Ученые случайно обнаружили генетический код, нарушающий законы жизни

Ученые случайно обнаружили генетический код, который нарушает правила жизни.

Обычный эксперимент с микроскопическим организмом из пресноводного пруда привел ученых к необычному генетическому открытию. Малое существо оказалось способно интерпретировать инструкции ДНК так, как исследователи никогда прежде не документировали, поставив под сомнение давно сложившееся представление о работе генетического кода.

Сюрприз произошел, когда ученые изучили ранее неизвестный протист, получивший временное обозначение Oligohymenophorea sp. PL0344. Два генетических сигнала, которые обычно говорят клетке прекратить синтез белка, приняли совершенно иные функции. Более того, эти сигналы были переназначены на две разные аминокислоты, что нарушало закономерность, которую ученые считали эволюционно связанной.

Открытие, опубликованное в PLOS Genetics в октябре 2023 года, показало неожиданную гибкость в одной из наиболее фундаментальных биологических систем жизни. Последующие исследования выявили дополнительные варианты генетического кода у родственных микроорганизмов, что говорит о том, что в микроскопическом мире могут таиться многие другие сюрпризы.

Случайное генетическое открытие в пресноводном пруду

Доктор Джейми МакГоуэн, тогда постдоктор в Институте Эрлхэм, сделал это открытие, изучая протиста, собранного в пруду в парках Оксфордского университета в Англии.

Проект изначально был предназначен для проверки метода секвенирования ДНК, способного анализировать чрезвычайно малые количества генетического материала, потенциально от одной клетки. МакГоуэн работал вместе с учеными Института Эрлхэм и группой под руководством профессора Томаса Ричардса из Оксфордского университета.

Исследователи не ставили цель изучать эволюцию генетического кода; они пытались улучшить инструменты для изучения организмов, которых трудно вырастить и проанализировать в лабораториях.

Однако при сборке и анализе генома этого организма они заметили нечто неожиданное. Протист оказался ранее неидентифицированным видом, а его генетические инструкции, по-видимому, функционировали по необычным правилам.

Доктор МакГоуэн сказал: «Это чистая удача, что мы выбрали этого протиста, чтобы протестировать наш конвейер секвенирования, и это показывает, что там есть — подчеркивает, насколько мало мы знаем о генетике протистов».

Что такое протисты и почему они такие необычные?

Протисты — одна из самых разнообразных и наименее изученных групп организмов на Земле. Многие из них состоят всего из одной клетки и слишком малы, чтобы их увидеть невооруженным глазом. Знакомые примеры включают амеб, различные водоросли и диатомовые водоросли, которые часто встречаются в водной среде.

Однако не все протисты крошечные. В эту широкую категорию также входят организмы, такие как ламинария, слизистые плесени и красные водоросли, некоторые из которых формируют большие сложные структуры.

Группа настолько разнообразна, что ученые обычно определяют ее членов через исключение других основных ветвей жизни.

«Определение протиста размыто — по сути это любой эукариотический организм, который не является животным, растением или грибом, — сказал доктор МакГоуэн. — Это очевидно очень обобщенно, и это потому, что протисты — исключительно переменчивая группа. Некоторые ближе родственны животным, некоторые — растениям. Есть охотники и жертвы, паразиты и хозяев, плавающие и сидячие, и те, кто питается по-разному, в то время как другие фотосинтезируют. В общем, мы можем делать очень мало обобщений».

Эукариоты — это организмы, клетки которых содержат ядро, специализированный отдел, где хранится большая часть их генетического материала. Люди, другие животные, растения, грибы и протисты принадлежат к этой широкой категории.

Организм, оказавшийся в центре открытия, относится к группе протистов, называемых инфузориями (цилаты). Эти существа обычно плавают с помощью крошечных волосковидных структур, известных как реснички, которые двигаются согласованно, чтобы продвигать организм в воде.

Инфузории широко распространены в пресных и морских водах. Они особенно интересны генетикам, потому что некоторые из них эволюционировали необычные способы интерпретации инструкций ДНК.

Как генетический код говорит клетке, когда остановиться

Чтобы понять, почему это открытие было столь неожиданным, полезно знать, как клетки превращают генетическую информацию в белки.

ДНК действует как инструкция, хранящая информацию, необходимую клеткам для сборки и поддержания их структур. Однако эти инструкции должны быть переведены в молекулы, прежде чем они смогут выполнять биологические функции.

Процесс начинается с копирования участка ДНК в молекулу информационной РНК, которая переносит генетические инструкции к белковому «оборудованию» клетки.

Рибосома затем считывает последовательность РНК по три буквы за раз. Каждая группа из трех букв называется кодоном, и большинство кодонов кодирует одну из аминокислот, которые служат строительными блоками белков.

Когда аминокислоты связываются в цепочку, она может свернуться в трехмерную структуру. Получившийся белок может функционировать как фермент, обеспечивать структурную поддержку, транспортировать молекулы или выполнять множество других задач.

В обозначении ДНК белок-кодирующая последовательность обычно начинается с старт-кодона (ATG) и заканчивается стоп-кодоном (обычно TAA, TAG или TGA).

Эти стоп-кодоны работают как знаки препинания. Они говорят рибосоме, что она достигла конца инструкции для данного белка и должна освободить завершенную цепочку.

Когда инструкции копируются в РНК, буква T заменяется на U. Следовательно, соответствующие стоп-кодоны в РНК записываются как UAA, UAG и UGA.

Во многих формах жизни эти сигналы сохраняли одинаковые основные функции в течение невероятно долгого эволюционного времени.

Но природа время от времени находила обходные пути от обычных правил.

Ученые обнаружили два генетических стоп-сигнала с разным значением

Ученые знали уже десятилетия, что некоторые организмы используют модифицированные версии генетического кода. Эти варианты редки в масштабах всей жизни, но инфузории особенно богаты примерами.

У некоторых инфузорий стоп-кодоны эволюционировали так, что указывали на аминокислоты вместо завершения синтеза белка.

До недавнего времени существовал особенно устойчивый паттерн. Два из обычных стоп-кодонов, TAA и TAG, почти всегда сохраняли одинаковое значение. Когда их функции менялись, они обычно оба указывали на одну и ту же аминокислоту.

Это навевало мысль, что эти два сигнала были связаны и эволюционировали совместно.

«Во почти всех известных нам случаях TAA и TAG меняются синхронно, — объяснил доктор МакГоуэн. — Когда они перестают быть стоп-кодонами, каждый из них кодирует одну и ту же аминокислоту».

Геном Oligohymenophorea sp. PL0344 рассказал иную историю.

Вместо того чтобы функционировать как стоп-сигналы, TAA и TAG, по-видимому, кодировали совершенно разные аминокислоты. TAA кодировал лизин, а TAG — глутаминовую кислоту.

Обе аминокислоты часто встречаются в белках, но обладают разными химическими свойствами и биологическими ролями.

Тем временем TGA оставался единственным обычным стоп-кодоном у этого организма.

Это открытие стало первым зарегистрированным случаем генетического кода, в котором и TAA, и TAG были переназначены для кодирования двух разных аминокислот.

Это важно, потому что показывает: эволюционная связь между этими двумя кодонами не так уж и жестко ограничена, как считали ученые.

«Это чрезвычайно необычно, — сказал доктор МакГоуэн. — Мы не знаем других случаев, где эти стоп-кодоны связаны с двумя разными аминокислотами. Это ломает некоторые правила, которые мы думали, что знаем о трансляции генов — эти два кодона считались связанными».

Как этот микроскопический организм заставляет необычный код работать

Дальнейшее исследование выявило подсказки, как протист функционирует с его необычными генетическими инструкциями.

Исследователи обнаружили специализированные гены транспортной РНК, связанные с переназначенными кодонами. Транспортные РНК действуют как переводчики во время синтеза белка, помогая сопоставлять инструкции из информационной РНК с правильными аминокислотами.

Их наличие подтвердило вывод о том, что необычный генетический код является подлинной особенностью организма, а не ошибкой секвенирования.

Команда также обнаружила неожиданно большое количество стоп-кодонов TGA в областях ДНК сразу после белок-кодирующих последовательностей.

Эти дополнительные стоп-сигналы могли служить резервной системой. Если рибосома по ошибке продолжит считывать последовательность за предполагаемый конец белка, второй стоп-кодон может предотвратить чрезмерное удлинение белковой цепи.

Такая защита могла быть особенно полезна для организма, который полагается только на один из трех обычных стоп-кодонов.

Хотя исследователям не удалось точно установить, как развился необычный код, результаты продемонстрировали, что аппаратура, responsible for translating genetic information, может быть гораздо более адаптивной, чем считалось ранее.

Последующие исследования выявляют новые сюрпризы генетического кода

Первичное открытие также породило более широкий вопрос: сколько других микроорганизмов используют генетические коды, которые ученые еще не распознали?

В декабре 2024 года МакГоуэн и коллеги опубликовали дополнительные результаты в PLOS Genetics, показав, что необычные изменения генетического кода возникали независимо в нескольких других линиях инфузорий.

Команда исследовала генетическую информацию у группы инфузорий, известных как Phyllopharyngea, включая геномные данные, собранные в рамках проекта TARA Oceans, международной инициативы по изучению морской жизни и ее генетического разнообразия.

Их анализ выявил три ранее не культивируемых вида инфузорий, в которых UAG, обычно стоп-кодон, по-видимому, кодировал лейцин.

Эти организмы были обнаружены в образцах, связанных с Арктикой и Южным океаном.

Исследователи также проверили существующие геномные наборы данных и нашли двух дополнительных инфузорий, Hartmannula sinica и Trochilia petrani, у которых UAG, по-видимому, кодировал глутамин.

Эволюционные сравнения подсказали, что эти изменения возникли независимо по крайней мере в трех случаях.

Важным было то, что эти генетические коды не были идентичны необычной системе, найденной в Oligohymenophorea sp. PL0344. В пяти инфузориях, рассмотренных в исследовании 2024 года, UAA оставался стоп-сигналом, тогда как UAG приобрел иное значение.

Тем не менее эти результаты дали дополнительные доказательства того, что эти два генетических сигнала не всегда обязаны эволюционировать совместно.

Вместо единичной курьезности первоначальное открытие помогло пролить свет на гораздо более широкую картину гибкости генетического кода среди инфузорий.

Ученые продолжают раскрывать скрытое разнообразие протистов

Поиск неожиданной биологии у микроскопических организмов продолжился и за пределами самого генетического кода.

В марте 2026 года исследователи из Института Эрлхэм и Оксфордского университета сообщили о еще одном открытии, ставшем возможным благодаря методам секвенирования отдельных клеток.

Их исследование, опубликованное в Microbial Genomics, изучало Bodo — группу обычных протистов, встречающихся в пресной воде, солоноватой воде и почве.

Анализируя всего семь некультивируемых клеток, ученые выявили три ранее не распознанные эволюционные линии, каждая из которых была связана со своим уникальным бактериальным партнером, живущим внутри организма.

Работа не показала тех же изменений генетического кода, которые были обнаружены в PL0344. Вместо этого она продемонстрировала, сколько биологического разнообразия может оставаться скрытым, когда исследователи в основном ориентируются на организмы, которые легко культивировать в лабораториях.

Вместе с открытиями, связанными с генетическим кодом, эти результаты демонстрируют ценность изучения микроорганизмов, которым уделялось относительно мало научного внимания.

Лучшие методы секвенирования могут выявить дополнительные неконвенциональные генетические коды, неожиданные взаимосвязи между организмами и ранее неизвестные способы работы клеток.

У природы, возможно, еще много правил для нарушения

Для ученых необычные генетические коды представляют не только любопытные биологические случаи. Они дают возможности исследовать, почему генетический код настолько согласован у большинства форм жизни и как эволюционные изменения иногда могут изменить его фундаментальные инструкции.

Понимание этих природных вариаций также может помочь в синтетической биологии, где исследователи пытаются модифицировать генетические коды, чтобы придать клеткам новые возможности или позволить им производить белки с необычными свойствами.

Тем не менее эволюционные силы, ответственные за исключительное разнообразие генетических кодов среди инфузорий, остаются недостаточно понятными.

То, что началось как рутинный эксперимент по секвенированию, в итоге показало, что даже некоторые из самых привычных правил биологии имеют замечательные исключения.

«Ученые пытаются сконструировать новые генетические коды — но они уже существуют в природе. Там есть увлекательные вещи, которые мы можем найти, если будем их искать. Или, как в этом случае, когда мы их не ищем».

Материалы предоставлены Институтом Эрлхэм. Примечание: содержание могло быть отредактировано в соответствии со стилем и длиной.

Список авторов и публикаций:

Jamie McGowan, Estelle S. Kilias, Elisabet Alacid, James Lipscombe, Benjamin H. Jenkins, Karim Gharbi, Gemy G. Kaithakottil, Iain C. Macaulay, Seanna McTaggart, Sally D. Warring, Thomas A. Richards, Neil Hall, David Swarbreck. Identification of a non-canonical ciliate nuclear genetic code where UAA and UAG code for different amino acids. PLOS Genetics, 2023; 19 (10): e1010913 DOI: 10.1371/journal.pgen.1010913

Jamie McGowan, Thomas A. Richards, Neil Hall, David Swarbreck. Multiple independent genetic code reassignments of the UAG stop codon in phyllopharyngean ciliates. PLOS Genetics, 2024; 20 (12): e1011512 DOI: 10.1371/journal.pgen.1011512

Sally D. Warring, Jamie McGowan, Estelle S. Kilias, James Lipscombe, Elisabet Alacid, Tom Barker, Leah Catchpole, Karim Gharbi, Seanna McTaggart, Thomas A. Richards, David Swarbreck, Neil Hall. Single-cell sequencing reveals unexpected genetic diversity among Bodo spp. flagellates and their bacterial endosymbionts. Microbial Genomics, 2026; 12 (3) DOI: 10.1099/mgen.0.001642