###1###
Большинство определений жизни так или иначе сводится к упоминанию основных биологических полимеров - нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) и образующихся на их матрице белков. Двухступенчатый процесс синтеза белка лежит в основе всех жизненных функций: сначала по образу и подобию ДНК синтезируется матричная РНК (мРНК), а затем её последовательность «считывается» рибосомой, и в синтезирующейся белковой молекуле каждому «кодону» - тройке нуклеотидов в цепочке мРНК ставится в соответствие одна аминокислота в белковой цепочке. Некоторые кодоны выступают в роли «знаков препинания», указывая, где необходимо начать считывание кода белка, а где закончить.
Залог надежности всей системы - неотступное следование правилам генетического кода. Эти правила одинаковы для всех живых организмов, будь то растения, грибы, бактерии или даже млекопитающие, некоторые из которых мнят себя наиболее сложно устроенными созданиями.
Данная догма сохраняется в биологии уже почти полвека. Но как водится, из всех правил есть исключения. Их и обнаружили Вадим Гладышев, Антон Туранов, Алексей Лобанов и Дмитрий Фоменко из Университета американского штата Небраска в Линкольне.
Работающие в США российские учёные и их коллеги показали, что тройка ТГА в цепи матричной РНК, может кодировать 2 аминокислоты, и разобрались, как организм определяет, каким переводом с языка триплетов мРНК на язык аминокислот белка воспользоваться в каждом конкретном случае. Соответствующая статья опубликована в последнем номере Science.
О результатах работы своей лаборатории и о перспективах развития науки в России профессор Гладышев рассказал читателям «Газеты.Ru»
Здравствуйте, Вадим. Результаты Вашей работы наверняка станут тем самым «исключением», сноска с описанием которого будет присутствовать во всех будущих учебниках по биологии - в главе, посвящённой генетическому коду. Как вы можете описать свое открытие?
Основная догма генетического кода, с того момента, как он был открыт в 1963-м году Харгобиндом Харано и Маршаллом Ниренебергом, - в том, что один кодон всегда кодирует одну аминокислоту. Зная последовательность нуклеотидов в матричной РНК, мы всегда можем выстроить последовательность аминокислот в белке. От организма к организму код может незначительно меняться, но не может измениться то, что каждый триплет нуклеотидов кодирует только одну аминокислоту. В противном случае возникнет хаос, и каждая последующая молекула белка будет отличаться от предыдущей.
Нам же удалось показать, что один и тот же кодон, а конкретнее - ТГА, может «считываться» двояко, причем «выбор» между аминокислотами осуществляется не случайно.
Вы уже придумали название для этого феномена?
Не знаю, насколько в этом есть необходимость. Это можно описать известными терминами.
Залог успеха ключевых работ в генетике - выбор «подопытного» организма. У Менделя был горох, у Моргана - плодовые мушки. Любимцы последних десятилетий - Arabidhopsis thaliana и Caenorabditis elegans. Кого выбрали вы?
Мы прочитали, что существует одноклеточный организм Euplotes crassus, достаточно большой, чтобы его можно было увидеть даже без микроскопа. Этот «хищник» питается одноклеточными водорослями, достигая в диаметре 0,1 мм. Выбор был не случаен: кодон ТГА, у большинства эукариот являющийся «стоп-кодоном», останавливающим процесс считывания мРНК, в случае E. crassus кодирует аминокислоту цистеин.
<1>
Как это связано с основной тематикой вашей лаборатории?
В нашей лаборатории мы изучаем одну редко встречающуюся аминокислоту - селеноцистеин. Несмотря на то, что она, судя по всему, в ходе эволюции возникла после 20 остальных, есть она и в археях, и в бактериях, и в эукариотах. Мы изучаем белки, которые содержат эту аминокислоту у млекопитающих - в том числе у человека, у которого её кодирует уже упомянутый триплет ТГА.
Тогда и возник вопрос: а в Euplotes селеноцистеин используется или нет? И если используется, какой тогда кодон может быть, если ТГА уже «занят» другой аминокислотой?
Без проблем не обошлось: оказалось, что этот организм мало кто использует, всего лишь около пяти лабораторий в мире. Так Лоуренс Клобутчер из Университета штата Коннектикут стал нашим соавтором - он присылал образцы, а мы искали в них селенсодержащие белки. Оказалось, что они там есть.+++###2###
Этим Вам удалось показать наличие двадцать первой аминокислоты, а как выяснилось, что её кодирует именно ТГА?
Мы полностью секвенировали геном Euplotes. Секвенирование генома (считывание последовательности нуклеотидов) - это что-то удивительное. Десять лет назад, когда человеческий геном секвенировал целый мир, это обошлось в миллиарды долларов. Сейчас всё настолько быстро развивается, что любая лаборатория может отсеквенировать полные геномы организмов. Так что в качестве побочного продукта мы получили последовательность ДНК и матричных РНК Euplotes.Этого оказалось достаточно, чтобы понять, что один и тот же триплет используется и для цистеина, и для селеноцистеина. Эти аминокислоты встраиваются в белок разными тРНК, но обе тРНК «узнают» триплет ТГА.
Но как это происходит? Как рибосома читает эту мРНК и как она «узнает», какую аминокислоту встроить?
Чтобы ответить на этот вопрос, мы изучили белок тиоредоксинредуктазу, ген которого содержит 7 кодонов ТГА. Первые 6 всегда кодируют цистеин, а последний - селеноцистеин. Чтобы понять, связана ли эта функция с конкретной позицией или же положением относительно начала и конца мРНК, мы стали переставлять ТГА-кодон в разные места. Постепенно стало понятно, что с начала белковой цепочки и почти до самого конца (20 последних аминокислот) встраивается цистеин. Но если этот триплет находится среди последних 20 «генетических букв», на место цистеина встает селеноцистеин.
<2>
Тогда и стало понятно, как всё работает. В «нечитаемой» области мРНК стоит петлеобразная структура. По-видимому, когда рибосома начинает транслировать мРНК, эта структура просто недоступна, и никак не может повлиять на процесс трансляции. В таких случаях на место ТГА встаёт цистеин.
Как только рибосома продвигается дальше, это каким-то образом сказывается не только на области трансляции, но и на всей молекуле мРНК. В результате в синтезируемый белок вместо цистеина вводится селеноцистеин.
Подобное влияние самой мРНК на трансляцию себя же было известно раньше?
Структуры РНК могут влиять на синтез белка, ускорять, замедлять или полностью блокировать, регулировать взаимодействие с другими белками. То, что мы обнаружили - это «самоперепрограммирование» генетического кода - когда одно и то же «слово» на языке последовательности мРНК переводится на язык белка по-разному.
Насколько вы уверены в описанном механизме, ведь непосредственно «разглядеть» как это происходит попросту невозможно?
Точная структура любой большой молекулы РНК или общая структура мРНК до конца не известны и труднопредсказуемы, так что увидеть, как этот петлеобразный элемент «мешает» или «помогает» попросту невозможно. Но проделанные нами эксперименты позволяют сказать это с очень большой вероятностью: мы взяли эту «петлю», удалили её из РНК Euplotes и заменили на похожую мРНК из другого одноклеточного - токсоплазмы.
Полученная мРНК оказалась функциональной, а вот кодируемый ею белок в некоторых позициях вместо цистеина содержал селеноцистеин.
Получилось, что мы как будто сдвинули «границу», тем самым изменив кодирующий потенциал ТГА кодонов. Сместился «барьер», до которого ТГА читался, как цистеин, а после которого - как селеноцистеин.+++###3###
Это первое исключение из классических свойств генетического кода?
То, что один кодон кодирует две аминокислоты, продемонстрировано нами впервые.
<6>Наиболее близкая к этому ситуация встречается у некоторых дрожжей. У них на место одного кодона тоже могут встраиваться две аминокислоты, но это происходит наугад. Дело в том, что один из видов тРНК, транспортирующих аминокислоты к рибосоме, не «различает» две из них, и в результате в белок встраивается та, что просто оказалась рядом. Кроме того, начало синтеза белка и встраиванием аминокислоты метионин кодируется одним и тем же кодоном АТГ.
Другое своеобразное «исключение» - 21-я и 22-я аминокислоты, неизвестные на момент составления кодон-аминокислотного словаря. Это уже упомянутый селеноцистеин и пирролизин, открытый Джо Крыски лишь в 2002 году. 21-я аминокислота встречается редко, но во многих организмах, (например, у человека мы обнаружили 25 кодирующих селеноцистеин генов). Пирролизин в основном остается прерогативой небольшой группы архей.
Ещё можно упомянуть митохондриальные коды, а так же различия в «прочтении» между отдельными организмами, когда изменяется код, но не правила, по которым он работает.
Большинство этих исключений описано у прокариот. Как Вы думаете, связано ли это с тем, что эукариоты научились регулировать работу своего генома другими методами?
И у эукариот есть исключения, только в случае эукариот они не настолько хорошо изучены. Возможно, что-то изменится с появлением геномных последовательностей других одноклеточных эукариот. У обитающих на Земле как минимум 600 миллионов лет одноклеточных эукариот силиатов, к которым принадлежит Euplotes, известно очень много вариаций генетического кода. Например, у силиата тетрахимены, аминокислота глутамин кодируется через ТАГ и ТАА, а ТГА остается единственным стоп-сигналом.
ТГА - в некотором смысле уникальный триплет, ведь он является ещё и стоп-кодоном. Как Вы думаете, возможен ли этот феномен для других кодонов? Где стоит искать?
Сам бы хотел знать.
Мы пытаемся найти, но пока не нашли.
К сожалению, не решён вопрос как искать, не существует общего подхода и схемы для этого поиска. В случае с эуплотисом нам помогло то, что селеноцистеин - редкая аминокислота.+++###4###
Как вы думаете, удастся ли применить этот, пока не названный феномен, на практике - в исследованиях, или в медицине?
Сходу можно предложить две идеи.
Одна связана с селеновыми белками и тем, чем мы сейчас занимаемся в лаборатории.
Селен - это важный микроэлемент, он абсолютно необходим. Если вы покупаете стандартные поливитамины с минеральными добавками, там кроме С, А и В обязательно будет селен, необходимый организму для поддержания синтеза тех 25 белков, в которые он входит.
Раньше нам казалось, что если есть ген селенсодержащего белка и в нем есть дополнительный элемент, то любой ТГА будет кодировать селеноцистеин. Теперь же стало понятно, что это не совсем так: «нечитаемый» элемент не только должен присутствовать, но и в таком контексте, что он должен быть доступен рибосоме. Теперь мы можем проверить, в каких положениях селеноцистеин может встраиваться, а в каких - нет.
Это может изменить понимание метаболизма селена, а так же связанных с этим нарушений. Например, некоторые мутации, не затрагивающие кодирующую последовательность, могут сказываться на взаимодействии РНК с рибосомой, и следовательно - на включении селеноцистеина. В некотором смысле это не только новое направление в поиске врожденных причин заболеваний, связанных с нарушением обмена селена, но и возможное направление для лечения.
А вторая идея?
Вторая вещь - совсем на будущее. Можно, используя механизм, созданный природой для селеноцистеина, пытаться встраивать в белки какую-либо другую аминокислоту. Теперь нам известен механизм этого явления, и вместо селеноцистеина можем попытаться встроить, например, фосфосерин.
Через фосфосерин идёт регуляция работы многих белков - в том числе, в клетках злокачественных опухолей. Чтобы повлиять на этот сигнальный путь, необходимо встроить фосфосерин в конкретное место в белке. Вопрос - как это сделать.
Возможное решение - селеноцистеин.
Он отличается от фосфосерина всего «на один шаг», то есть непосредственно образуется из него под действием единственного фермента. Так что можно попробовать сделать так, чтобы селероцистеин синтезировался «не до конца», и мы бы встраивали фосфосерин.
+++###5###
Вы руководили этой работой. А какой был вклад других учёных?
Антон Туранов своими руками получил почти все экспериментальные результаты, поэтому он первый автор в статье. Он учился в Ижевске и Пущино, а диссертацию защищал здесь, в Небраске.
Алексей Лобанов отвечал за всю биоинформатическую часть. Чтобы оперировать геномными последовательностями, нам пришлось использовать суперкомпьютер. Алексей закончил Физфак МГУ и защитился в Пущино.
Дмитрий Фоменко тоже работал над компьютерным анализом. Он защитился в Институте молекулярной генетики в Москве, а недавно, после работы в моей лаборатории, создал свою группу, тоже в Университете Небраски.
Все они - талантливые специалисты с множеством публикаций в ведущих журналах.
Также среди авторов Дольф Хэтфилд из Национального института здравоохранения. Наши две лаборатории очень близко сотрудничают, у нас с ними более 70 совместных публикаций. Хотя одного из авторов, Лоуренса Клобутчера, специалиста по Euplotes, я лично пока не встретил, сотрудничество с ним было очень плодотворным.
Большая часть вашего коллектива - россияне?
Хотя эта работа сделана в Америке, но получается, что все основные авторы - россияне. Антон Туранов, Алексей Лобанов и Дмитрий Фоменко. Первые три автора в статье - Антон Туранов, Алексей Лобанов и Дмитрий Фоменко, да и я тоже - граждане России, хотя работаем в Америке. Вообще, половина сотрудников моей лаборатории говорит по-русски. И в целом, интернациональна. Кроме России, в ней учёные из Украины, Белоруссии, Кореи, Китая, Италии, Индии, Японии и Турции.
Почему не получается делать такие же работы в России?
Это проблема российской науки, которая, объективно говоря, отстала.
Плюс самоизоляция. И хотя мнений как с этой хронической проблемой справиться, в избытке, результата пока нет.
А у Вас есть предложения?
Несмотря на то, что я регулярно встречаюсь с российскими коллегами и бываю в России каждый год, не могу сказать, что знаю ситуацию изнутри достаточно хорошо. Так что скорее это взгляд со стороны.
Как мне кажется - нужно хорошо финансировать небольшое количество ключевых учёных, успешно работающих в России, и продвигать молодых. Нужно также возвращать тех, кто уехал за границу. Из-за отсутствия ресурсов и реальной возможности многие из тех, кто работал в России, отстали. Чтобы их вернуть на уровень нужны кадры, которые сами соответствуют уровню современной науки. Нужно возвращать тех, кто на Западе крутился «на острие», даже аспирантов и тех, кто только защитил диссертацию, давать им возможность создавать независимые группы с финансированием по западным стандартам.
Но и спрашивать так, как спрашивается здесь, скажем, публиковать, в основном, на уровне солидных журналов - PNAS, JBC.
Пусть таких групп будет немного, но постепенно ситуация будет меняться. А так получается такое количество групп, что каждой группе в отдельности слишком мало ресурсов, чтобы конкурировать с лабораториями за границей. Деньги растворяются, а результатов работы нет.
Наука - это узнавание чего-то совсем нового. Её надо делать или на мировом уровне, или не делать вообще.
Беседовал Пётр Баранов
+++