Ένα πείραμα που σχεδιάστηκε για να ωθήσει τα όρια της αλληλουχίας μονοκυττάρου DNA αποκάλυψε κάτι ακόμα πιο εκπληκτικό: ένας μικροσκοπικός οργανισμός από μια λίμνη στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης φαίνεται να χρησιμοποιεί τον γενετικό του κώδικα με τρόπο που οι επιστήμονες δεν είχαν ξαναδεί.
Ο Δρ Jamie McGowan, ένας μεταδιδακτορικός επιστήμονας στο Ινστιτούτο Earlham, μελετούσε τα γονιδιώματα των πρωτιστών που συλλέγονταν από το γλυκό νερό. Ο στόχος ήταν πρακτικός. Οι ερευνητές ήθελαν να δοκιμάσουν έναν αγωγό προσδιορισμού αλληλουχίας DNA που θα μπορούσε να λειτουργήσει με εξαιρετικά μικρές ποσότητες DNA, συμπεριλαμβανομένου του DNA από ένα μόνο κύτταρο.
Αντίθετα, η ομάδα βρήκε ένα απροσδόκητο γενετικό ακραίο στοιχείο. Οργανισμοί, που προσδιορίζονται ως Ολιγοϋμενοφορία sp PL0344, αποδεικνύεται ότι είναι ένα προηγουμένως άγνωστο είδος με σπάνιες αλλαγές στον τρόπο με τον οποίο διαβάζει τις οδηγίες του DNA και παράγει πρωτεΐνες. ρε PLoS Genetics Η μελέτη αποκάλυψε ότι δύο κωδικόνια που φυσιολογικά σχετίζονται με σήματα απενεργοποίησης γονιδίων επαναπροσδιορίστηκαν σε διαφορετικά αμινοξέα, κάτι που οι ερευνητές περιέγραψαν ως αδημοσίευτο στο παρελθόν.
«Ήταν καθαρή τύχη που επιλέξαμε αυτόν τον πρωτίστα για να δοκιμάσουμε τον αγωγό αλληλουχίας μας και απλώς δείχνει τι υπάρχει εκεί έξω, πόσο λίγα γνωρίζουμε για τη γενετική των πρωτιστών».
Ένας μικροσκοπικός οργανισμός με μια μεγάλη γενετική έκπληξη
Οι διαδηλωτές είναι δύσκολο να προσδιοριστούν με ακρίβεια επειδή είναι τόσο διαφορετικοί. Πολλοί μικροσκοπικοί, μονοκύτταροι οργανισμοί, συμπεριλαμβανομένων των αμοιβάδων, των φυκιών και των διατόμων. Άλλα είναι πολύ μεγαλύτερα και πολυκύτταρα, όπως φύκια, μούχλα λάσπης και κόκκινα φύκια.
“Ο ορισμός του πρωτίστου είναι χαλαρός — βασικά κάθε ευκαρυωτικός οργανισμός που δεν είναι ζώο, φυτό ή μύκητας”, λέει ο Δρ ΜακΓκόουαν. «Αυτό είναι προφανώς πολύ συνηθισμένο, και αυτό οφείλεται στο ότι οι πρωτεργάτες είναι μια πολύ μεταβλητή ομάδα.
“Μερικά σχετίζονται πιο στενά με ζώα, άλλα με φυτά. Υπάρχουν αρπακτικά και θηράματα, παράσιτα και ξενιστές, κολυμβητές και κάθισμα, και υπάρχουν φωτοσυνθέτες με ποικίλες δίαιτες. Βασικά, μπορούμε να κάνουμε πολύ λίγες γενικεύσεις.”
Ολιγοϋμενοφορία Το sp PL0344 ανήκει σε μια ομάδα που ονομάζεται βλεφαροειδή. Αυτοί οι πρωταθλητές κολύμβησης φαίνονται στο μικροσκόπιο και βρίσκονται σε πολλά υδάτινα περιβάλλοντα. Τα πτερύγια έχουν γίνει ιδιαίτερα ενδιαφέροντα για τους γενετιστές επειδή είναι γνωστά hotspot για αλλαγές στον γενετικό κώδικα, συμπεριλαμβανομένων αλλαγών που περιλαμβάνουν κωδικόνια λήξης.
Όταν τα σημάδια στοπ αλλάζουν νόημα
Στα περισσότερα ζωντανά όντα, τρία κωδικόνια τερματισμού λένε στο κύτταρο πού τελειώνει ένα γονίδιο: TAA, TAG και TGA. Αυτά λειτουργούν σαν σημεία στίξης σε γενετικές οδηγίες, σηματοδοτώντας ότι η κατασκευή πρωτεΐνης πρέπει να σταματήσει.
Ο γενετικός κώδικας συνήθως περιγράφεται ως σχεδόν παγκόσμιος επειδή οι περισσότεροι οργανισμοί χρησιμοποιούν τους ίδιους βασικούς κανόνες. Παραλλαγές μπορεί να συμβούν, αλλά είναι σπάνιες. Μεταξύ του μικρού αριθμού γνωστών παραλλαγών γενετικού κώδικα, το TAA και το TAG συνήθως αλλάζουν μαζί και συνήθως καταλήγουν να σημαίνουν το ίδιο πράγμα. Αυτό το μοτίβο υποδηλώνει ότι τα δύο κωδικόνια ήταν εξελικτικά συνδεδεμένα.
«Σχεδόν σε κάθε άλλη περίπτωση που γνωρίζουμε, το TAA και το TAG αλλάζουν μαζί», εξηγεί ο Δρ McGowan. “Ενώ δεν είναι κωδικόνια τερματισμού, καθένα από αυτά καθορίζει το ίδιο αμινοξύ.”
Αυτό το πλάσμα έκανε κάτι διαφορετικό. Σε Ολιγοϋμενοφορία sp PL0344, μόνο το TGA φαίνεται να δρα ως κωδικόνιο λήξης. Τα άλλα δύο σήματα επαναχρησιμοποιούνται. Το TAA καθορίζει τη λυσίνη, ενώ το TAG καθορίζει το γλουταμικό οξύ. Οι ερευνητές βρήκαν επίσης περισσότερα κωδικόνια TGA από τα αναμενόμενα, τα οποία μπορεί να βοηθήσουν στην αντιστάθμιση της απώλειας των άλλων δύο σημάτων διακοπής. ρε PLoS Genetics Η δημοσίευση αναφέρει ότι το υπολειπόμενο UGA εμπλουτίζεται αμέσως μετά τις περιοχές κωδικονίων διακοπής, υποδηλώνοντας ότι μπορεί να βοηθήσει στην αποφυγή επιβλαβούς ανάγνωσης όταν η μετάφραση είναι πολύ υψηλή.
«Είναι εξαιρετικά ασυνήθιστο», είπε ο Δρ ΜακΓκόουαν. “Δεν γνωρίζουμε άλλες περιπτώσεις όπου αυτά τα κωδικόνια λήξης συνδέονται με δύο διαφορετικά αμινοξέα. Αυτό παραβιάζει ορισμένους από τους κανόνες που νομίζαμε ότι γνωρίζαμε σχετικά με τη μετάφραση γονιδίων — αυτά τα δύο κωδικόνια θεωρήθηκε ότι πάνε μαζί.
«Οι επιστήμονες προσπαθούν να δημιουργήσουν νέους γενετικούς κώδικες — αλλά είναι επίσης στη φύση. Αν τους αναζητήσουμε, μπορούμε να βρούμε ενδιαφέροντα πράγματα.
«Ή, σε αυτή την περίπτωση, όταν δεν τα ψάχνουμε».
Πώς τα κύτταρα διαβάζουν τις οδηγίες του DNA
Το DNA μπορεί να θεωρηθεί ως ένα σύνολο εντολών, αλλά οι οδηγίες πρέπει να αντιγραφούν και να ερμηνευτούν πριν τεθούν σε ισχύ. Πρώτον, ένα γονίδιο μεταγράφεται σε RNA. Αυτό το αντίγραφο RNA μεταφράζεται στη συνέχεια σε αμινοξέα, τα οποία συνδέονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν πρωτεΐνες και άλλα λειτουργικά μόρια.
Η μετάφραση ξεκινά από το κωδικόνιο έναρξης του DNA (ATG) και συνήθως τελειώνει στο κωδικόνιο λήξης (συνήθως TAA, TAG ή TGA). Σε αυτό το βλεφαροφόρο, αυτό το γνωστό σύστημα τερματισμού έχει αναδιαταχθεί. Η ανακάλυψη δείχνει ότι ένα από τα πιο συντηρημένα συστήματα στη βιολογία μπορεί να είναι πιο ευέλικτο από το αναμενόμενο.
Η ανάλυση του γονιδιώματος και του μεταγραφώματος της ομάδας εντόπισε επίσης κατασταλτικά γονίδια tRNA που ταιριάζουν με τα αναδιαταγμένα κωδικόνια, υποστηρίζοντας το συμπέρασμα ότι ο οργανισμός όντως διαβάζει αυτά τα προηγούμενα σήματα τερματισμού ως αμινοξέα. Στη μελέτη, το UAA βρέθηκε ότι κωδικοποιεί τη λυσίνη και το UAG για το γλουταμινικό οξύ.
Μεταγενέστερη εργασία έδειξε ότι οι βλεφαρίδες ήταν γενετικοί παραβάτες κανόνων
Η εργασία παρακολούθησης ενίσχυσε την ιδέα ότι τα βλεφαροειδή είναι μια ασυνήθιστα πλούσια πηγή εκπλήξεων γενετικού κώδικα. Το 2024 PLoS Genetics Στη μελέτη, οι ερευνητές ανέφεραν πολλαπλές ανεξάρτητες αναδιατάξεις του κωδικονίου τερματισμού UAG σε φυλλοφάρυγγα βλεφαρίδες. Ορισμένα ακαλλιέργητα βλεφαροειδή στο σύνολο δεδομένων TARA Oceans βρέθηκαν να χρησιμοποιούν UAG για να κωδικοποιήσουν τη λευκίνη, ενώ τα Hartmannula sinica και Trochilia petrani βρέθηκαν να χρησιμοποιούν UAG για να κωδικοποιήσουν τη γλουταμίνη.
Αυτή η τελευταία μελέτη έδειξε επίσης ότι το UAA παραμένει το προτιμώμενο κωδικόνιο τερματισμού στα φυλλοφάρυγγα βλεφαροειδή, ενώ το UAG έχει επανειλημμένα μετατοπιστεί σε ρόλους κωδικοποίησης πρωτεΐνης. Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν συχνές αλλαγές στον γενετικό κώδικα σε μικροβιακούς ευκαρυώτες που δεν έχουν μελετηθεί καλά και ενισχύουν την ιδέα ότι τα βλεφαροειδή είναι από τις ισχυρότερες εξαιρέσεις στον τυπικό γενετικό κώδικα.
Μαζί, αυτά τα ευρήματα υποδηλώνουν ότι ο γενετικός κώδικας δεν είναι τόσο στατικός όσο ήταν κάποτε. Για τους περισσότερους οργανισμούς, οι κανόνες παραμένουν αξιοσημείωτα σταθεροί. Αλλά στη μικροβιακή ζωή που παραβλέπεται, ειδικά στα βλεφαροειδή, η εξέλιξη έχει επανειλημμένα βρει τρόπους να επεξεργάζεται οδηγίες.
Χρηματοδότηση και Εκδόσεις
Η αρχική μελέτη δημοσιεύτηκε PLoS Genetics Το 2023. Χρηματοδοτήθηκε από το Wellcome Trust ως μέρος του έργου Darwin Tree of Life και υποστηρίχθηκε από βασική χρηματοδότηση από το Ινστιτούτο Earlham από το Συμβούλιο Έρευνας Βιοτεχνολογίας και Βιολογικών Επιστημών (BBSRC), μέρος του UKRI. Η δημοσίευση αναφέρει την αλληλουχία δεδομένων και πόρων συναρμολόγησης γονιδιώματος που έχουν κατατεθεί σε δημόσια αποθετήρια.
