Стоп-кодоны UAA и UAG нового вида инфузории кодируют разные аминокислоты

Генетический код — одна из самых консервативных черт всего живого. Это отражает его древность: считается, что генетический код возник даже раньше, чем LUCA (last universal common ancestor). В то же время вариации генетического кода встречаются у некоторых бактерий, вирусов, органелл эукариот, а особенно часто — у протистов из группы инфузорий (ресничных).

Авторы статьи в PLOS Genetics описали еще один такой случай у обнаруженного ими нового вида инфузорий Oligohymenophorea sp. PL0344, который относится к обширному классу Oligohymenophorea. Этот протист представляет собой свободноживущую инфузорию, которую обнаружили в воде пруда в парке Оксфордского университета. Получить устойчивую лабораторную культуру Oligohymenophorea sp. PL0344 не удалось, так что для изучения его генома и транскриптома авторы использовали метод секвенирования одиночных клеток, подходящий для работы с самыми малыми количествами нуклеиновых кислот.

Небольшую популяцию инфузорий (5–50 клеток) распределяли по планшетам с помощью активируемого флуоресценцией клеточного сортинга (fluorescence-activated cell sorting, FACS). Далее проводили параллельное секвенирование генома и транскриптома.

Для ресничных протистов характерен ядерный диморфизм, то есть наличие двух разных ядер в одной клетке — микронуклеуса и макронуклеуса. Микронуклеусы содержат в себе диплоидный геном зародышевой линии — такими ядрами инфузории обмениваются в ходе полового процесса. В то же время макронуклеус хранит в себе соматический геном, который сегментирован на хромосомы и имеет высокий уровень плоидности (до десятков тысяч копий).

Авторы изучили геном ядер, а также митохондриальную ДНК Oligohymenophorea sp. PL0344. После экспертной обработки и удаления чужеродных последовательностей оказалось, что размер генома макронуклеуса равен 69,7 миллионам пар оснований. При этом 89% прочтений РНК-секвенирования были картирована на этот геном. Доля оснований G и С мала и составляет 30,6% — примерно столько же, сколько у других ресничных. Геном митохондрий Oligohymenophorea sp. PL0344 насчитывает всего 35,6 тысяч пар оснований при еще более низком GC-составе — 25%.

Исследователи сразу подметили, что многие кодирующие области генов новой инфузории содержат в себе UAA и UAG — кодоны, которые обычно обрывают трансляцию. Выходит, в геноме Oligohymenophorea sp. PL0344 они изменили смысл и теперь кодируют аминокислоты. Всего описано 58 генов, кодирующие области которых содержат 87 кодонов UAA в консервативных положениях. Из этих кодонов 74 соответствуют остаткам лизина в белковой последовательности, 9 — аргинину.

В 46 генах обнаружили кодоны UAG — их в общей сложности 63. Среди них 56 соответствуют консервативным остаткам глутаминовой кислоты, 4 — аспарагиновой кислоты. При этом в 27 генах оказались оба сменивших смысл стоп-кодона — UAA и UAG.

Далее авторы аннотировали 320 генов, кодирующих тРНК, среди которых 15, предположительно, являются псевдогенами. В тоже время 23 из них — это супрессорные тРНК, что дополнительно подтверждает изменения генетического кода у нового вида.

Кодоны UGA существенно чаще встречаются в 3’-некодирующих областях генов, что говорит о давлении отбора, которое способствовало закреплению тандемных стоп-кодонов. Такие регуляторные области ДНК уменьшают опасные последствия сквозного прочтения при трансляции.

Авторы подчеркивают, что такое переопределение смысла стоп-кодонов описано впервые. Более того, это первый известный случай, когда кодоны UAA и UAG кодируют не одну и ту же, а разные аминокислоты.

Наконец, в статье также установлены филогенетические связи нового вида инфузорий. Методы молекулярной эволюции позволили уверенно поместить Oligohymenophorea sp. PL0344 в порядок Loxocephalida и подкласс Scuticociliatia. Ближайшим родственниками нового вида являются обладатели пяти ранее секвенированных геномов, включая Cinetochilum margaritaceum.

Любопытно, что последовательность генома Oligohymenophorea sp. PL0344 на 99,81% совпадает с одной из последовательностей экологической ДНК, которую ранее обнаружили во Франции.

Патогенный протист секретирует метаболит триптофана и активирует провоспалительные T-клетки в кишечнике