Все живые организмы за очень и очень редким исключением используют для построения своего организма двадцать основных, или канонических, как говорят биохимики, аминокислот. Этих двадцати кирпичиков хватило природе для создания необычайно разнообразных форм жизни, заселивших все уголки планеты.
Но достаточно ли двадцати аминокислот для полноценной эволюции? Отбросила ли природа лишнее, остановившись на этом наборе? И не будет ли эволюция живого более эффективной, если к двадцати каноническим аминокислотам добавить парочку «неканонических»?
Питер Шульц и Воун Шмайдер из Исследовательского института имени Скриппс в Калифорнии первыми решились перейти от подобных дискуссий к делу и поставить эксперимент, хоть отчасти способный ответить на этот фундаментальный вопрос. О том, насколько эволюция на основе 21 аминокислоты более эффективна, ученые рассказали в статье, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
По всей строгости за такой эволюцией надо наблюдать в течение нескольких сотен тысячелетий, фиксируя скорость развития организмов, увеличение их разнообразия и собственно конкурентоспособности по отношению к «обычным». Но если учесть, что возможность управлять работой генома появилась у ученых только несколько десятилетий назад, то требовать от них подобного масштаба работы пока не приходится.
Это не помешало Шульцу и Шмайдеру провести скромный, но от этого не менее результативный эксперимент. Ученые решили отследить развитие одной функции у очень простых и быстро размножающихся организмов — бактерий.
Первая проблема, с которой столкнулись ученые, — вставить чужеродную аминокислоту в синтезируемый белок. В бактериальных, как и в наших, клетках сборка аминокислот в пептидную цепочку осуществляется по матрице — последовательности нуклеотидов в информационной РНК (иРНК), выстроенной, в свою очередь, по образу и подобию ДНК.
единица генетического кода, тройка нуклеотидных остатков (триплет) в ДНК или РНК, кодирующих включение одной аминокислоты. Последовательность кодонов в гене определяет последовательность аминокислот в полипептидной цепи белка, кодируемого этим геном.
Поскольку существует 4 различных нуклеотида, то общее число кодонов равняется 64, из которых 61 кодируют определённые аминокислоты, а 3 оставшихся кодона (UGA, UAG и UAA) сигнализируют об остановке трансляции полипептидной цепи и называются стоп-кодонами. Кодон UAG в иРНК носит ещё название амбер-кодон, UGA — опал, а UAA — охра.
Под стартовым кодоном — подразумевают триплеты CUG, UUG и триплет AUG в мРНК, кодирующий метионин, с которого начинается образование полипептидной цепи в процессе трансляции. Для прокариотов стартовыми кодонами так же являются GUG и AUU.
Так как в процессе биосинтеза белка в полипептидную цепь участвует всего 20 аминокислот, то различные кодоны могут кодировать одинаковые аминокислоты, такие кодоны принято называть изоакцепторными кодонами.
Кроме того, в генетике принято выделять кодон, при котором не происходит включения аминокислоты в белок, его называют бессмысленным кодоном или нонсенс-кодоном такими кодонами являются стоп-кодоны.
По крайней мере у 16 типов организмов генетический код отличается от канонического. Например многие виды зелёных водорослей Acetabularia транслируют стандартные стоп-кодоны UAG и UAA в аминокислоту глицин, а гриб Candida интерпретирует РНК-кодон CUG не как лейцин, а как серин. А у митохондрий пекарских дрожжей (Saccharomyces cerevisiae) четыре из шести кодонов, обычно транслирующихся в лейцин, кодируют треонин.
Существование таких вариаций свидетельствует о возможной эволюции генетического кода.
Представители почти всех трёх доменов живых организмов иногда прочитывают стандартный стоп-кодон UGA как 21-ю аминокислоту селеноцистеин, не относящуюся к 20 стандартным. Селеноцистеин образуется при химической модификации серина на стадии, когда последний ещё не отсоединился от тРНК в составе рибосомы.
Аналогично у представителей двух доменов (архебактерий и бактерий) стоп-кодон UAG прочитывается как 22-я аминокислота пирролизин.
То есть кодоны, ничего не кодирующие в одном живом существе, в другом могут соответствовать вполне определенной аминокислоте.
Это обеспечивается разницей в логистике. Аминокислоты доставляются к месту сборки пептидной цепи на транспортных РНК. И, опять же, каждой аминокислоте соответствует одна тРНК, имеющая форму «листа клевера». С одного конца у такой тРНК участок для адресного связывания с иРНК (на которой записана генетическая информация), а с другого — участок для контакта с аминокислотой. То есть многочисленные тРНК выступают в роли посредников, обеспечивающих своевременную доставку аминокислот к месту сборки пептидов и при этом точное воспроизведение последовательности, записанной в иРНК.
skin: article/incut(default)
data:
{
"_essence": "test",
"incutNum": 2,
"pic_fsize": "280494",
"picsrc": "2. Кодон иРНК «узнается» антикодоном тРНК (комплементарное взаимодействие кодона мРНК и антикодона тРНК увеличено). 3. Присоединение аминокислоты, принесенной тРНК, к концу растущей полипептидной цепи. 4. Продвижение рибосомы вдоль матрицы, сопровождающееся высвобождением молекулы тРНК. 5. Добавление к высвободившейся молекуле тРНК новой аминокислоты. 6. Присоединение следующей молекулы тРНК, аналогично стадии (2). 7. Движение рибосомы по молекуле мРНК до стоп-кодона. //ru.wikipedia.org",
"repl": "<2>:{{incut2()}}",
"uid": "_uid_2868350_i_2"
}
У некоторых организмов ряд тРНК просто отсутствует, из-за чего определённые триплеты на иРНК по умолчанию получаются «некодирующими» — клетка не может сопоставить с ними ни одну аминокислоту просто из-за отсутствия посредников.
Шульц и Шмайдер выделили несколько «некодирующих» кодонов в геноме бактерий кишечной палочки E.coli, и подобрали в других организмах несколько тРНК, которые способны сопоставить с этими кодонами аминокислоты.
Осталось только заменить канонические аминокислоты на хвосте «небактериальных» тРНК на неканонические.
пришлось научить особые ферменты синтетазы, соединяющие транспортные т-РНК и аминокислоты перед отправкой к месту сборки белка, прицеплять к т-РНК не природные аминокислоты, а те, что ученые выбрали при подготовке эксперимента. Пришлось немного изменить структуру природных синтетаз, что, судя по всему, и является ноу-хау лаборатории.
Отдельное внимание ученые уделили выбору неканонических аминокислот, предназначенных для внедрения в структуру стандартных белков E.coli. Например, внедрение в структуру белка аминокислоты, образующей битентантные хелатные комплексы с металлами, может привести в развитию бактериями способности к синтезу белковых комплексов, катализаторов окисления/восстановления или гидролиза, внедрение кето- аминокислот может привести к эволюции способности синтезировать бактериями катализаторы реакций, включающих иминиевые ионы в качестве промежуточных продуктов, например реакции изомеризации или присоединения, и так далее.
После чего генетики устроили своим подопечным «соревнования» — некое подобие естественного отбора, в котором бактериям по человеческой генетической матрице «предлагалось» синтезировать антитела к гликопротеину gp120, входящему в оболочку ВИЧ и давно ставшему важной мишенью при разработке лекарств и вакцин.
Штаммы, наделенные способностью синтезировать антитела с сульфотирозином, делали это не просто лучше своих товарищей, а даже эффективней, чем антитела к gp120, выделенные из плазмы крови человека. Так что если бы речь шла о вирусе, поражающем не человека, а бактерий, то прокариоты, умеющие использовать 21 аминокислоту, обладали бы явным преимуществом.
Конечно, в паре с продемонстрированными плюсами идут и недостатки: например, введение дополнительных тРНК может нарушить образование других белков, отвечающих за не менее важные жизненные функции.
Осторожные специалисты, комментируя свою работу, уделили больше внимания возможности введения искусственных аминокислот в состав природных белков, однако вывод о том, что их система показывает возможность использования «расширенного» генетического кода для создания преимуществ в направленной эволюции белков, Шульц и Шмайдер сделали. Для того чтобы узнать, скажется ли это на окружающем нас животном мире и на нас самих в будущем, осталось только подождать, хотя измененных E.coli генетики на свободу вроде бы не отпускали.
