Основной процесс синтеза белков одинаков для всего живого: рибосомы считывают инструкции с матричной РНК (мРНК) и собирают молекулы. Важнейшую роль в этом играют цепочки рибосомной РНК (рРНК). До сих пор считалось, что ключевые участки рРНК абсолютно идентичны у всех видов.
Осьминоги синтезируют практически безупречные белки и могут научить этому людей
Ученые обнаружили у мелководных осьминогов уникальную мутацию, которая позволяет их клеткам синтезировать белки с беспрецедентной точностью. Это открытие не только объясняет невероятную эволюционную живучесть головоногих, но и может полностью изменить современные подходы в биоинженерии и терапии.
Калифорнийский двухпятнистый осьминог (Octopus bimaculoides) имеет характерные синие «глазкообразные» пятна по обеим сторонам головы. Roy Caldwell/UC Berkeley. https://www.eurekalert.org/multimedia/864518
Мастера генетического редактирования. В отличие от человека, который жестко следует инструкциям своей ДНК, осьминоги и их ближайшие родственники способны масштабно переписывать генетическую информацию «на лету». Этот процесс называется редактированием РНК. Он позволяет моллюскам мгновенно менять свойства белков, адаптируя нервную систему к изменениям температуры воды или глубины, без внесения долгосрочных мутаций в саму ДНК. Такое оперативное вмешательство делает РНК нестабильной, но благодаря сверхточным рибосомам осьминоги застрахованы от фатальных ошибок сборки.
Но биологи из Гарвардского университета заметили странную аномалию у осьминога вида Octopus bimaculoides (Калифорнийский двухпятнистый осьминог). Исследования показали, что у этих моллюсков единая нить рРНК разделена на два отдельных фрагмента из-за генетического изменения. Этот разрыв происходит в самом сердце рибосомы — там, где генетический код сопоставляется с аминокислотами.
тРНК, на которой закреплена аминокислота, в ходе трансляции попадает в рибосому и сопоставляется с соответствующим триплетом мРНК. Затем рибосома присоединяет аминокислоту к растущей белковой цепи.
Продолжение ниже
Видео
Продолжение
Эксперименты с бактериями E. coli, в геном которых встроили мутацию осьминога, показали, что точность сборки белков выросла, а количество ошибок при синтезе сократилось на 50%. Платой за безупречное качество стало лишь небольшое замедление скорости работы рибосомы. Такой механизм сводит к минимуму появление дефектных белков, способных слипаться в опасные токсичные конгломераты. Работа размещена на сайте biorxiv.
Эволюционный прорыв на мелководье
Молодой калифорнийский двухпятнистый осьминог, сфотографированный в аквариуме на пирсе Санта-Моники.
Уникальная структура рибосомы помогает осьминогам безошибочно обрабатывать мРНК после предварительного редактирования «на лету». Головоногие редактируют свой генетический код гораздо активнее других организмов, что помогает им приспосабливаться, например, к ледяной воде, но процесс редактирования повышает риск деформации белков.
Обычные рибосомы млекопитающих часто «спотыкаются» на измененных цепочках РНК, но рибосомы осьминогов легко справляются с этой задачей. Анализ показал, что подобная мутация есть у 15 видов мелководных осьминогов, но полностью отсутствует у 12 глубоководных видов.
Вероятно, эволюционный раскол произошел около 100 миллионов лет назад, когда часть видов ушла на мелководье — в среду с жесткой конкуренцией и обилием хищников. Новые условия потребовали сложного поведения и быстрого роста мозга. По мнению исследователей, защита от накопления токсичных белков могла стать решающим фактором, позволившим усложняющейся нервной системе моллюсков развиваться и бесперебойно работать в экстремальной среде.
Соавтор исследования, биолог Эми Ли, указывает на широкие перспективы открытия: «Способность повышать точность создания белка может иметь серьезное значение для биоинженерии. Новые результаты показывают, что можно внести незначительные изменения в рибосому и настроить трансляцию так, как вам нужно».
Загружаем