с изключително малки количества ДНК, включително ДНК от една клетка.

Вместо това екипът откри неочаквана генетична аномалия. Организмът, идентифициран като Oligohymenophorea sp. PL0344 се оказа досега неизвестен вид с рядка промяна в начина, по който чете инструкциите на ДНК и синтезира протеини. Изследването, публикувано в PLOS Genetics, показа, че два кодона, обикновено свързани със стоп-сигнали на гени са били пренасочени за кодиране на различни аминокиселини – комбинация, която изследователите определиха като нерегистрирана досега.

„Това е чист късмет, че избрахме този протист за тестване на нашата секвенираща линия и това само показва, че той съществува в природата, подчертавайки колко малко знаем за генетиката на протистите.“

каза Д-р Джейми Макгоуен Малък организъм с голяма генетична изненада

Протистите са трудни за точно определяне поради огромното си разнообразие. Много от тях са микроскопични едноклетъчни организми, включително амеби, водорасли и диатоми. Други са значително по-големи и многоклетъчни, например ламинария, слизести и червени водорасли.

Oligohymenophorea sp. PL0344 принадлежи към групата, наречена инфузории. Тези плуващи протисти могат да се видят под микроскоп и се срещат в много водни среди. Инфузориите станаха особено интересни за генетиците, тъй като са известни като „горещи точки“ за промени в генетичния код, включително промени, свързани със стоп-кодоните.
Когато генетичните стоп-сигнали променят значението си

При повечето живи същества три стоп-кодона указват на клетката къде завършва генът: TAA, TAG и TGA. Те действат като препинателни знаци в генетичните инструкции, сигнализирайки, че синтезът на протеина трябва да бъде прекратен.

Генетичният код обикновено се описва като почти универсален, тъй като повечето организми използват едни и същи основни правила. Вариации се срещат, но те са редки. В малкото известни варианти на генетичния код TAA и TAG обикновено се променят заедно и като правило в крайна сметка означават едно и също нещо. Тази закономерност предполагаше, че двата кодона са еволюционно свързани.

„Практически във всички останали известни ни случаи TAA и TAG се променят тандемно. Когато не са стоп-кодони, всеки от тях кодира една и съща аминокиселина.“

споделя Д-р Джейми Макгоуен

Този организъм е постъпил по друг начин. При Oligohymenophorea sp. PL0344 по всичко личи, че само TGA функционира като стоп-кодон. Двата други сигнала са препрофилирани. TAA кодира лизин, докато TAG кодира глутаминова киселина. Изследователите също така откриха повече кодони TGA, отколкото се очакваше, което може да помогне за компенсиране на загубата на другите два стоп-сигнала. В статията в PLOS Genetics се съобщава, че останалият стоп-кодон UGA е обогатен непосредствено след кодиращите области, което предполага, че той може да помогне за предотвратяване на вредно „прочитане“, когато транслацията продължи прекалено далеч.

„Това е изключително необичайно. Не ни е известен нито един друг случай, в който тези стоп-кодони да са свързани с две различни аминокиселини. Това нарушава някои правила, които, както смятахме, познаваме относно транслацията на гените.“

споделя Д-р Джейми Макгоуен Как клетките четат инструкциите на ДНК

ДНК може да се разглежда като набор от инструкции, но тези инструкции трябва да бъдат копирани и интерпретирани, преди да подействат. Първо генът се транскрибира в РНК. След това тази РНК копия се транслира в аминокиселини, които се свързват, образувайки протеини и други функционални молекули.

Транслацията започва със стартовия кодон на ДНК (ATG) и обикновено завършва със стоп-кодон (обикновено TAA, TAG или TGA). При тази инфузория познатата система за завършване е била преустроена. Откритието показва, че дори една от най-консервативните системи в биологията може да бъде по-гъвкава, отколкото се очакваше.

Последващите изследвания показват, че инфузориите нарушават генетичните правила

Последващото проучване затвърди идеята, че инфузориите са изключително богат източник на изненади в генетичния код. Заедно тези открития позволяват да се предположи, че генетичният код не е толкова фиксиран, колкото някога изглеждаше. За повечето организми правилата остават изненадващо стабилни, но в слабоизследвания микробен свят, особено при инфузориите, еволюцията многократно е намирала начини да редактира инструкциите.