У архей обнаружен уникальный генетический код, где стоп-кодон TAG превращен в смысловой

Исследования последних лет показывают, что генетический код не так универсален, как считалось. Так, у бактерий и бактериофагов были выявлены альтернативные генетические коды, в которых стоп-кодоны TGA или TAG кодируют аминокислоту (TGA в этом случае кодирует селеноцистеин, Sec, а TAG — пирролизин, Pyl). Систему биосинтеза пирролизина кодируют гены pylB, pylC и pylD, а для его включения в белки необходимы фермент PylRS и тРНК, несущая антикодон CUA. У бактерий пирролизин обнаружен лишь в нескольких ферментах, а в остальных случаях TAG работает как стоп-кодон. Предполагается, что у архей эта аминокислота встречается в 11 основных группах, но экспериментально ее наличие подтверждено только в небольшом числе белков. 

Международная группа ученых совершила интересное открытие — их исследование показало, что пирролизин встречается во многих белках архей, и у некоторых видов TAG полностью меняет функцию, становясь смысловым кодоном. Иными словами, они описали ранее неизвестный «пирролизиновый код». Результаты работы опубликованы в Science. 
Для начала авторы описали эволюционное распределение архей, использующих пирролизиновый код (Pyl-архей). Оказалось, что большинство относятся к типам Halobacteriota (Methanosarcinia, Archaeoglobi и Methanonatronarchaeia) и Thermoplasmatota (Methanomassiliicocci), часть — к типам Asgardarcheota, Thermoproteota и Hydrothermarchaeota. При этом пирролизиновая машинерия распределена фрагментарно даже на уровне рода — она присутствует у одного вида или штамма, но уже не обнаруживается у ближайшего родственника. Несоответствие филогении самих архей и их генов Pyl-машинерии свидетельствует о горизонтальном переносе.

Поскольку TAG обычно служит стоп-кодоном, исследователи предположили, что появление у архей механизма включения пирролизина может приводить к ошибкам трансляции. Ранее считалось, что для распознавания TAG как кодона пирролизина требуется структура PYLIS, но анализ показал, что она почти нигде не встречается. Также нет данных о существовании других специальных сигналов, которые позволяли бы считывать TAG по-разному в зависимости от гена. При этом многие Pyl-археи имеют неожиданно высокую частоту использования кодона TAG (более 15%). 

Чтобы понять, как археи используют кодон TAG, исследователи повторно аннотировали геномы, рассматривая TAG как смысловой кодон, а затем разделили полученные гены на четыре категории: гены, в которых TAG — смысловой кодон; две группы случаев, когда невозможно определить, является ли TAG стоп-кодоном или смысловым; и гены, в которых TAG — настоящий стоп-кодон. Если в геноме много генов категории 1 и почти нет категории 4, это указывает на перекодирование TAG из стоп-кодона в смысловой. Такая ситуация встречалась у архей из девяти родов (Methanomethylophilus, Ca. Methanogranum, Ca. Methanoplasma, Methanimicrococcus, Methanosarcina, Methanohalobium, Methanohalophilus, Methanococcoides и JDFR-19). 

Авторы предсказали 1903 пирролизин-содержащих белка в геномах архей. Наибольшее количество — 191 — предсказано для некультивируемой археи JDFR-19. За исключением метиламинметилтрансфераз, функции белков, содержащих пирролизин, сильно различаются между кладами, и это позволяет предположить, что мутации, приводящие к включению пирролизина, не закрепляются. Это согласуется с его нейтральной ролью практически во всех белках и предполагает, что именно необходимость метаболизма метиламина привела к формированию пирролизинового кода.

Ученые отобрали для дальнейшего анализа два изолята архей из разных клад и сред обитания — Methanococcoides burtonii из антарктического озера и Methanomethylophilus alvi из кишечника человека. Они подтвердили, что TAG в их геноме считывается как смысловой кодон, кодирующий пирролизин (при этом не выявлено случаев, когда он кодировал бы другую аминокислоту). У M. burtonii пирролизин обнаружен в 27 из 39 предсказанных белков, у M. alvi — в 12 из 15. Белки были самые разные — ферменты метаболизма, и ДНК-связывающие белки, Cas; функция некоторых пока не описана. 

Также исследователи проверили, могут ли пары PylRS/тРНК^Pyl разных архей эффективно включать аналоги пирролизина (Pyl) в белки. Эксперимент проводили на клетках E. coli, выяснилось, что одна из восьми пар (выявленная у M. levihalophilus) эффективно встраивала неприродные α-аминокислоты и α-гидроксикислоты в белок GFP, содержащий внутренний кодон TAG. 

Авторы предположили, что у архей есть три стадии формирования пирролизинового кода. На первом этапе TAG остается стоп-кодоном почти во всех генах, кроме метиламинметилтрансфераз. На втором этапе количество TAG как стоп-кодонов уменьшается, и увеличивается количество внутренних смысловых TAG (это характерно для архей, живущих в средах, богатых метиламином, например, в соленых экосистемах или кишечнике животных). На последнем этапе TAG становится исключительно смысловым кодоном, и его встраивание в жизненно важные гены делает экспрессию пирролизиновой машинерии постоянной. 

Примечательно, что возврат от пирролизинового кода к исходному практически невозможен: использование TAG как стоп-кодона привело бы к потере метаболизма метиламина и обрыву жизненно важных генов. Это объясняет, почему пирролизиновый код возникал многократно и независимо — реконструкция эволюции указывает как минимум на пять отдельных переходов. Отсутствие закрепленного кода у бактерий, вероятно, связано с тем, что у них нет потребности утилизировать метиламин, как у метаногенных архей.

Бактерии MISO «дышат» твердым оксидом железа, окисляя сульфиды

Антимикробные пептиды архей не похожи на аналоги у животных и бактерий