Обычный эксперимент с участием микроскопического организма из пресноводного пруда привёл учёных к необычному генетическому открытию. Выяснилось, что это крошечное существо интерпретирует инструкции ДНК способом, который ранее не фиксировался исследователями. Это ставит под сомнение давнее представление о работе генетического кода.
Неожиданный результат был получен при изучении ранее неизвестного протиста Oligohymenophorea sp. PL0344. Два генетических сигнала, которые обычно дают клеткам команду прекратить синтез белков, в этом организме выполняли совершенно иные функции. Более того, эти сигналы были переназначены на две разные аминокислоты, что нарушает закономерность, которую учёные считали жёстко связанной с эволюцией. Результаты исследования были опубликованы в журнале PLOS Genetics в октябре 2023 года. Последующие работы выявили дополнительные вариации генетического кода у родственных микроорганизмов, что говорит о возможных новых сюрпризах в микромире.
Доктор Джейми Макгоуэн, работавший постдокторантом в Институте Эрлхэма, совершил открытие, изучая протиста, собранного в пруду Оксфордского университетского парка в Англии. Проект изначально задумывался для проверки метода секвенирования ДНК, способного анализировать крайне малые количества генетического материала, вплоть до одной клетки. Макгоуэн трудился вместе с коллегами из Института Эрлхэма и исследовательской группой под руководством профессора Томаса Ричардса из Оксфордского университета. Вместо изучения эволюции генетического кода учёные стремились усовершенствовать инструменты для работы с организмами, которые сложно выращивать и анализировать в лаборатории. Однако, собрав и изучив геном организма, они заметили нечто неожиданное: протист принадлежал к ранее не идентифицированному виду, а его генетические инструкции, по-видимому, работали по необычным правилам. «Нам просто повезло, что мы выбрали именно этот протист для проверки нашего секвенирующего конвейера, и это показывает, что нас ждёт впереди, подчёркивая, как мало мы знаем о генетике протистов», — сказал доктор Макгоуэн.
Протисты относятся к числу самых разнообразных и наименее изученных групп организмов на Земле. Многие из них состоят всего из одной клетки и слишком малы, чтобы их можно было увидеть без микроскопа. К знакомым примерам относятся амёбы, различные водоросли и диатомеи — микроскопические организмы, часто встречающиеся в водной среде. Однако не все протисты крошечные: эта широкая категория включает также такие организмы, как ламинария, слизевики и красные водоросли, некоторые из которых образуют крупные сложные структуры. Группа настолько разнородна, что учёные обычно определяют её членов методом исключения других основных ветвей жизни. «Определение протиста довольно расплывчатое — по сути, это любой эукариотический организм, который не является животным, растением или грибом, — пояснил доктор Макгоуэн. — Это, очевидно, очень общее определение, и так происходит потому, что протисты — крайне изменчивая группа. Некоторые ближе к животным, некоторые — к растениям. Среди них есть охотники и жертвы, паразиты и хозяева, пловцы и сидячие формы, а также те, чей рацион разнообразен, и те, кто фотосинтезирует. В целом мы можем сделать очень мало обобщений». Эукариоты — это организмы, клетки которых содержат ядро, специализированный отсек, хранящий большую часть генетического материала. Люди, другие животные, растения, грибы и протисты все относятся к этой широкой категории. Организм, оказавшийся в центре открытия, принадлежит к группе протистов под названием инфузории. Эти существа обычно плавают с помощью крошечных волосковидных структур — ресничек, которые движутся согласованно, продвигая их в воде. Инфузории широко распространены в пресноводной и морской среде. Они также особенно интересны генетикам, поскольку некоторые из них выработали необычные способы интерпретации инструкций ДНК.
Чтобы понять, почему это открытие оказалось столь неожиданным, полезно вспомнить, как клетки превращают генетическую информацию в белки. ДНК действует как инструкция, хранящая сведения, необходимые клеткам для построения и поддержания своих структур. Однако эти инструкции должны быть переведены в физические молекулы, прежде чем они смогут выполнять биологические функции. Процесс начинается с того, что участок ДНК копируется в матричную РНК — молекулу, которая доставляет генетические инструкции к белоксинтезирующему аппарату клетки. Затем структура под названием рибосома считывает последовательность РНК по три буквы за раз. Каждая группа из трёх букв называется кодоном, и большинство кодонов указывают на одну из аминокислот, служащих строительными блоками белков. По мере соединения аминокислот образуется цепь, которая может складываться в трёхмерную структуру. Получившийся белок может работать как фермент, обеспечивать структурную поддержку, переносить молекулы или выполнять множество других клеточных задач. В нотации ДНК кодирующая белок последовательность обычно начинается со стартового кодона (ATG) и заканчивается стоп-кодоном (обычно TAA, TAG или TGA). Эти стоп-кодоны работают как знаки препинания. Они сообщают рибосоме, что она достигла конца инструкций для конкретного белка и должна освободить готовую цепь. Когда инструкции копируются в РНК, буква T заменяется на U. Следовательно, соответствующие стоп-кодоны в РНК записываются как UAA, UAG и UGA. У большинства форм жизни эти сигналы сохраняли свои базовые функции на протяжении чрезвычайно долгого периода эволюционной истории. Но природа иногда находила способы обойти обычные правила.
Учёные десятилетиями знали, что некоторые организмы используют модифицированные версии генетического кода. Такие вариации редки для жизни в целом, но инфузории особенно богаты примерами. У некоторых инфузорий стоп-кодоны эволюционно стали указывать на аминокислоты вместо прекращения синтеза белка. До относительно недавнего времени одна закономерность казалась особенно устойчивой: два обычных стоп-кодона, TAA и TAG, почти всегда сохраняли одинаковое значение. Когда их функции менялись, оба, как правило, начинали указывать на одну и ту же аминокислоту. Это позволяло предположить, что два сигнала эволюционируют совместно. «Почти во всех других известных нам случаях TAA и TAG меняются в тандеме, — объяснил доктор Макгоуэн. — Когда они не являются стоп-кодонами, каждый из них указывает на одну и ту же аминокислоту». Геном Oligohymenophorea sp. PL0344 рассказал другую историю. Вместо выполнения роли стоп-сигналов TAA и TAG, по-видимому, кодировали совершенно разные аминокислоты. TAA указывал на лизин, а TAG — на глутаминовую кислоту. Обе аминокислоты являются обычными компонентами белков, но обладают разными химическими свойствами и биологическими ролями. При этом TGA оставался единственным обычным стоп-кодоном организма. Эти результаты стали первым описанным примером генетического кода, в котором и TAA, и TAG были переназначены для кодирования двух разных аминокислот. Это различие важно, поскольку показывает, что эволюционная связь между двумя кодонами не так строга, как предполагали учёные. «Это крайне необычно, — сказал доктор Макгоуэн. — Нам неизвестен ни один другой случай, когда эти стоп-кодоны связаны с двумя разными аминокислотами. Это нарушает некоторые правила, которые мы, как нам казалось, знали о трансляции генов, — считалось, что эти два кодона связаны».
Дальнейшее исследование выявило подсказки о том, как протисту удаётся функционировать с его нестандартными генетическими инструкциями. Учёные идентифицировали специализированные гены транспортной РНК, связанные с переназначенными кодонами. Молекулы транспортной РНК действуют как переводчики во время производства белка, помогая сопоставлять инструкции в матричной РНК с нужными аминокислотами. Их наличие подтвердило вывод, что необычный генетический код является подлинной особенностью организма, а не ошибкой секвенирования. Команда также обнаружила неожиданно большое количество стоп-кодонов TGA в участках ДНК, непосредственно следующих за кодирующими белок последовательностями. Эти дополнительные стоп-сигналы могут служить резервной системой. Если рибосома случайно продолжит считывание за предполагаемым концом белка, второй стоп-кодон может помешать ей чрезмерно удлинить белок. Такая защита может быть особенно ценной для организма, который полагается лишь на один из трёх обычных стоп-кодонов. Хотя исследователи не смогли точно установить, как эволюционировал этот необычный код, результаты продемонстрировали, что механизм, отвечающий за перевод генетической информации, может быть гораздо более адаптивным, чем считалось ранее.
Первоначальное открытие также поставило более широкий вопрос: сколько других микроорганизмов используют генетические коды, которые учёные ещё не распознали? В декабре 2024 года Макгоуэн и коллеги опубликовали дополнительные результаты в PLOS Genetics, показав, что необычные изменения генетического кода независимо произошли в нескольких других линиях инфузорий. Команда исследовала генетическую информацию группы инфузорий под названием Phyllopharyngea, включая геномные данные, собранные в рамках проекта TARA Oceans — международной инициативы по изучению морской жизни и её генетического разнообразия. Их анализ выявил три ранее некультивированных вида инфузорий, у которых UAG, обычно являющийся стоп-кодоном, по-видимому, указывал на лейцин. Эти организмы происходили из образцов, связанных с Северным Ледовитым и Южным океанами. Исследователи также изучили существующие геномные наборы данных и обнаружили ещё две инфузории, Hartmannula sinica и Trochilia petrani, у которых UAG, по-видимому, кодировал глутамин. Эволюционные сравнения показали, что эти изменения возникали независимо как минимум трижды. Важно, что генетические коды не были идентичны необычной системе, найденной у Oligohymenophorea sp. PL0344. У пяти инфузорий, изученных в исследовании 2024 года, UAA оставался стоп-сигналом, тогда как UAG приобрёл иное значение. Тем не менее результаты дали дополнительные доказательства того, что эти два генетических сигнала не всегда должны эволюционировать вместе. Вместо изолированной курьёзности первоначальное открытие помогло выявить гораздо более широкую картину гибкости генетического кода среди инфузорий.
Поиск неожиданной биологии в микроскопических организмах продолжился и за пределами самого генетического кода. В марте 2026 года исследователи из Института Эрлхэма и Оксфордского университета сообщили о ещё одном открытии, ставшем возможным благодаря методам секвенирования отдельных клеток. Их работа, опубликованная в Microbial Genomics, изучала Bodo — группу распространённых протистов, встречающихся в пресной воде, солоноватой воде и почве. Проанализировав всего семь некультивированных клеток, учёные выявили три ранее неизвестные эволюционные линии, каждая из которых связана с собственным особым бактериальным партнёром, живущим внутри организма. Работа не продемонстрировала тех же изменений генетического кода, что были найдены у PL0344. Вместо этого она показала, насколько большое биологическое разнообразие может оставаться скрытым, когда исследователи полагаются в основном на организмы, которые легко выращивать в лаборатории. Вместе с открытиями в области генетического кода эти результаты демонстрируют ценность изучения микроорганизмов, которым уделялось относительно мало научного внимания. Улучшенные технологии секвенирования могли бы выявить дополнительные нестандартные генетические коды, неожиданные связи между организмами и ранее неизвестные способы функционирования клеток.
Для учёных необычные генетические коды представляют не только биологический интерес. Они дают возможность исследовать, почему генетический код так единообразен у большинства форм жизни и как эволюционные изменения иногда могут менять его фундаментальные инструкции. Понимание этих природных вариаций может также помочь в синтетической биологии, где исследователи пытаются модифицировать генетические коды, чтобы придать клеткам новые возможности или позволить им производить белки с необычными свойствами. Однако эволюционные силы, ответственные за исключительное разнообразие генетических кодов среди инфузорий, остаются не до конца понятыми. То, что начиналось как рутинный эксперимент по секвенированию, в итоге показало, что даже у самых знакомых правил биологии есть удивительные исключения. Как заметил Макгоуэн: «Учёные пытаются конструировать новые генетические коды — но они также существуют и в природе. Есть увлекательные вещи, которые мы можем найти, если будем их искать. Или, как в этом случае, когда мы их не ищем».