Ikdienišķs eksperiments ar mikroskopisku organismu no saldūdens dīķa novedis pie negaidīta atklājuma par vienu no fundamentālākajiem dzīvības mehānismiem. Pētnieki atklāja, ka iepriekš neaprakstīts protists Oligohymenophorea sp. PL0344 DNS instrukcijas interpretē veidā, kāds līdz šim nebija dokumentēts.

Organisma genomā divi signāli, kas parasti šūnai liek pārtraukt olbaltumvielas veidošanu, bija ieguvuši pilnīgi citu nozīmi. Vēl pārsteidzošāk — tie bija pārdalīti divu atšķirīgu aminoskābju kodēšanai, lai gan zinātnieki līdz šim uzskatīja, ka šo signālu evolūcija ir cieši saistīta.

Atklājums tika publicēts žurnālā PLOS Genetics 2023. gada oktobrī. Vēlāki pētījumi saistītos mikroorganismos atklāja arī citas ģenētiskā koda variācijas, liecinot, ka mikroskopiskajā pasaulē vēl varētu būt daudz līdz šim nepamanītu izņēmumu.

Nejaušs atklājums Oksfordas dīķī

Atklājumu veica Džeimijs Makgovans, kurš tolaik bija pēcdoktorantūras pētnieks Earlham Institute. Viņš pētīja protistu, kas bija savākts dīķī Oxford University Parks teritorijā Oksfordā, Anglijā.

Sākotnējais projekts nebija saistīts ar ģenētiskā koda evolūciju. Pētnieki pārbaudīja DNS sekvenēšanas metodi, kas ļauj analizēt ārkārtīgi mazu ģenētiskā materiāla daudzumu — potenciāli pat tikai no vienas šūnas. Makgovans strādāja kopā ar Earlham Institute zinātniekiem un pētnieku grupu, kuru vadīja Tomass Ričardss no Oksfordas Universitātes.

Mērķis bija uzlabot rīkus tādu organismu izpētei, kurus laboratorijā ir grūti izaudzēt un analizēt. Taču, samontējot un pārbaudot organisma genomu, pētnieki pamanīja ko negaidītu: protists piederēja iepriekš neidentificētai sugai, un tā ģenētiskās instrukcijas, šķiet, darbojās pēc neparastiem noteikumiem.

“Tā ir tīrā veiksme, ka mēs izvēlējāmies šo protistu sekvenēšanas procesa pārbaudei, un tas tikai parāda, kas vēl atrodas mums apkārt, kā arī to, cik maz mēs zinām par protistu ģenētiku,” sacīja Makgovans.

Kas ir protisti?

Protisti ir viena no daudzveidīgākajām un vismazāk izprastajām organismu grupām uz Zemes. Daudzi no tiem sastāv tikai no vienas šūnas un ir pārāk mazi, lai tos varētu saskatīt bez mikroskopa. Pie pazīstamiem piemēriem pieder amēbas, dažādas aļģes un kramaļģes — mikroskopiski organismi, kas bieži sastopami ūdens vidē.

Tomēr visi protisti nav sīki. Šajā plašajā kategorijā ietilpst arī brūnaļģes, gļotu sēnes un sarkanās aļģes, no kurām dažas izaug par lielām un sarežģītām struktūrām.

Grupa ir tik daudzveidīga, ka zinātnieki tās pārstāvjus lielākoties definē, nošķirot tos no citām galvenajām dzīvības valstīm.

“Protista definīcija ir brīva — būtībā tas ir jebkurš eikariotisks organisms, kas nav dzīvnieks, augs vai sēne,” skaidroja Makgovans. “Tā, protams, ir ļoti vispārīga definīcija, un tāda tā ir tāpēc, ka protisti ir ārkārtīgi mainīga grupa.
Daži no tiem ir tuvāk radniecīgi dzīvniekiem, citi — augiem. Ir plēsēji un upuri, parazīti un saimnieki, peldētāji un organismi, kas paliek vienā vietā. Dažiem ir daudzveidīgs uzturs, kamēr citi veic fotosintēzi. Būtībā par šo grupu varam izdarīt ļoti maz vispārīgu secinājumu.”

Eikarioti ir organismi, kuru šūnās atrodas kodols — specializēts nodalījums, kurā glabājas lielākā daļa ģenētiskā materiāla. Pie eikariotiem pieder cilvēki, citi dzīvnieki, augi, sēnes un protisti.

Atklājuma centrā esošais organisms pieder protistu grupai, ko sauc par skropstaiņiem. Šie organismi parasti pārvietojas, izmantojot sīkas, matiņiem līdzīgas struktūras jeb skropstiņas, kas koordinēti kustas un dzen tos cauri ūdenim.

Skropstaiņi ir plaši sastopami gan saldūdenī, gan jūras vidē. Ģenētiķiem tie ir īpaši interesanti, jo dažas šīs grupas sugas ir evolūcijas gaitā izveidojušas neparastus veidus, kā interpretēt DNS instrukcijas.

Kā ģenētiskais kods liek šūnai apstāties

Lai saprastu, kāpēc šis atklājums ir tik negaidīts, jāaplūko, kā šūnas ģenētisko informāciju pārvērš olbaltumvielās.

DNS darbojas līdzīgi instrukciju rokasgrāmatai: tajā glabājas informācija, kas šūnām nepieciešama struktūru veidošanai un uzturēšanai. Tomēr šīs instrukcijas vispirms jāpārtulko fiziskās molekulās, lai tās varētu pildīt bioloģiskās funkcijas.

Process sākas, kad kāds DNS posms tiek nokopēts ziņneša RNS jeb mRNS molekulā. Tā nogādā ģenētiskās instrukcijas šūnas olbaltumvielu ražošanas mehānismam.

Pēc tam struktūra, ko sauc par ribosomu, nolasa RNS secību pa trim “burtiem”. Katru šādu trīs burtu grupu sauc par kodonu, un lielākā daļa kodonu norāda uz kādu no aminoskābēm — olbaltumvielu būvelementiem.

Aminoskābēm savienojoties, veidojas ķēde, kas var salocīties trīsdimensiju struktūrā. Iegūtā olbaltumviela var darboties kā enzīms, nodrošināt struktūras atbalstu, pārvadāt molekulas vai veikt neskaitāmas citas šūnas funkcijas.

DNS pierakstā olbaltumvielu kodējoša secība parasti sākas ar starta kodonu ATG un beidzas ar stopkodonu — parasti TAA, TAG vai TGA.

Stopkodoni darbojas kā pieturzīmes. Tie informē ribosomu, ka konkrētās olbaltumvielas instrukcijas ir beigušās un izveidotā ķēde jāatbrīvo. Kad instrukcijas tiek pārrakstītas RNS, burts T tiek aizstāts ar U, tāpēc atbilstošie RNS stopkodoni ir UAA, UAG un UGA.

Lielākajā daļā dzīvības formu šie signāli ārkārtīgi ilgu evolūcijas vēstures periodu ir saglabājuši tās pašas pamatfunkcijas. Tomēr daba reizēm ir atradusi veidus, kā apiet ierastos noteikumus.

Diviem stopkodoniem atklāj atšķirīgas nozīmes

Zinātnieki jau vairākus gadu desmitus zina, ka daži organismi izmanto modificētas ģenētiskā koda versijas. Šādas variācijas kopumā ir retas, taču skropstaiņiem ir īpaši daudz piemēru.

Dažiem skropstaiņiem stopkodoni evolūcijas gaitā sākuši norādīt uz aminoskābēm, nevis pārtraukt olbaltumvielu veidošanu. Vēl nesen šķita, ka viena likumsakarība ir gandrīz nemainīga: divi no parastajiem stopkodoniem — TAA un TAG — parasti saglabā vienādu nozīmi. Ja to funkcija mainās, abi parasti sāk kodēt to pašu aminoskābi.

Tas lika domāt, ka šiem diviem signāliem ir jāevolucionē kopā.

“Gandrīz visos citos mums zināmajos gadījumos TAA un TAG mainās vienlaikus. Kad tie vairs nav stopkodoni, abi norāda uz vienu un to pašu aminoskābi,” skaidroja Makgovans.

Oligohymenophorea sp. PL0344 genoms parādīja citu ainu. TAA un TAG vairs nedarbojās kā stop signāli, bet kodēja pilnīgi atšķirīgas aminoskābes: TAA norādīja uz lizīnu, savukārt TAG — uz glutamīnskābi.

Abas aminoskābes ir izplatītas olbaltumvielu sastāvdaļas, taču tām ir atšķirīgas ķīmiskās īpašības un bioloģiskās lomas. Tikmēr TGA šim organismam bija vienīgais parastais stopkodons.

Šis bija pirmais ziņotais ģenētiskā koda piemērs, kurā TAA un TAG bija pārdalīti divu dažādu aminoskābju kodēšanai. Tas ir būtiski, jo parāda, ka šo kodonu evolūcijas attiecības nav tik ierobežojošas, kā zinātnieki iepriekš uzskatīja.

“Tas ir ārkārtīgi neparasti. Mums nav zināms neviens cits gadījums, kad šie stopkodoni būtu saistīti ar divām atšķirīgām aminoskābēm. Tas pārkāpj dažus noteikumus, par kuriem domājām, ka tos zinām par gēnu translāciju — tika uzskatīts, ka šie divi kodoni ir savstarpēji saistīti,” sacīja Makgovans.

Kā organisms darbojas ar neparasto kodu

Papildu izpēte ļāva atrast norādes par to, kā protists spēj funkcionēt ar šādām ģenētiskajām instrukcijām. Pētnieki identificēja specializētus pārneses RNS jeb tRNS gēnus, kas saistīti ar pārdalītajiem kodoniem.

tRNS molekulas olbaltumvielu veidošanas laikā darbojas kā tulki: tās palīdz saskaņot ziņneša RNS instrukcijas ar pareizajām aminoskābēm. Šo gēnu klātbūtne apstiprināja, ka neparastais ģenētiskais kods ir īsta organisma īpašība, nevis sekvenēšanas kļūda.

Pētnieki arī konstatēja negaidīti lielu skaitu TGA stopkodonu DNS reģionos, kas atradās uzreiz aiz olbaltumvielas kodējošām secībām.

Šie papildu stop signāli varētu darboties kā rezerves sistēma. Ja ribosoma nejauši turpina lasīt informāciju aiz paredzētā olbaltumvielas beigu punkta, otrs stopkodons var neļaut tai olbaltumvielu izveidot pārāk garu. Šāda aizsardzība varētu būt īpaši vērtīga organismam, kas izmanto tikai vienu no trim parastajiem stopkodoniem.

Pētnieki nevarēja precīzi noteikt, kā neparastais kods evolūcijas gaitā radies, taču atklājums parādīja, ka mehānisms, kas ģenētisko informāciju pārvērš olbaltumvielās, var būt daudz pielāgojamāks, nekā iepriekš domāts.

Turpmākie pētījumi atklāj vēl citas ģenētiskā koda variācijas

Sākotnējais atklājums radīja plašāku jautājumu: cik daudz citu mikroorganismu izmanto ģenētiskos kodus, kurus zinātnieki vēl nav atpazinuši?

2024. gada decembrī Makgovans un kolēģi žurnālā PLOS Genetics publicēja papildu pētījuma rezultātus, kas parādīja — neparastas ģenētiskā koda izmaiņas vairākās citās skropstaiņu līnijās radušās neatkarīgi.

Pētnieki analizēja skropstaiņu grupu, ko sauc par Phyllopharyngea, tostarp ģenētiskos datus, kas iegūti starptautiskā TARA Oceans projektā. Tā mērķis ir pētīt jūras dzīvību un tās ģenētisko daudzveidību.

Analīzē tika identificētas trīs iepriekš nekultivētas skropstaiņu sugas, kurās UAG — parastais stopkodons — šķietami kodēja leicīnu. Šie organismi bija iegūti paraugos, kas saistīti ar Arktikas un Dienvidu okeānu.

Pētnieki pārbaudīja arī jau esošas genomu datubāzes un identificēja vēl divus skropstaiņus — Hartmannula sinica un Trochilia petrani — kuros UAG, šķiet, kodēja glutamīnu.

Evolūcijas salīdzinājumi liecināja, ka šīs izmaiņas radušās neatkarīgi vismaz trīs reizes.

Būtiski, ka šie ģenētiskie kodi nebija identiski Oligohymenophorea sp. PL0344 neparastajai sistēmai. Piecos 2024. gada pētījumā analizētajos skropstaiņos UAA saglabāja stop signāla funkciju, kamēr UAG bija ieguvis citu nozīmi.

Tomēr šie rezultāti sniedza papildu pierādījumus, ka abiem ģenētiskajiem signāliem ne vienmēr ir jāevolucionē kopā. Sākotnējais atklājums tādējādi izrādījās nevis izolēta īpatnība, bet palīdzēja izgaismot daudz plašāku ģenētiskā koda elastības modeli skropstaiņu vidū.

Zinātnieki joprojām atklāj slēpto protistu daudzveidību

Mikroskopisko organismu neparastās bioloģijas izpēte turpinājās arī ārpus ģenētiskā koda tēmas.

2026. gada martā Earlham Institute un Oksfordas Universitātes pētnieki ziņoja par vēl vienu atklājumu, kas kļuva iespējams, pateicoties individuālu šūnu sekvenēšanas metodēm. Pētījumā, kas publicēts žurnālā Microbial Genomics, viņi analizēja Bodo — protistu grupu, kas sastopama saldūdenī, iesāļā ūdenī un augsnē.

Izanalizējot tikai septiņas nekultivētas šūnas, zinātnieki identificēja trīs iepriekš neatzītas evolūcijas līnijas. Katra no tām bija saistīta ar savu atšķirīgu baktēriju partneri, kas dzīvoja organisma iekšienē.

Šis darbs nepierādīja tādas pašas ģenētiskā koda izmaiņas, kādas tika atrastas PL0344. Tā vietā tas parādīja, cik daudz bioloģiskās daudzveidības var palikt apslēpts, ja pētnieki galvenokārt balstās uz organismiem, kurus ir viegli audzēt laboratorijā.

Kopā ar atklājumiem par ģenētisko kodu šie rezultāti demonstrē, cik vērtīgi ir pētīt mikroorganismus, kuriem līdz šim pievērsta salīdzinoši maza zinātniskā uzmanība. Labākas sekvenēšanas tehnoloģijas varētu atklāt vēl citus neparastus ģenētiskos kodus, negaidītas organismu attiecības un līdz šim nezināmus šūnu darbības veidus.

Zinātniekiem neparasti ģenētiskie kodi ir kas vairāk nekā tikai bioloģiskas kuriozitātes. Tie ļauj pētīt, kāpēc ģenētiskais kods lielākajā daļā dzīvības formu ir tik konsekvents un kā evolūcijas izmaiņas dažkārt var pārveidot tā pamatinstrukcijas.

Šo dabisko variāciju izpratne varētu palīdzēt arī sintētiskajā bioloģijā, kur pētnieki cenšas modificēt ģenētiskos kodus, lai šūnām piešķirtu jaunas spējas vai ļautu tām ražot olbaltumvielas ar neparastām īpašībām.

Tomēr evolūcijas spēki, kas nosaka skropstaiņu ģenētisko kodu ārkārtējo daudzveidību, joprojām nav pilnībā izprasti.

Kas sākās kā parasts sekvenēšanas eksperiments, galu galā parādīja, ka pat dažiem no pazīstamākajiem bioloģijas noteikumiem ir ievērojami izņēmumi.

“Zinātnieki mēģina izveidot jaunus ģenētiskos kodus, taču tie pastāv arī dabā. Ja meklējam, varam atrast fascinējošas lietas.
Vai arī šajā gadījumā — kad mēs tās nemaz nemeklējām,” sacīja Makgovans.