موجودات زنده معمولاً کد DNA را به روشی بسیار سختگیرانه و قابل پیشبینی میخوانند. هر کُدون، که مجموعهای از سه نوکلئوتید در یک ژن است، با یک اسید آمینه خاص مطابقت دارد که بخشی از یک پروتئین در حال رشد میشود.
اکنون، پژوهشگران در دانشگاه کالیفرنیا برکلی کشف کردهاند که یک نوع میکروارگانیسم میتواند عدم قطعیت در این فرآیند را تحمل کند. کار آنها یک باور دیرینه ۶۰ ساله را به چالش میکشد که کد ژنتیکی همیشه باید با دقت کامل تفسیر شود.
این میکروب، که عضوی مِتانساز از دسته آرکیها است، یک توالی سه حرفی خاص را به دو روش مختلف میخواند. اگرچه این کدون معمولاً بهعنوان یک سیگنال توقف عمل میکند که تولید پروتئین را پایان میدهد، اما این موجود گاهی اوقات آن را بهعنوان نشانهای برای ادامه ساخت پروتئین در نظر میگیرد. در نتیجه، دو نسخه از پروتئین را تشکیل میدهد و بهنظر میرسد این انتخاب تا حدی تحت تأثیر شرایط محیطی قرار دارد. این گونه، Methanosarcina acetivorans، در حالیکه با این سیستم کدگشایی انعطافپذیر کار میکند، سالم باقی میماند و نشان میدهد که حیات میتواند با یک کد ژنتیکی که کمی ناقص است، عمل کند.
دانشمندان فکر میکنند این ابهام ممکن است تکامل یافته باشد تا این موجود بتواند یک اسید آمینه نادر به نام پیرولیزین را به آنزیمی اضافه کند که به تجزیه متیلآمین، یک ترکیب محیطی رایج که حتی در روده انسان یافت میشود، کمک میکند.
ابهام بهعنوان یک مزیت
دیپتی نایاک، استادیار زیستشناسی مولکولی و سلولی در UC برکلی و نویسنده ارشد مقالهای که یافتهها را در ۶ نوامبر در مجله Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر کرد، گفت:
از نظر عینی، ابهام در کد ژنتیکی باید مضر باشد؛ شما در نهایت مجموعهای تصادفی از پروتئینها تولید میکنید. اما سیستمهای زیستی مبهمتر از آن چیزی هستند که ما تصور میکنیم و آن ابهام در واقع یک ویژگی است – نه یک نقص.
آرکیهایی که متیلآمینها را مصرف میکنند، و باکتریهایی که ممکن است این توانایی را نیز به دست آورده باشند، نقش مهمی در بدن انسان دارند. در کبد، متابولیتهای منتشرشده توسط گوشت قرمز به تریمتیلآمین اِن-اکسید تبدیل میشوند، که با بیماریهای قلبی عروقی مرتبط است. ما برای حذف این متیلآمینها قبل از رسیدن به کبد، به این میکروبها وابسته هستیم.
این یافتهها پیامدهایی برای درمانهای بیماری در آینده دارند. برخی از محققان حدس زدهاند که ایجاد مقداری عدم دقت در ماشینآلات ترجمه ممکن است به درمان بیماریهای ناشی از یک کدون توقف زودرس در ژنهای مهم کمک کند، که پروتئینهای ناکارآمد تولید میکند. این شامل حدود ۱۰ درصد از کل بیماریهای ژنتیکی، از جمله فیبروز کیستیک و دیستروفی عضلانی دوشن میشود. کمی «نشت» داشتن یک کدون توقف میتواند به اندازه کافی اجازه دهد تا پروتئین طبیعی تولید شود و علائم را کاهش دهد.
رمز ژنتیکی
DNA در ژنوم ابتدا به RNA رونویسی میشود و سپس آن کد ژنتیکی توسط ماشینآلات سلولی خوانده میشود تا پروتئینها تولید شوند. اسیدهای نوکلئیک تشکیلدهنده RNA در چهار نوع – آدنین (A)، سیتوزین (C)، گوانین (G) و اوراسیل (U) – وجود دارند. در اکثر موجوداتی که تا به امروز مورد بررسی قرار گرفتهاند، گروههای سه اسید نوکلئیک یا کدونها یا به یک اسید آمینه واحد اختصاص داده میشوند یا به یک کدون به اصطلاح توقف، که سنتز آن پروتئین را خاتمه میدهد. هنگامیکه RNA به رشتهای از اسیدهای آمینه ترجمه میشود، این ماشینآلات همیشه از این ارتباط یک به یک پیروی میکنند.
با این حال، همه موجودات RNA را به یک روش کدگشایی نمیکنند. برخی یک اسید آمینه متفاوت را به یک کدون مشخص اختصاص میدهند، برخی بیش از ۲۰ اسید آمینه استاندارد در هر موجود دارند و کدونها زائد هستند – چندین کدون میتوانند برای یک اسید آمینه مشابه کد کنند. اما بهطور یکنواخت در سراسر درخت حیات، هر کدون فقط یک معنی دارد – بدون اما و اگر.
نایاک گفت:
این اساساً مانند یک رمز است. شما چیزی را در یک زبان میگیرید و آن را به زبان دیگری، یعنی نوکلئوتیدها به اسیدهای آمینه، ترجمه میکنید.
یک شگفتی در آرکیها
دانشمندان مدتهاست که میدانند بسیاری از اعضای آرکیها پیرولیزین تولید میکنند، که به آنها ۲۱ گزینه اسید آمینه به جای ۲۰ گزینه معمول برای ساخت پروتئین میدهد. نایاک گفت، این مزایایی دارد.
او افزود:
حالا که یک اسید آمینه جدید دارید، دنیا در اختیار شماست. میتوانید شروع به بازی با کد بسیار بزرگتری کنید. مثل اضافه کردن یک حرف دیگر به الفبا است.
اما تصور میشد که این موجودات صرفاً تفسیر کدون توقف UAG را تغییر دادهاند تا بهجای توقف، برای پیرولیزین کد کند.
در مطالعه جدید، نایاک و کتی شلوارجیان، دانشجوی سابق تحصیلات تکمیلی، آرکیها را بررسی کردند و تولید پیرولیزین را در بسیاری از دودمانها یافتند.
شلوارجیان، که اکنون یک پژوهشگر پسادکتری در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور است، گفت:
ما دریافتیم که مکانیزمهای مورد نیاز برای ایجاد پیرولیزین در آرکیها گسترده است، بهویژه در میان این آرکیهای مِتانزا که متیلآمینهای متیلهشده را مصرف میکنند.
دو راهی در کد
با این حال، او کنجکاو بود که داشتن ۲۱ اسید آمینه به جای ۲۰ اسید آمینه چگونه بر این موجودات و فیزیولوژی آنها تأثیر میگذارد. هنگام بررسی کنترل ژنتیکی تولید پیرولیزین در این متانوژن، متوجه شد که کدون UAG همیشه بهعنوان پیرولیزین (Pyl) تفسیر نمیشود.
شلوارجیان گفت:
کدون UAG مانند یک دو راهی است، که در آن میتواند هم بهعنوان یک کدون توقف یا هم بهعنوان یک باقیمانده پیرولیزین تفسیر شود. ما فکر میکنیم اینکه آیا یک پروتئین در درجه اول در شکل بلندتر یا کوتاه شده خود وجود داشته باشد، ممکن است یک نشانه تنظیمی برای سلول باشد.
نایاک و شلوارجیان به دنبال نشانههای وابسته به توالی یا ساختار بودند که ممکن است بر تفسیر کدون UAG تأثیر بگذارد، اما چیزی پیدا نکردند.
نایاک گفت:
متانوژنها UAG را دوباره کدگذاری نکردهاند و همچنین عوامل جدیدی برای قطعی کردن آن اضافه نکردهاند. آنها بین اینکه آیا باید این را توقف بنامند یا اینکه باید با افزودن این اسید آمینه جدید ادامه دهند، عقب و جلو میشوند. آنها نمیتوانند تصمیم بگیرند. آنها فقط هر دو را انجام میدهند و به نظر میرسد با انجام این انتخاب تصادفی مشکلی ندارند.
تعادل سلولی
شواهد اولیه نشان میدهد که ممکن است عرضه پیرولیزین در سلول عامل تعیینکننده باشد. اگر در سلول به مقدار زیاد وجود داشته باشد، ممکن است تفسیر UAG را بیشتر به سمت گنجاندن اسید آمینه در یک پروتئین سوق دهد. بین ۲۰۰ تا ۳۰۰ ژن در این موجود وجود دارد که حاوی کدون UAG هستند و بنابراین توانایی تولید پروتئینی حاوی پیرولیزین را دارند. با این حال، در صورت کمبود اسید آمینه، UAG بهعنوان یک کدون توقف تفسیر میشود و پروتئین متفاوتی تولید میکند که ممکن است بسته به زمینه، کارآمد باشد یا نباشد.
نایاک گفت:
این واقعاً راه را برای یافتن راههای جالب برای کنترل نحوه تفسیر کدونهای توقف توسط سلولها باز میکند.
منبع: Scitechdaily
