Исследователи Сколтеха и их коллеги изучили более 30 тысяч вариантов генетических последовательностей, кодирующих два флуоресцентных белка, чтобы понять, какие характеристики мРНК и первого десятка кодонов в ней могут повышать эффективность процесса трансляции. Помимо прочего, они установили, что редкие кодоны в начале последовательности, по-видимому, не увеличивают эффективность трансляции, как предполагалось ранее. Исследование было опубликовано в журнале NucleicAcidsResearch.
Трансляция — один из фундаментальных процессов в клетке: на основе матричной РНК (полученной от ДНК в ходе транскрипции) рибосома строит цепочку аминокислот, которая затем сворачивается в белок, отправляющийся выполнять разнообразные жизненно важные функции. Каждая аминокислота кодируется кодоном, тройкой нуклеотидов в цепи мРНК. Всего на 20 аминокислот, которые соединяет рибосома, приходится 61 кодон, что означает, что некоторые кодоны синонимичны — они кодируют одну и ту же аминокислоту.
После десятилетий исследований ученые до сих пор до конца не уверены в том, что делает работу клеточного «белкового завода» более или менее эффективной. Например, есть свидетельства того, что некоторые вторичные структуры мРНК — как она уложена в пространстве в своем начале — могут мешать рибосоме связываться с ней и делать свою работу. Еще один возможный фактор — те самые синонимичные кодоны: предыдущие исследования указывали на то, что, возможно, статистически более редко используемые кодоны могут повышать эффективность трансляции, если они находятся в начале открытой рамки считывания. Эти кодоны замедляют движение рибосомы по мРНК в ее начале так, что дальше не возникают «очереди» из рибосом.
Это не праздные поиски: изучение эффективности трансляции поможет лучше понять экспрессию генов и повысить эффективность работы биотехнологических бактерий-«рабочих лошадок», производящих нужные белки. Поэтому Илья Остерман и Зоя Червонцева из групп Петра Сергиева, Ольги Донцовой и Михаила Гельфанда в Сколтехе и МГУ имени М. В. Ломоносова и их коллеги решили провести своеобразное соревнование: они протестировали более 30 тысяч вариантов мРНК, кодирующей одни и те же белки, чтобы понять, какие варианты дадут более эффективную трансляцию. Исследователей интересовали кодоны с номерами от 2 до 11 (первый кодон — это всегда стартовый кодон ATG, подобно тому, как первые строки любой программы на некоторых языках программирования сообщают машине, что далее последует программный код).
Ученые использовали кишечную палочку Escherichiacoliи плазмиды — кольцевые ДНК, кодирующие так называемый двойной флуоресцентный репортер («дуэт» в этом случае — два флуоресцентных белка, красный RFP и голубой CER). Рандомизированные последовательности из 30 нуклеотидов вставлялись сразу после стартового кодона так, чтобы в мРНК они стали кодонами со второго по одиннадцатый. Вырастив бактерии и отсортировав их по тому, насколько эффективно у них получалось производить CERи RFP, ученые использовали метод flowseq, чтобы понять, какие последовательности обеспечили более эффективное производство белка.
«Flowseq — это сочетание проточной цитометрии (техники, при которой физические и химические характеристики клеток измеряются через рассеивание луча лазера) и секвенирования разделенных фракций. Этот метод позволяет оценивать эффективность синтеза белка для тысячи вариантов за один раз», — говорит Илья Остерман.
Выяснилось, что вторичная структура мРНК действительно может препятствовать трансляции, но ученым не удалось показать, что редкие кодоны в начале кодирующей белок последовательности влияют на трансляцию положительным образом. Однако они обнаружили, что дополнительные стартовые кодоны способствуют эффективной трансляции, а дополнительные последовательности Шайна-Дальгарно, которые «призывают» рибосому к мРНК, напротив, препятствуют ей.
Исследователи считают, что их результаты помогут разрабатывать более эффективные искусственные генные конструкты, которые можно использовать для превращения обычных бактерий вроде E. coliв мощные биотехнологические инструменты.
В числе других организаций, принимавших участие в исследовании, — Институт биоорганической химии имени академиков М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова, Институт химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН и Институт проблем передачи информации имени А.А. Харкевича.
