Физиологи обнаружили новый код в основе биологии
Физиологи из UT Southwestern, изучая генетический код, обнаружили ранее неизвестный код, который помогает объяснить, какой белок должен быть создан для формирования клетки определённого типа.
Тело человека состоит из десятков триллионов клеток. Каждая клетка содержит тысячи белков, которые определяют, как клетка должна формироваться и какие функции выполнять. Белки, в свою очередь, состоят из сотен аминокислот. План для каждого белка задаётся генетическими кодонами — триплетами нуклеотидов, которые кодируют 20 различных типов аминокислот. Последовательность соединения аминокислот определяет, какие белки в итоге будут произведены и, следовательно, какие функции будет выполнять клетка.
Исследователи обнаружили, что важна не только последовательность аминокислот, но и скорость процесса, в котором аминокислоты соединяются в функциональный белок.
«Наши результаты раскрыли новый "код" внутри генетического кода. Мы считаем это очень важным, так как открытие показывает ключевой регуляторный процесс, влияющий на всю биологию», — сказал профессор физиологии доктор И Лю.
Давно известно, что почти каждая аминокислота может кодироваться несколькими синонимичными кодонами и что каждый организм, от человека до грибов, имеет предпочтение к определённым кодонам. Исследователи обнаружили, что более часто используемые «предпочтительные кодоны» ускоряют процесс производства аминокислотной цепи, а реже производимые кодоны замедляют его. Использование предпочтительных или непредпочтительных кодонов подобно дорожным знакам скорости на «шоссе» производства белка: одни участки нужно производить быстро, другие — медленно.
«Генетический код нуклеиновых кислот централен для жизни, так как он определяет аминокислотные последовательности белков», — сказал доктор Лю. — «Влияя на скорость, с которой белок собирается из аминокислотных "кирпичиков", использование "быстрых" и "медленных" кодонов может влиять на сворачивание белка — процесс, позволяющий белку принять правильную форму для выполнения конкретной функции. Этот механизм контроля скорости гарантирует, что белки правильно собираются и сворачиваются в разных клетках. Таким образом, генетический код определяет не только последовательность аминокислот, но и форму белка».
Исследователи обнаружили, что белки с идентичными аминокислотными последовательностями могут иметь разные функции, если они собраны с разной скоростью. Это может иметь важные последствия для выявления мутаций, вызывающих болезни у человека, поскольку данное исследование указывает, что мутации не обязательно должны менять тип аминокислоты, чтобы вызвать заболевание. Фактически, большинство мутаций в ДНК человека не приводят к изменению аминокислоты.
«Таким образом, наше исследование показывает, что новый "код" — ограничение скорости сборки — внутри генетического кода может диктовать конечную функцию данного белка», — сказал доктор Лю.
Результаты опубликованы на обложке журнала Molecular Cell, одного из ведущих журналов по молекулярной биологии, биофизике и биохимии.
Новые выводы расширяют предыдущие исследования доктора Лю и коллег, опубликованные в Nature в 2013 году, которые стали прорывом, продемонстрировав, что синонимичные кодоны белка циркадных часов не одинаковы в создании функциональных белков, несмотря на кодирование одних и тех же аминокислот. Гены могут адаптироваться к разным изменениям окружающей среды, выбирая наиболее оптимальный кодон, что противоречит интуитивному представлению о естественном отборе.
Доктор Лю и его команда изучают эти системы, используя плесневый гриб Neurospora crassa. Использование плесени позволяет легко манипулировать её генами и кодонами в лаборатории, что сложнее сделать на животных. Лаборатория доктора Лю также пытается раскрыть секреты хронобиологии и молекулярные механизмы, лежащие в основе суточных биологических часов организма (циркадных ритмов). Биологические часы описаны почти у всех организмов — от одноклеточных до млекопитающих — и контролируют суточные ритмы, такие как циклы сна-бодрствования, активности, температуры тела, эндокринные функции и экспрессию генов.