Ученые случайно обнаружили генетический код, который нарушает правила жизни.
Обычный эксперимент с микроскопическим организмом из пресного пруда привел ученых к необычному генетическому открытию. Этот крошечный организм оказался способным «читать» инструкции ДНК иным способом, чем было задокументировано ранее, что ставит под сомнение давнее предположение о том, как работает генетический код.
Сюрприз произошел, когда исследователи изучили ранее неизвестный протист, названный Oligohymenophorea sp. PL0344. Две генетические сигналы, которые обычно приказывают клеткам прекращать синтез белков, в этом случае приобрели совершенно другие функции. Более того, эти сигналы были перераспределены на две разные аминокислоты, нарушив закономерность, которую ученые считали тесно связанной в ходе эволюции.
Открытие, опубликованное в PLOS Genetics в октябре 2023 года, выявило неожиданную гибкость в одной из самых фундаментальных биологических систем жизни. Последующие исследования обнаружили дополнительные варианты генетического кода у родственных микроорганизмов, что позволяет предположить, что в микромире могут скрываться и другие сюрпризы.
Случайное генетическое открытие в пруду
Доктор Джейми Макгоуэн, тогда постдоктор в Earlham Institute, сделал это открытие, изучая протиста, собранного в пруду в Oxford University Parks в Англии.
Проект изначально был нацелен на проверку метода секвенирования ДНК, способного анализировать чрезвычайно малые количества генетического материала, потенциально от одной клетки. Макгоуэн работал вместе с учеными из Earlham Institute и группой под руководством профессора Томаса Ричардса из Оксфордского университета.
Исследователи не ставили целью изучение эволюции генетического кода — они стремились улучшить инструменты для изучения организмов, которые трудно культивировать и анализировать в лабораториях.
Но при сборке и анализе генома этого организма они заметили нечто неожиданное. Протист относился к ранее не опознанному виду, и его генетические инструкции, по-видимому, работали по необычным правилам.
Доктор Макгоуэн сказал: «Нам невероятно повезло, что мы выбрали именно этого протиста для проверки нашего секвенирующего пайплайна, и это показывает, сколько всего скрывается, подчеркивая, насколько мало мы знаем о генетике протистов».
Что такое протисты и почему они так необычны?
Протисты — одна из самых разнообразных и наименее изученных групп организмов на Земле. Многие из них состоят всего из одной клетки и слишком малы, чтобы быть видимыми невооруженным глазом. Среди знакомых примеров — амебы, разные водоросли и диатомовые водоросли, часто встречающиеся в водной среде.
Однако не все протисты крошечные. Крупную и сложную морфологию могут иметь такие представители, как ламинария, слизевики и красные водоросли.
Группа настолько разнообразна, что ученые обычно определяют её членов отрицательно — как эукариотов, не относящихся к животным, растениям или грибам.
«Определение протиста расплывчато — по сути это любой эукариот, который не является животным, растением или грибом, — сказал доктор Макгоуэн. — Это очевидно очень общее, потому что протисты — чрезвычайно изменчивая группа. Некоторые ближе к животным, некоторые ближе к растениям. Есть хищники и жертвы, паразиты и хозяева, плавающие и сидячие формы, есть те, кто питается разными способами, и те, кто фотосинтезирует. В общем, мы можем сделать очень мало обобщений».
Эукариоты — это организмы, клетки которых содержат ядро, специализированный отсек для хранения основной части генетического материала. Люди, другие животные, растения, грибы и протисты — все они относятся к этой широкой категории.
Организм, ставший центром открытия, принадлежит к группе протистов, называемым инфузориями (ciliates). Эти организмы обычно используют крошечные волосковидные структуры — реснички (cilia), которые координированно движутся, чтобы перемещать их в воде.
Инфузории широко распространены в пресных и морских водах. Они интересны генетикам тем, что у некоторых из них развились необычные способы интерпретации генетических инструкций.
Как генетический код подсказывает клетке, когда остановиться
Чтобы понять неожиданность открытия, полезно представлять, как клетки переводят генетическую информацию в белки.
ДНК действует как руководство, хранящее информацию, необходимую клеткам для построения и поддержания своих структур. Но эти инструкции нужно перевести в молекулы, прежде чем они смогут выполнять биологические функции.
Процесс начинается с того, что участок ДНК переписывается в матричную РНК (мРНК), молекулу, которая несет инструкции к рибосомам — белковосинтезирующим машинам клетки.
Рибосома читает последовательность РНК по три буквы за раз. Каждая триплета называется кодоном, и большинство кодонов соответствуют одной из аминокислот, строительных блоков белков.
Соединяясь, аминокислоты образуют цепь, которая затем сворачивается в трехмерную структуру. Получившийся белок может функционировать как фермент, обеспечивать структурную поддержку, транспортировать молекулы или выполнять множество других клеточных задач.
В нотации ДНК белокогенная последовательность обычно начинается со старт-кодона (ATG) и заканчивается стоп-кодоном (обычно TAA, TAG или TGA).
Эти стоп-кодоны служат своего рода пунктуацией: они сообщают рибосоме, что инструкция для данного белка закончена, и следует освободить завершенную цепь.
При переписывании в РНК буква T заменяется на U, поэтому соответствующие стоп-кодоны в РНК записываются как UAA, UAG и UGA.
Во многих формах жизни эти сигналы сохраняли одинаковые базовые функции в течение чрезвычайно долгого эволюционного времени.
Тем не менее природа иногда находит способы обойти обычные правила.
Ученые нашли два стоп-сигнала с разными значениями
Исследователям было известно уже десятилетия, что некоторые организмы используют измененные версии генетического кода. Такие варианты редки в масштабах всей жизни, но у инфузорий они встречаются относительно часто.
У некоторых инфузорий стоп-кодоны эволюционировали в кодоны, обозначающие аминокислоты, а не прекращающие синтез белка.
До недавнего времени один паттерн казался особенно последовательным. Два обычных стоп-кодона, TAA и TAG, почти всегда сохраняли одинаковое значение. Когда их функции изменялись, оба обычно начинали кодировать одну и ту же аминокислоту.
Это наталкивало на мысль, что эти два сигнала вынуждены эволюционировать согласованно.
«Практически во всех известных нам случаях TAA и TAG меняются совместно, — объяснил доктор Макгоуэн. — Когда они перестают быть стоп-кодонами, они обе кодируют одну и ту же аминокислоту».
Геном Oligohymenophorea sp. PL0344 поведал другую историю.
Вместо того чтобы функционировать как стоп-сигналы, TAA и TAG, по-видимому, кодировали совершенно разные аминокислоты. TAA соответствовал лизину, а TAG — глутаминовой кислоте.
Обе аминокислоты — обычные компоненты белков, но они имеют разные химические свойства и биологические роли.
Тем временем TGA остался единственным обычным стоп-кодоном у этого организма.
Это открытие стало первым зарегистрированным примером генетического кода, в котором TAA и TAG были перепрограммированы 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 нарушает некоторые правила, которые мы думали знаем о трансляции генов — эти два кодона считались связанными».
Как этот микроскопический организм обеспечивает работу необычного кода
Дальнейшее исследование выявило подсказки о том, как протист справляется с необычными генетическими инструкциями.
Исследователи обнаружили специализированные гены транспортной РНК (тРНК), связанные с переназначенными кодонами. Молекулы тРНК действуют как переводчики при синтезе белков, helping сопоставить инструкции мРНК с правильными аминокислотами.
Наличие таких тРНК поддерживает вывод о том, что необычный генетический код действительно является характерной чертой организма, а не ошибкой секвенирования.
Команда также обнаружила необычно большое количество стоп-кодонов TGA в ДНК-участках сразу после участков, кодирующих белки.
Эти дополнительные стоп-сигналы могут действовать как запасной механизм. Если рибосома случайно продолжает чтение за предполагаемым концом белка, следующий стоп-кодон может помешать чрезмерному удлинению белка.
Такая защита может быть особенно полезна в организме, который полагается всего на один из трех обычных стоп-кодонов.
Хотя исследователи не смогли точно установить, как возник необычный код, результаты продемонстрировали, что аппарат, ответственный за трансляцию генетической информации, может быть гораздо более адаптивным, чем считалось ранее.
Последующие исследования выявили еще больше сюрпризов генетического кода
Первоначальное открытие также породило более широкий вопрос: сколько других микроорганизмов используют генетические коды, которые ученые пока не распознали?
В декабре 2024 года Макгоуэн и коллеги опубликовали дополнительные результаты в PLOS Genetics, показав, что необычные изменения генетического кода возникли независимо в нескольких других линиях инфузорий.
Команда исследовала генетические данные у группы инфузорий, известных как Phyllopharyngea, включая геномные данные, собранные в рамках проекта TARA Oceans, международного проекта по изучению морской жизни и её генетического разнообразия.
Их анализ выявил три ранее некультивируемых вида инфузорий, в которых UAG, обычно стоп-кодон, по-видимому, кодировал лейцин.
Эти организмы происходили из образцов, собранных в Арктическом и Южном океанах.
Исследователи также проанализировали существующие геномные наборы данных и обнаружили двух дополнительных инфузорий, Hartmannula sinica и Trochilia petrani, в которых UAG, по-видимому, кодировал глутамин.
Сравнение эволюционных данных свидетельствовало о том, что эти изменения возникли независимо, по крайней мере, в трех случаях.
Важно, что эти генетические коды не были идентичны необычной системе, обнаруженной в Oligohymenophorea sp. PL0344. У пяти инфузорий, рассмотренных в исследовании 2024 года, UAA оставался стоп-сигналом, тогда как UAG приобрел другое значение.
Тем не менее результаты добавили доказательств того, что два этих генетических сигнала не обязательно должны эволюционировать совместно.
Исходное открытие, таким образом, оказалось не единичным курьезом, а помогло прояснить более широкую картину гибкости генетического кода у инфузорий.
Ученые все еще открывают скрытое разнообразие протистов
Поиск неожиданной биологии в микроскопических организмах продолжился и помимо исследования генетического кода.
В марте 2026 года исследователи из Earlham Institute и Оксфордского университета сообщили о новом открытии, ставшем возможным благодаря методам секвенирования отдельных клеток.
Их работа, опубликованная в Microbial Genomics, изучала Bodo — группу распространенных протистов, встречающихся в пресной воде, в рассоле и в почве.
Анализ всего семи некультивируемых клеток позволил ученым выявить три ранее не распознанных эволюционных линии, каждая из которых была связана со своим собственным бактериальным партнером, живущим внутри организма.
Исследование не показало тех же изменений генетического кода, что и у PL0344. Вместо этого оно продемонстрировало, сколько биологического разнообразия может оставаться скрытым, когда исследователи в основном изучают организмы, которые легко выращивать в лабораториях.
Вместе с открытиями, связанными с генетическим кодом, эти результаты подчеркивают ценность изучения микроорганизмов, которым уделялось relativamente мало научного внимания.
Лучшие технологии секвенирования могут выявить дополнительные нетрадиционные генетические коды, неожиданные связи между организмами и ранее неизвестные способы функционирования клеток.
У природы может оставаться больше правил, которые можно нарушить
Для ученых необычные генетические коды представляют собой не просто биологические курьезы. Они дают возможность исследовать, почему генетический код так последователен у большинства форм жизни и как в ходе эволюции иногда меняются его фундаментальные инструкции.
Понимание этих естественных вариантов также может помочь в синтетической биологии, где исследователи пытаются модифицировать генетические коды, чтобы предоставить клеткам новые возможности или заставить их производить белки с необычными свойствами.
Однако эволюционные силы, ответственные за поразительное разнообразие генетических кодов среди инфузорий, остаются полностью не выясненными.
То, что началось как рутинный эксперимент по секвенированию, в конечном итоге показало, что даже некоторые из самых устоявшихся правил биологии имеют поразительные исключения.
«Ученые пытаются сконструировать новые генетические коды — но они уже существуют и в природе. Там есть удивительные вещи, которые мы можем найти, если будем искать их. Или, в данном случае, когда мы за ними не гоняемся».
Материалы предоставлены Earlham Institute. Примечание: содержание могло быть отредактировано для стиля и объема.
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
