У бактерий и архей нашли альтернативные версии генетического кода

Генетический код — это соответствие между аминокислотами, из которых состоят белки, и азотистыми основаниями в нуклеиновых кислотах, ДНК или РНК. Азотистых оснований у нас четыре — аденин (А), тимин (Т), гуанин (G) и цитозин (С) (в РНК вместо тимина стоит урацил — U); их обычно называют генетическими буквами и обозначают буквами. Аминокислоты закодированы тройками букв, эти тройки называются триплетами, или кодонами; можно сказать, что азотистые основания складываются в трёхбуквенные «слова». Некоторым аминокислотам соответствует только по одному триплету, есть аминокислоты, кодируемые двумя, тремя, четырьмя и даже шестью триплетами. Последовательность триплетов в гене соответствует последовательности аминокислот в белке, и когда белок-синтезирующая машина считывает код белка, она считывает его по тройкам. При синтезе белка нужно знать, где начинать и где заканчивать, поэтому, кроме кодонов, кодирующих аминокислоты, есть ещё старт- и стоп-кодоны. Понятно, что старт-кодоны дают сигнал начать синтез белка, одновременно они обозначают аминокислоту метионин. Стоп-кодоны дают сигнал закончить синтез белка и никаких аминокислот не обозначают.

Какое-то время код считался универсальным в том смысле, что у всех живых организмов аминокислоты кодируются одними и теми же кодонами. Но потом выяснилось, что в генетическом коде есть вариации. У бактерий и архей могут быть альтернативные старт-кодоны; у некоторых простейших стоп-кодон прочитывается как аминокислота. У клеточных органелл митохондрий, которые дают клетке энергию, есть своя ДНК, и генетический код митохондрий в некоторых позициях отличается от стандартного кода, причём митохондрии разных организмов могут быть в этом смысле со своими особенностями. Вообще говоря, если не брать в расчёт митохондрии, то обычные отклонения от стандартного кода состоят в том, что какой-то аминокислотный кодон превращается в стоп-кодон, либо стоп-кодон прочитывается как кодирующий аминокислоту.

В статье, опубликованной недавно в журнале eLife, говорится о том, что среди живых существ есть более значительные отклонения от стандартного генетического кода. Сотрудники Гарвардского университета проверили более 250 тысяч геномов бактерий и архей на предмет альтернативности кодирования. Проверяли их, конечно, не вручную, а с помощью специальной программы, которая сопоставляла последовательность ДНК того или иного микроорганизма с последовательностью его белков (конечно, если последовательность ДНК и белков известна и хранится в общедоступной базе данных). Если при таком сравнении у алгоритма появлялось подозрение, что последовательность азотистых оснований в ДНК как-то не очень соответствует последовательности аминокислот в белках, то бактерия или архея становились кандидатами в «альтернативщики». И дальше их изучали на предмет альтернативного кода более подробно.

В итоге удалось найти пять новых видов микроорганизмов с серьёзными отклонениями от обычного кода, и ещё для семи видов подтвердились прежние подозрения, что их код не совсем такой, как у всех остальных. Что значит серьёзные отклонения? Как было сказано выше, обычно альтернативные версии кода касаются стоп-кодонов. А вот у этих двенадцати альтернативные значения были у кодонов, которые в стандартном коде кодируют аминокислоты. Причём альтернативные коды были очень похожи между собой: например, во всех двенадцати случаях изменения в значении касались триплетов AGG, CGA, и CGG, которые в стандартном коде означают аминокислоту аргинин (у некоторых микроорганизмов-«альтернативщиков» аргининовые кодоны отошли к триптофану).

Изменение одного аминокислотного кодона на другой — это намного более впечатляющая встряска для белок-синтезирующего аппарата и для всех белков. Если стоп-кодон принимает аминокислотное значение, он просто добавляется к уже существующему словарю — как если бы мы просто узнали новое слово, если же изменения касаются аминокислотных триплетов, то это всё равно, как для нас слово «кошка» вдруг стало бы обозначать девятиэтажный дом. Тем не менее, бактериям и археям как-то удалось изменить стандартный генетический код, хотя как именно это происходило в эволюции, понять довольно трудно. Может быть, альтернативные версии генетического кода на самом деле какое-то время развивались вместе со стандартной версией, может быть, они возникли как модификация стандарта.

Причины опять же могут быть разные: например, весной мы писали об альтернативном генетическом алфавите у некоторых бактериофагов — вирусов, поражающих бактерии. Благодаря альтернативному алфавиту они обманывают защитные противовирусные системы бактерий. То есть вирусы-бактериофаги в принципе могут изменять у себя и генетический алфавит, и генетический словарь. Одна из бактерий, описанная в новом исследовании, страдает от бактериофага, который пользуется тем же альтернативным кодом, что и сама бактерия. Возможно, что сначала бактерия столкнулась с «альтернативным» вирусом, а потом сама изменила свой код, чтобы лучше отбиваться от паразита.