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 Nucleic Acids Research. 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.

Схема эксперимента с Escherichia coli / ©Pavel Odinev / Пресс-служба Сколтеха 
Схема эксперимента с Escherichia coli / ©Pavel Odinev / Пресс-служба Сколтеха

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 Escherichia coli и плазмиды — кольцевые ДНК, кодирующие так называемый двойной флуоресцентный репортер («дуэт» в этом случае — два флуоресцентных белка, красный RFP и голубой CER).

Влияние SD-подобных последовательностей в начале кодирующей области на эффективность трансляции / ©Nucleic Acids Research 
Влияние SD-подобных последовательностей в начале кодирующей области на эффективность трансляции / ©Nucleic Acids Research

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 CER и 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.

Влияние метаболических затрат аминокислот на эффективность трансляции в богатой и бедной среде / ©Nucleic Acids Research 
Влияние метаболических затрат аминокислот на эффективность трансляции в богатой и бедной среде / ©Nucleic Acids Research

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. coli в 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.

Источники

Изучен "рецепт" эффективного синтеза белка
Seldon.News (news.myseldon.com), 28/05/2020
Изучен "рецепт" эффективного синтеза белка
Naked Science (naked-science.ru), 28/05/2020

Похожие новости

  • 05/03/2018

    В Москве состоялся форум «Экология жизни: медицина, наука, инновации»

    ​28 февраля в Общественной палате РФ прошел первый в этом году крупный российско-японский форум в области медицины - "Экология жизни: медицина, наука, инновации". Форум организован для обмена опытом в рамках проекта "Культура жить.
    1642
  • 12/12/2017

    Новосибирские и московские ученые разработали антитела для диагностики грибковых заболеваний

    ​Исследователи из Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН совместно с коллегами из Института органической химии им. Н. Д. Зелинского РАН создали новый высокоэффективный диагностикум аспергиллезов, который поможет отличить эти заболевания от других подобных и быстро подобрать правильное лечение.
    1115
  • 15/11/2019

    Ученые разработали уникальный способ диагностики иммунитета младенцев

    ​Российские ученые разработали уникальный способ диагностики иммунитета, способный сократить младенческую смертность. Инновационная методика впервые оценивает не только наличие "маркеров", то есть признаков определенных патологий, но и количество этих маркеров.
    846
  • 16/10/2017

    Ученые обнаружили в Якутии древние бактерии возрастом более 3 млн лет

    Специалисты из научных организаций Москвы, Новосибирска, Тюмени и Эймса (Айова, США) выяснили, что в вечной мерзлоте Якутии, в районе заповедника "Мамонтова гора", сформировавшейся около 3,5 млн лет назад, сохранились древние микроорганизмы.
    980
  • 18/06/2020

    Российские ученые испытывают "безтромбозные" сосудистые протезы

    Специалисты Научно-исследовательского института комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний (НИИ КПССЗ, Кемерово) сделали новый практический шаг к созданию сердечно-сосудистых протезов малого диаметра, которые после их имплантации в живой организм не создавали бы рисков образования тромбов - ученые смогли показать относительную эффективность созданных ими сосудистых протезов на крупных лабораторных животных, сообщила пресс-служба института.
    280
  • 18/12/2018

    Российские ученые придумали, как эффективнее уничтожать рак

    Ученые из Института биоорганической химии им. Шемякина и Овчинникова РАН, Института химической биологии и фундаментальной медицины Сибирского отделения РАН совместно со специалистами института Скриппса (США) при участии компании "Фармсинтез" разработали технологию по повышению эффективности лечения пациентов с В-клеточной лимфомой — агрессивной формой рака лимфатической системы.
    1100
  • 24/08/2016

    Сибирские и московские ученые создали тест на мутации у младенцев

    ​Новосибирские ученые вместе с московскими коллегами разработали систему диагностики иммунодефицита у новорожденных, ведутся переговоры с Росздравнадзором, чтобы зарегистрировать тест. Простую тест-систему для выявления первичных иммунодефицитов у детей разработали ученые Института химической биологии и фундаментальной медицины (ИХБФМ) СО РАН совместно со специалистами московской детской больницы №9 имени Сперанского - самой большой детской клиники России, пишет "Наука из первых рук".
    1618
  • 05/07/2017

    В новосибирском Академгородке прошла конференция по высокопроизводительному секвенированию в геномике

    ​​Ученые из Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН представили новые методы, использующие NGS секвенирование, уникальные для нашей страны, на II Всероссийской конференции "Высокопроизводительное секвенирование в геномике", прошедшей в новосибирском Академгородке.
    2396
  • 25/07/2018

    В ИХБФМ СО РАН полезные белки научат самостоятельно бороться с раковыми опухолями

    ​Научить полезные белки самостоятельно бороться с раковыми опухолями - цель специалистов Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН. В разные эпохи люди больше всего боялись разных болезней.
    1018
  • 12/01/2018

    НАН Беларуси и Сибирское отделение РАН объявили конкурс на соискание премии им. академика Коптюга

    ​​Национальная академия наук Беларуси и Сибирское отделение Российской академии наук объявили конкурс 2018 года на соискание премии имени академика Валентина Коптюга, сообщили в пресс-службе НАН.  Данная премия присуждается белорусским и российским исследователям за достижение выдающихся результатов при выполнении совместных научных исследований по межгосударственным программам, а также за совместные научные труды, научные открытия и изобретения, имеющие важное значение для науки и практики.
    2409