Люди и многие другие животные используют два генетических кода для трансляции наследственной информации — стандартный код для белков, закодированных в клеточном ядре, и более «современный» вариант кода для трансляции митохондриального генома. Несмотря на первостепенное значение генетического кода в биологии, причины существования альтернативного кода в митохондриях оставались загадочными с момента его открытия в 1979 году. Различные гипотезы, касающиеся причин возникновения изменений в генетическом коде, отдавали предпочтение нейтральным эволюционным механизмам, поскольку принцип кодирования аминокислот не должен был меняться. Считалось, что любое изменение «смысла» отдельного кодона приведет к ошибкам в каждом транслируемом белке, что не может не иметь пагубных последствий для клетки. Адаптивное преимущество подобных изменений ставилось под сомнение. Согласно гипотезе «захвата кодона», GC-богатые кодоны могут исчезать из генома в результате изменения общего содержания нуклеотидных остатков G и C. (Известно, что геномы различных организмов могут существенно отличатся по этому параметру: сравните, например, АТ-богатый (75%) геном Micoplasma capricolum и GC-богатый (74%) геном Micrococcus luteus.) Как только кодон исчезает из генома организма, он теоретически может появиться снова в результате дрейфа генов. Такой кодон может быть «захвачен» путём неверного прочтения какой-нибудь тРНК из другой семьи кодонов. Таким образом, перекодировка кодона происходит абсолютно нейтрально и без появления «нездоровых» белков.

Вопреки гипотезе «захвата кодона», гипотеза «двусмысленного прочтения» предлагает механизм, не являющийся нейтральным. Согласно этой гипотезе, мутации в тРНК приводят к тому, что считывание кодона осуществляется двумя различными тРНК — обычной и мутантной, — «заряженными» различными аминокислотами, но узнающими один и тот же кодон. Такая двусмысленность в прочтении кодона является критическим начальным этапом в процессе последовательного перекодирования кодона. Затем мутантная тРНК постепенно займёт место обычной, которая будет утеряна в результате случайных мутаций. Изменение GC-содержания не играет при таком сценарии определяющей роли, и весь процесс определяется полезностью изменений на уровне синтезируемых белков, другими словами — появлением или отсутствием адаптаций.

В статье, опубликованной группой исследователей из Университета Иоганна Гутенберга в Майнце, впервые показано, что причиной переопределения кодона AUA с кодирующего изолейцин на кодирующий метионин (что и наблюдается в митохондриях многих организмов) являются значительные и благоприятные в эволюционном плане изменения на уровне кодируемых белков.

Митохондрии — это «энергетические станции» клеток, перерабатывающие химическую энергию, выделяемую при окислении питательных веществ, и запасающие её в виде энергии ковалентных связей в молекуле аденозинтрифосфата (АТФ). Электрон-транспортная цепь, представляющая собой набор белков-ферментов, расположенных во внутренней мембране митохондрий, является ключевым узлом, производящим АТФ. Несмотря на то, что этот узел является жизненно важным, в качестве побочных продуктов он производит активные формы кислорода (сокращённо АФК), способные инициировать распространение свободных радикалов, повреждающих клетку, вызывающих болезни и, возможно, являющихся одной из причин старения. Поэтому митохондрии выработали различные механизмы защиты, препятствующие появлению АФК и распространению свободных радикалов.

Авторы статьи убедительно продемонстрировали, что переопределение кодона (с изолейцина на метионин) в митохондриях организмов, активно использующих аэробное дыхание (например, пчёл, но не «мало дышащих» иглокожих), привело к значительному накоплению легко окисляемых аминокислотных остатков метионина в белках, находящихся в богатой окислителями внутренней мембране митохондрий. Этот видимый парадокс легко разрешается, если принять во внимание антиокислительные свойства метионина. В своей работе учёные представили экспериментальные доказательства того, что присутствие метионина в качестве антиоксиданта во внутренней мембране создаёт дополнительный барьер для разрушительного влияния АФК. Метионин является природным, отобранным в процессе эволюции, антиоксидантом, необходимым для функционирования электрон-транспортной цепи митохондрий и защищающий их от окислительного стресса.

Таким образом, коллективное изменение последовательностей белков в результате переопределения кодона может предоставлять преимущество в процессе естественного отбора, что подтверждает гипотезу «двусмысленного кодирования», объясняющую эволюцию генетического кода. Другими словами, окислительный стресс сформировал митохондриальный генетический код.

Литература

1. A. Bender, P. Hajieva, B. Moosmann. (2008). Adaptive antioxidant methionine accumulation in respiratory chain complexes explains the use of a deviant genetic code in mitochondria. Proceedings of the National Academy of Sciences. 105, 16496-16501;
2. Manuel A.S Santos, Gabriela Moura, Steven E Massey, Mick F Tuite. (2004). Driving change: the evolution of alternative genetic codes. Trends in Genetics. 20, 95-102.