Неоднозначность стоп-кодонов

Наталья Резник

Языки людей неоднозначны, многие слова в них имеют не одно, а несколько значений. Обычно мы улавливаем смысл исходя из контекста сказанного. У клеток свой язык, который они используют при синтезе белка. Это генетический код, состоящий из 64 нуклеотидных триплетов (кодонов), 61 из которых, смысловые, кодируют определенные аминокислоты, а три стоп-кодона вызывают завершение синтеза белковой молекулы (трансляции). Но кодоны, оказывается, могут иметь разный смысл, и, чтобы его понять, приходится, опять-таки, ориентироваться на контекст.

Про инвариантность генетического кода написано в учебниках, однако специалисты знают, что это не так. Впервые его неоднозначность обнаружили еще в 1985 году у инфузорий, а затем у зеленых водорослей и дипломонад, а также в митохондриальных геномах. В этих случаях не только терминируют белка, но и кодируют в нем какую-нибудь аминокислоту. И как, спрашивается, рибосомы различают, в каких случаях этот кодон следует прочесть, а в каких — на нем остановиться? Ответ на этот вопрос искали специалисты Бернского и Пизанского университетов под руководством бернского профессора Мариуша Новацки (Mariusz Nowacki).

Исследователи проанализировали обширную базу данных транскриптомов (совокупностей всех молекул ) морских одноклеточных эукариот (Marine Microbial Eukaryote Transcriptome Sequencing Project, MMETSP), чтобы обнаружить и классифицировать переназначенные кодоны. Три переназначенных стоп-кодона они нашли в геномах нескольких видов инфузорий: UAA и UAG кодируют глютамин, цистеин или тирозин, а UGA — триптофан. Каждому смысловому кодону соответствует тРНК, подносящая определенную аминокислоту, а со стоп-кодонами взаимодействуют особые — факторы терминации трансляции. Таким образом, за каждый из переназначенных кодонов конкурируют по крайней мере одна тРНК и фактор терминации трансляции eRF1.

У большинства исследованных видов инфузорий с переназначенными стоп-кодонами оставался хотя бы один инвариантный, но у Condylostoma magnum и Parduzcia sp. переназначенными оказались все три: UAA и UAG кодируют глютамин, UGA — триптофан. Именно с этими двумя видами исследователи и продолжили работу. Изучение начали с последовательности гистона Н4 — одной из самых консервативных. Она обычно заканчивается стоп-кодонами UAG или UGA. Эксперименты показали, что рибосома проскакивает эту позицию крайне редко, с частотой менее 1,8%, обычно в этом месте происходит терминация. Однако в тех случаях, когда стоп-кодоны находятся в середине кодирующей последовательности, рибосома воспринимает их как смысловые. Ученые нашли тРНК, которая распознает UAA и UAG. Досрочной терминации трансляции при этом не происходит.

Как можно различать смысл неоднозначных кодонов? Исследователи предложили две гипотезы: либо рядом с кодонами находятся специфические последовательности, позволяющие тРНК или eRF1 сделать правильный выбор, или же значение кодона определяется его положением в молекуле РНК. Если стоп-кодон находится в конце молекулы, регуляторные белки воспринимают его как сигнал остановки. Подходящих последовательностей-маркеров, позволяющих определить значение кодона, ученые не обнаружили, поэтому сосредоточились на второй гипотезе.

Молекулы мРНК, с которых в рибосоме считываются белковые молекулы, имеют характерное строение. Их кодирующая последовательность оканчивается стоп-кодоном, за ним следует короткая 3’-некодирующая область и несколько адениловых остатков — поли(А)-хвост (см. рисунок). 3’-некодирующая область может быть настолько короткой, что поли(А)-хвост порой находится практически вплотную к стоп-кодону, поэтому ученые полагают, что именно положение стоп-кодона относительно поли(А)-хвоста позволяет определить его значение. Если хвост совсем рядом, надо ставить «точку»; стоп-кодоны, расположенные чуть дальше от поли(А), в 24-66 нуклеотидах от последнего кодона, читаются как смысловые.

Значение стоп-кодона зависит от его положения в молекуле мРНК относительно поли(А)-хвоста (Swart et al., 2016)
Значение стоп-кодона зависит от его положения в молекуле мРНК относительно поли(А)-хвоста (Swart et al., 2016)

Если какой-либо смысловой кодон в определенном положении часто читают как «стоп», отбор его оттуда уберет, потому что ошибка обойдется слишком дорого. Если гипотеза о том, что значение стоп-кодона зависит от его положения относительно 3’-конца молекулы, верна, подобные ошибки должны чаще всего происходить в тех случаях, когда смысловые стоп-кодоны расположены не в самом конце молекулы, но поблизости от него, и приводить к досрочной терминации. В таком случае в ходе эволюции они должны были исчезнуть. И действительно, в конце кодирующей области мРНК, перед настоящим стоп-кодоном, его смысловых собратьев нет. Ни для каких других кодонов таких позиционных эффектов не отмечено.

Итак, Мариуш Новацки и его коллеги предложили модель, согласно которой стоп-кодоны в молекулах мРНК инфузорий C. magnum и Parduczia sp. по умолчанию читаются как смысловые, а не служат стоп-сигналом. Терминация трансляции происходит, когда стоп-кодон расположен в самом конце молекулы. Исследователи пришли к выводу, что на срабатывание кодона как стоп-сигнала влияет близость поли(А)-хвоста и белков, с ним взаимодействующих. Особую роль они отводят белку РАВР.

Поскольку стоп-кодоны распределены по всей длине гена и благополучно транслируются, речь идет не о мутациях, а об изменении генетического кода. Бросается в глаза, что такие произошли только у инфузорий, у других 265 эукариотических видов из MMETSP их нет.

По мнению исследователей, неоднозначность генетического кода инфузорий отражает первоначальную неоднозначность кода, когда каждый кодон имел несколько значений. Возникновение в ходе эволюции очень короткой 3’-нетранслируемой области и поли(А)-хвоста позволило переобозначить стоп-кодоны, использовать их в качестве сигнала терминации. Такое контекстное прочтение делает генетический код устойчивее к мутациям, превращающим значащие кодоны в стоп-кодоны. Если такая мутация произойдет в геноме с инвариантным кодом, она приведет к образованию короткого мутантного белка и преждевременной терминации трансляции. Но когда подобное случится в неоднозначном геноме , стоп-кодон будет прочитан, поскольку находится на месте смыслового, а для терминации трансляции нужен не только определенный триплет, но и его особое положение.

По мнению профессора Новацки и его соавторов, предки инфузорий долгое время прекрасно существовали с неоднозначными генетическими кодами. Нынешний инвариантный генетический код вовсе не последнее слово эволюции: генетические коды иногда изменяются.

Наталья Резник

Swart Е. С. Serra V., Petroni G., Nowacki M. Genetic Codes with No Dedicated Stop Codon Context-Dependent Translation Termination // Cell. 2016. 166. Р. 691-702. doi: 0.1016/j.cell.2016.06.020

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

См. также:

Подписаться
Уведомление о
guest
0 Комментария(-ев)
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (1 оценок, среднее: 5,00 из 5)
Загрузка...

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: