Επιστήμονες ανακάλυψαν κατά λάθος DNA που αψηφά τους κανόνες της ζωής

Ο Δρ. Τζέιμι ΜακΓκόουαν, μεταδιδακτορικός επιστήμονας στο Ινστιτούτο Earlham, μελετούσε το γονιδίωμα ενός πρωτόζωου που συλλέχθηκε από γλυκό νερό. Ο σκοπός ήταν πρακτικός. Οι ερευνητές ήθελαν να δοκιμάσουν μια γραμμή αλληλούχισης DNA που θα μπορούσε να λειτουργήσει με εξαιρετικά μικρές ποσότητες DNA, συμπεριλαμβανομένου του DNA από ένα μόνο κύτταρο.

Αντ’ αυτού, η ομάδα βρήκε ένα απροσδόκητο γενετικό ακραίο σημείο. Ο οργανισμός, που αναγνωρίστηκε ως Oligohymenophorea sp. PL0344, αποδείχθηκε ένα άγνωστο μέχρι τότε είδος με μια σπάνια αλλαγή στον τρόπο που διαβάζει τις οδηγίες του DNA και χτίζει πρωτεΐνες. Η μελέτη στο PLOS Genetics ανέφερε ότι δύο κωδώνια που συνήθως συνδέονται με σήματα διακοπής γονιδίων είχαν επαναπροσδιοριστεί σε διαφορετικά αμινοξέα, ένας συνδυασμός που οι ερευνητές περιέγραψαν ως άγνωστο μέχρι πρότινος.

“Είναι καθαρή τύχη που επιλέξαμε αυτό το πρωτόζωο για να δοκιμάσουμε τη γραμμή αλληλούχισης μας, και απλώς δείχνει τι υπάρχει εκεί έξω, αναδεικνύοντας πόσο λίγα γνωρίζουμε για τη γενετική των πρωτόζωων.”

Ένας μικροσκοπικός οργανισμός με μια μεγάλη γενετική έκπληξη

Τα πρωτόζωα είναι δύσκολο να οριστούν με ακρίβεια επειδή είναι τόσο διαφορετικά. Πολλά είναι μικροσκοπικοί, μονοκύτταροι οργανισμοί, όπως αμοιβάδες, φύκια και διάτομοι. Άλλα είναι πολύ μεγαλύτερα και πολυκύτταρα, όπως τα φύκια, οι μύκητες και τα κόκκινα φύκια.

“Ο ορισμός ενός πρωτόζωου είναι χαλαρός – ουσιαστικά είναι κάθε ευκαρυωτικός οργανισμός που δεν είναι ζώο, φυτό ή μύκητας,” δήλωσε ο Δρ. ΜακΓκόουαν. “Αυτό είναι προφανώς πολύ γενικό, και αυτό συμβαίνει επειδή τα πρωτόζωα είναι μια εξαιρετικά μεταβλητή ομάδα.

“Κάποια είναι πιο στενά συγγενή με τα ζώα, κάποια πιο στενά συγγενή με τα φυτά. Υπάρχουν κυνηγοί και θηράματα, παράσιτα και ξενιστές, κολυμβητές και καθήμενοι, και υπάρχουν αυτά με ποικίλες διατροφές, ενώ άλλα φωτοσυνθέτουν. Βασικά, μπορούμε να κάνουμε πολύ λίγες γενικεύσεις.”

Το Oligohymenophorea sp. PL0344 ανήκει σε μια ομάδα που ονομάζεται κροσσωτά. Αυτά τα κολυμβητικά πρωτόζωα μπορούν να φανούν κάτω από μικροσκόπιο και βρίσκονται σε πολλά υδάτινα περιβάλλοντα. Τα κροσσωτά έχουν γίνει ιδιαίτερα ενδιαφέροντα για τους γενετιστές επειδή είναι γνωστοί πυρήνες για αλλαγές στον γενετικό κώδικα, συμπεριλαμβανομένων αλλαγών που αφορούν κωδώνια διακοπής.

Όταν οι γενετικές πινακίδες διακοπής αλλάζουν νόημα

Στα περισσότερα ζωντανά όντα, τρία κωδώνια διακοπής λένε στο κύτταρο πού τελειώνει ένα γονίδιο: TAA, TAG, και TGA. Αυτά λειτουργούν σαν σημεία στίξης στις γενετικές οδηγίες, σηματοδοτώντας ότι η κατασκευή πρωτεϊνών πρέπει να σταματήσει.

Ο γενετικός κώδικας συνήθως περιγράφεται ως σχεδόν παγκόσμιος επειδή τα περισσότερα όντα χρησιμοποιούν τους ίδιους βασικούς κανόνες. Παραλλαγές συμβαίνουν, αλλά είναι σπάνιες. Στον μικρό αριθμό γνωστών παραλλαγών του γενετικού κώδικα, τα TAA και TAG συνήθως αλλάζουν μαζί και συνήθως καταλήγουν να σημαίνουν το ίδιο πράγμα. Αυτό το μοτίβο πρότεινε ότι τα δύο κωδώνια ήταν εξελικτικά συνδεδεμένα.

“Σχεδόν σε κάθε άλλη περίπτωση που γνωρίζουμε, τα TAA και TAG αλλάζουν μαζί,” εξήγησε ο Δρ. ΜακΓκόουαν. “Όταν δεν είναι κωδώνια διακοπής, καθένα προσδιορίζει το ίδιο αμινοξύ.”

Αυτός ο οργανισμός έκανε κάτι διαφορετικό. Στο Oligohymenophorea sp. PL0344, μόνο το TGA φαίνεται να λειτουργεί ως κωδώνιο διακοπής. Τα άλλα δύο σήματα έχουν επαναχρησιμοποιηθεί. Το TAA προσδιορίζει λυσίνη, ενώ το TAG προσδιορίζει γλουταμινικό οξύ. Οι ερευνητές βρήκαν επίσης περισσότερα κωδώνια TGA από το αναμενόμενο, κάτι που μπορεί να βοηθήσει στην αντιστάθμιση της απώλειας των άλλων δύο σημάτων διακοπής. Η εργασία στο PLOS Genetics ανέφερε ότι το εναπομείναν κωδώνιο διακοπής UGA είναι εμπλουτισμένο ακριβώς μετά τις κωδικοποιητικές περιοχές, υποδηλώνοντας ότι μπορεί να βοηθήσει στην πρόληψη επιβλαβούς συνεχούς μετάφρασης όταν αυτή συνεχίζεται υπερβολικά.[…]

“Αυτό είναι εξαιρετικά ασυνήθιστο,” είπε ο Δρ. ΜακΓκόουαν. “Δεν γνωρίζουμε καμία άλλη περίπτωση όπου αυτά τα κωδώνια διακοπής συνδέονται με δύο διαφορετικά αμινοξέα. Αψηφά μερικούς από τους κανόνες που πιστεύαμε ότι γνωρίζαμε για τη μετάφραση γονιδίων – αυτά τα δύο κωδώνια πιστεύονταν ότι ήταν συζευγμένα.

“Οι επιστήμονες προσπαθούν να δημιουργήσουν νέους γενετικούς κώδικες – αλλά υπάρχουν επίσης στη φύση. Υπάρχουν συναρπαστικά πράγματα που μπορούμε να βρούμε, αν τα ψάξουμε.

“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 οδηγιών, αλλά οι οδηγίες πρέπει να αντιγραφούν και να ερμηνευτούν πριν από το αποτέλεσμα. Πρώτον, ένα γονίδιο μεταγράφεται σε RNA. Αυτό το αντίγραφο RNA στη συνέχεια μεταφράζεται σε αμινοξέα, τα οποία συνδέονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν πρωτεΐνες και άλλα λειτουργικά μόρια.

Η μετάφραση αρχίζει στο κωδώνιο έναρξης του DNA (ATG) και κανονικά τελειώνει σε ένα κωδώνιο διακοπής (κανονικά TAA, TAG, ή TGA). Σε αυτό το κροσσωτό, αυτό το οικείο σύστημα λήξης έχει αναδιαταχθεί. Η ανακάλυψη δείχνει ότι ακόμη και ένα από τα πιο συντηρητικά συστήματα της βιολογίας μπορεί να είναι πιο ευέλικτο από το αναμενόμενο.

Η ανάλυση γονιδιώματος και μεταγλωττίδας της ομάδας αναγνώρισε επίσης γονίδια tRNA καταστολέα που αντιστοιχούν στα επαναπροσδιορισμένα κωδώνια, υποστηρίζοντας το συμπέρασμα ότι ο οργανισμός διαβάζει πραγματικά αυτά τα πρώην σήματα διακοπής ως αμινοξέα. Στη μελέτη, διαπιστώθηκε ότι το UAA κωδικοποιεί λυσίνη και το UAG γλουταμινικό οξύ.

Μεταγενέστερη εργασία δείχνει ότι τα κροσσωτά είναι γενετικοί παραβάτες κανόνων

Η επακόλουθη εργασία ενίσχυσε την ιδέα ότι τα κροσσωτά είναι ασυνήθιστα πλούσιες πηγές γενετικών εκπλήξεων. Σε μια μελέτη του PLOS Genetics του 2024, οι ερευνητές ανέφεραν πολλαπλούς ανεξάρτητους επαναπροσδιορισμούς του κωδωνίου διακοπής UAG σε κροσσωτά phyllopharyngean. Ορισμένα ακαλλιέργητα κροσσωτά από το σύνολο δεδομένων TARA Oceans φαίνεται να χρησιμοποιούν UAG για να κωδικοποιήσουν λευκίνη, ενώ τα Hartmannula sinica και Trochilia petrani βρέθηκαν να χρησιμοποιούν UAG για να κωδικοποιήσουν γλουταμίνη.

Αυτή η μεταγενέστερη μελέτη βρήκε επίσης ότι το UAA παραμένει το προτιμώμενο κωδώνιο διακοπής σε αυτά τα κροσσωτά phyllopharyngean, ενώ το UAG έχει επανειλημμένα μετατοπιστεί σε ρόλο κωδικοποίησης πρωτεΐνης. Τα ευρήματα υποδεικνύουν επαναλαμβανόμενες αλλαγές στον γενετικό κώδικα σε ανεπαρκώς μελετημένους μικροβιακούς ευκαρυώτες και ενισχύουν την ιδέα ότι τα κροσσωτά είναι από τις ισχυρότερες εξαιρέσεις στον τυπικό γενετικό κώδικα.

Μαζί, αυτές οι ανακαλύψεις υποδηλώνουν ότι ο γενετικός κώδικας δεν είναι τόσο σταθερός όσο φαινόταν παλιά. Για τους περισσότερους οργανισμούς, οι κανόνες παραμένουν εκπληκτικά σταθεροί. Αλλά στην παραμελημένη μικροβιακή ζωή, ιδιαίτερα στα κροσσωτά, η εξέλιξη έχει βρει επανειλημμένα τρόπους να επεξεργαστεί τις οδηγίες.

Χρηματοδότηση και Δημοσίευση

Η αρχική έρευνα δημοσιεύτηκε στο PLOS Genetics το 2023. Χρηματοδοτήθηκε από το Wellcome Trust ως μέρος του Darwin Tree of Life Project και υποστηρίχθηκε από την βασική χρηματοδότηση του Earlham Institute από το Biotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC), μέρος του UKRI. Η δημοσίευση ανέφερε δεδομένα αλληλούχισης και πόρους συναρμολόγησης γονιδιώματος που κατατέθηκαν σε δημόσια αποθετήρια.