Биологи приблизились к созданию полностью искусственных генов

Графики показывают зависимость частоты встречаемости кодона на уровень экспрессии белка, а также на уровень информационной РНК и ее продолжительность жизни.

Иллюстрация: Grégory Boël et al., Nature, 2016

Биологи разработали модель, позволяющую определить влияние синонимичных кодонов на синтез кодируемого белка. Результаты работы были опубликованы в журнале Nature.

Кодоном называется тройка нуклеотидов (триплет) в ДНК и информационной РНК, которая кодирует одну аминокислоту в белке. Так как число кодонов, кодирующих одну из двадцати аминокислот, составляет 61, часть аминокислот закодирована несколькими кодонами, называемыми синонимичными. 

Синонимичные кодоны могут по-разному влиять на уровень экспрессии белка, но выяснение, какой именно эффект будет оказывать определенный кодон, затрудняется тем, что триплеты также влияют на множество структурных особенностей информационной РНК. Все эти дополнительные факторы, в свою очередь, могут вносить различный вклад в эффективность процесса трансляции гена, и определить результирующий эффект становится очень трудно.  

Чтобы решить эту проблему, ученые создали модель, учитывающую широкий диапазон особенностей структуры РНК. Для этого был измерен уровень экспрессии белка у 6 348 генов, взятых у различных организмов (включая человека) и внедренных в клетки E.coli. У каждого исследуемого гена была измерена частота встречаемости всех синонимичных кодонов, а также определены структурные особенности соответствующей гену информационной РНК. С использованием методов регрессионного анализа и моделирования ученые смогли выяснить, как конкретные кодоны через дополнительные факторы будут влиять на эффективность трансляции РНК и синтеза белка. 

Результаты показали, что, в целом, непосредственное влияние кодонов на экспрессию превышает влияние дополнительных факторов, однако есть и исключения: третичная структура информационной РНК  вблизи переднего конца молекулы может полностью прекратить процесс трансляции. Кроме того, полученные данные подтвердили, что часто встречающиеся синонимичные кодоны положительно влияют на уровень экспрессии белка, прежде всего через стабилизацию РНК и увеличение продолжительности ее жизни.  

Ученые надеются, что результаты исследования помогут в создании искусственных генов, синтез белков которых отличался бы большей эффективностью.

Известно, что некоторые синонимичные кодоны в кодирующих участках ДНК встречаются чаще других. Это явление называется предпочтением кодонов и сформировалось под воздействием эволюции, когда некоторые кодоны оказывали более благоприятное воздействие на эффективность процессов трансляции. 

Александр Еникеев