Неоднозначність стоп-кодонів

Мови людей неоднозначні, багато слова в них мають не одне, а кілька значень. Зазвичай ми сприймаємо сенс виходячи з контексту сказаного. У клітин свою мову, який вони використовують при синтезі білка. Це генетичний код, що складається з 64 нуклеотидних триплетів (кодонів), 61 з яких, смислові, кодують певні амінокислоти, а три стоп-кодону викликають завершення синтезу білкової молекули (трансляції). Але кодони, виявляється, можуть мати різний зміст, і, щоб його зрозуміти, доводиться, знову-таки, орієнтуватися на контекст.

Про инвариантность генетичного коду написано в підручниках, проте фахівці знають, що це не так. Вперше його неоднозначність виявили ще в 1985 році у інфузорій, а потім у зелених водоростей і діпломонад, а також в мітохондріальних геномах. У цих випадках стоп-кодони не тільки терминирующего синтез білка, але і кодують в ньому якусь амінокислоту. І як, питається, рибосоми розрізняють, в яких випадках цей кодон слід прочитати, а в яких - на ньому зупинитися? Відповідь на це питання шукали фахівці Бернського і Пізанського університетів під керівництвом бернского професора Маріуша Новацький (Mariusz Nowacki).

Дослідники проаналізували велику базу даних транскріптомов (сукупностей всіх молекул РНК) морських одноклітинних еукаріот (Marine Microbial Eukaryote Transcriptome Sequencing Project, MMETSP), щоб виявити і класифікувати перепризначення кодони. Три перепризначених стоп-кодону вони знайшли в геномах кількох видів інфузорій: UAA і UAG кодують глютамин, цистеїн або тирозин, а UGA - триптофан. Кожному смисловому кодону відповідає тРНК, подносящая певну амінокислоту, а зі стоп-кодонами взаємодіють особливі білки - фактори термінації трансляції. Таким чином, за кожен з перепризначених кодонів конкурують принаймні одна тРНК і фактор термінації трансляції eRF1.

У більшості досліджених видів інфузорій з перепризначення стоп-кодонами залишався хоча б один інваріантний, але у Condylostoma magnum і Parduzcia sp. перепризначення виявилися всі три: UAA і UAG кодують глютамин, UGA - триптофан. Саме з цими двома видами дослідники і продовжили роботу. Вивчення почали з послідовності гистона Н4 - однієї з найбільш консервативних. Вона зазвичай закінчується стоп-кодонами UAG або UGA. Експерименти показали, що рибосома проскакує цю позицію вкрай рідко, з частотою менше 1,8%, зазвичай в цьому місці відбувається термінація. Однак в тих випадках, коли стоп-кодони знаходяться в середині, що кодує, рибосома сприймає їх як смислові. Вчені знайшли тРНК, яка розпізнає UAA і UAG. Дострокової термінації трансляції при цьому не відбувається.

Як можна розрізняти сенс неоднозначних кодонів? Дослідники запропонували дві гіпотези: або поруч з кодонами знаходяться специфічні послідовності, що дозволяють тРНК або eRF1 зробити правильний вибір, або ж значення кодону визначається його положенням в молекулі РНК. Якщо стоп-кодон знаходиться в кінці молекули, регуляторні білки сприймають його як сигнал зупинки. Відповідних послідовностей-маркерів, що дозволяють визначити значення кодону, вчені не виявили, тому зосередилися на другий гіпотезі.

Молекули мРНК, з яких в рибосомі зчитуються білкові молекули, мають характерну будову. Їх кодує послідовність закінчується стоп-кодоном, за ним слідує коротка 3'-Некодуючі область і кілька аденілових залишків - полі (А) -хвост (див. Малюнок). 3'-Некодуючі область може бути настільки короткою, що полі (А) -хвост часом знаходиться практично впритул до стоп-кодону, тому вчені вважають, що саме положення стоп-кодону щодо полі (А) -хвоста дозволяє визначити його значення. Якщо хвіст зовсім поруч, треба ставити «точку»; стоп-кодони, розташовані трохи далі від поли (А), в 24-66 нуклеотидах від останнього кодону, Новомосковскются як смислові.

Якщо будь-якої смислового кодон в певному положенні часто Новомосковскют як «стоп», відбір його звідти прибере, бо помилка обійдеться занадто дорого. Якщо гіпотеза про те, що значення стоп-кодону залежить від його положення щодо 3'-кінця молекули, вірна, такі помилки були найчастіше відбуватися в тих випадках, коли смислові стоп-кодони розташовані не в самому кінці молекули, але поблизу від нього, і приводити до дострокової термінації. В такому випадку в ході еволюції вони повинні були зникнути. І дійсно, в кінці кодує області мРНК, перед справжнім стоп-кодоном, його смислових побратимів немає. Ні для яких інших кодонів таких позиційних ефектів не відзначено.

Отже, Маріуш Новацький і його колеги запропонували модель, згідно з якою стоп-кодони в молекулах мРНК інфузорій C. magnum і Parduczia sp. за замовчуванням Новомосковскются як смислові, а не служать стоп-сигналом. Терминация трансляції відбувається, коли стоп-кодон розташований в самому кінці молекули. Дослідники прийшли до висновку, що на спрацьовування кодону як стоп-сигналу впливає близькість полі (А) -хвоста і білків, з ним взаємодіють. Особливу роль вони відводять білку РАВР.

Оскільки стоп-кодони розподілені по всій довжині гена і благополучно транслюються, мова йде не про мутації, а про зміну генетичного коду. Впадає в очі, що такі зміни відбулися тільки у інфузорій, у інших 265 еукаріотичних видів з MMETSP їх немає.