Неоднозначность стоп-кодонов

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 стоп-кодоны не только терминируют синтез 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 РНК) 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 белки — 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.

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 изменения 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 инфузории, 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